方 明 歐陽(yáng)崢嶸 李俊杰

(中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心)

40T混合磁體低溫分配閥箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方 明 歐陽(yáng)崢嶸 李俊杰

(中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心)

40T穩(wěn)態(tài)混合磁體低溫分配閥箱控制系統(tǒng)基于S7-300系列PLC和WinCC組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)了集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯流程、泵閥控制、圖形化監(jiān)控以及數(shù)據(jù)記錄與查詢等功能于一體的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)Profibus-DP與以太網(wǎng)相結(jié)合，再輔以硬件上DP轉(zhuǎn)光纖的方式，實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)。利用WinCC組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)的圖形化人機(jī)界面，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)中溫度、壓力、流量、液位等各種數(shù)據(jù)，增加了系統(tǒng)的靈活性。

混合磁體 低溫分配閥箱 WinCC Profibus-DP

強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置(HMFF)項(xiàng)目是一個(gè)為化學(xué)、材料、物理及生命科學(xué)研究和多學(xué)科交叉研究提供理想穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)極端實(shí)驗(yàn)條件的裝置，可最大程度地滿足我國(guó)多學(xué)科前沿發(fā)展對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件的需求[1]。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置包括40T級(jí)穩(wěn)態(tài)混合磁體實(shí)驗(yàn)裝置和系列不同用途的高功率水冷磁體、超導(dǎo)磁體實(shí)驗(yàn)裝置。穩(wěn)態(tài)混合磁體實(shí)驗(yàn)裝置由30T內(nèi)水冷磁體和10T外超導(dǎo)磁體嵌套而成[2]。其中外超導(dǎo)磁體采用以Nb3Sn 為超導(dǎo)材料的CICC( Cable in Conduit Conductor) ，使用壓力為0.5MPa、溫度為4.5K、流量為18g /s的超臨界氦進(jìn)行冷卻。超臨界氦是由制冷機(jī)輸出的氦氣經(jīng)低溫分配閥箱中的過(guò)冷槽冷卻得到的。通過(guò)對(duì)閥箱的自動(dòng)控制，超臨界氦被按需分配給混合磁體A、B、C、D 4個(gè)線圈和電流引線進(jìn)行降溫。所以低溫分配閥箱在混合磁體氦冷卻部分起著至關(guān)重要的作用。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

低溫分配閥箱作為混合磁體氦冷卻管路的重要組成部分，以超臨界氦的按需輸出為控制目的，將冷量送到混合磁體各線圈和電流引線。其控制系統(tǒng)基于S7-300 PLC構(gòu)建而成，通過(guò)Profibus-DP通信總線轉(zhuǎn)光纖通信的方式與中央控制系統(tǒng)及其他子系統(tǒng)組成控制網(wǎng)絡(luò)，并與中央控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)交換實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)。低溫分配閥箱控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 低溫分配閥箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC程序設(shè)計(jì)

筆者采用的控制系統(tǒng)的核心控制器是西門子公司出品的315-2DP PLC。

在混合磁體預(yù)冷和降溫前，分配閥箱有3個(gè)準(zhǔn)備步驟，分別是閥箱的粗抽、高真空和管路的置換。圖2所示為分配閥箱的真空系統(tǒng)，P71為羅茨泵，P70是P71的前級(jí)機(jī)械泵。粗抽過(guò)程運(yùn)行P70和P71，當(dāng)管道壓力達(dá)到1～10Pa后，開(kāi)始啟動(dòng)高真空管道前級(jí)機(jī)械泵P72和分子泵P73。

圖2 分配閥箱真空系統(tǒng)示意圖

在閥箱的粗抽和高真空步驟進(jìn)行時(shí)，分配閥箱同步向磁體線圈打壓，不斷將線圈中的空氣用氦氣置換。當(dāng)分配閥箱和混合磁體內(nèi)部達(dá)到0.01Pa真空度且經(jīng)過(guò)若干次轉(zhuǎn)換后，磁體開(kāi)始預(yù)冷過(guò)程。

所謂預(yù)冷，是指磁體線圈溫度在80K以上的降溫過(guò)程，其主要冷量制冷機(jī)中的液氮，PLC控制流程如圖3所示，在預(yù)冷開(kāi)始時(shí)，首先開(kāi)啟制冷機(jī)，分別打開(kāi)4個(gè)磁體入口閥FCV001～FCV004(分別對(duì)應(yīng)磁體A、B、C、D 4個(gè)線圈)，對(duì)制冷機(jī)做調(diào)節(jié)，并打開(kāi)閥箱進(jìn)口閥FCV011B讓制冷機(jī)的冷氦氣進(jìn)入閥箱，打開(kāi)FCV016讓熱氦氣進(jìn)入閥箱，打開(kāi)回氣閥FCV008B。在此過(guò)程中，節(jié)流閥FCV007控制過(guò)冷槽前管道壓力PT106，節(jié)流閥FCV006控制回氣管道壓力PT105，F(xiàn)CV008A控制過(guò)冷槽內(nèi)壓力PT110，其中閥箱內(nèi)部管路如圖4所示。TT131為磁體線圈A的入口溫度，當(dāng)TT131不大于80K時(shí)，磁體進(jìn)入降溫階段，此時(shí)的冷量是由制冷機(jī)中超臨界氦提供。在此階段中，要保持制冷機(jī)輸出到閥箱的氦氣溫度不斷降低，且流量不低于30g/s，直到閥箱中的過(guò)冷槽中產(chǎn)生液氦。

2.2 通信設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)以PLC為核心控制器，以IM365為擴(kuò)展模塊將19個(gè)模塊分裝在兩個(gè)擴(kuò)展槽上。通信模塊是具有兩個(gè)以太網(wǎng)接口的CP343-1，用于PLC和上位機(jī)通信。系統(tǒng)的CPU模塊為315-2DP，具有一個(gè)MPI/DP接口和一個(gè)DP接口。通過(guò)DP接口，本系統(tǒng)與中央控制系統(tǒng)以Profibus-DP轉(zhuǎn)光纖的通信方式，將勵(lì)磁時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)和本系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)傳送出去。

圖3 預(yù)冷PLC控制流程

Profibus是一種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，物理傳輸介質(zhì)可以是屏蔽雙絞線、光纖或無(wú)線傳輸[3]。系統(tǒng)的Profibus采用的是PPO數(shù)據(jù)類型，PPO數(shù)據(jù)類型分5種，如圖5所示。圖中的每個(gè)方框代表一個(gè)字的長(zhǎng)度。

圖4 閥箱管路示意圖

圖5 PPO數(shù)據(jù)類型

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

筆者所述控制系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是基于SIMATIC WinCC 7.3監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)的[4]?？刂葡到y(tǒng)的WinCC監(jiān)控界面分為閥箱系統(tǒng)、趨勢(shì)、報(bào)警、泵閥控制和自動(dòng)化狀態(tài)5個(gè)界面。在閥箱系統(tǒng)界面中可以監(jiān)測(cè)整個(gè)閥箱系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)，包括閥箱內(nèi)各部分管道的溫度、壓力和流量，過(guò)冷槽的液位和槽壓，閥箱冷屏、磁體冷屏及電流引線的液氮槽液位等。

除此之外，針對(duì)調(diào)節(jié)閥和開(kāi)關(guān)閥，系統(tǒng)配有不同的控制界面，如圖6所示。圖6a是開(kāi)關(guān)閥的控制窗口，圖6b是調(diào)節(jié)閥的控制窗口。圖6b中，左邊是閥門FCV016開(kāi)度的柱形圖動(dòng)態(tài)顯示，右邊是PID參數(shù)和手/自動(dòng)狀態(tài)值設(shè)定。手動(dòng)狀態(tài)下，可輸入設(shè)置值調(diào)節(jié)FCV016開(kāi)度；自動(dòng)狀態(tài)下，F(xiàn)CV016根據(jù)目前的PID參數(shù)值調(diào)節(jié)TT135。

圖6 閥門控制窗口

3 結(jié)束語(yǔ)

介紹了40T混合磁體低溫分配閥箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。S7-300系列PLC與WinCC組態(tài)軟件相結(jié)合是目前自動(dòng)化控制領(lǐng)域比較成熟的解決方案?；诖嗽O(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的40T混合磁體低溫分配閥箱控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的低溫分配閥箱控制系統(tǒng)。

[1] 仇文君,歐陽(yáng)崢嶸.基于PLC的SHMFF磁體冷卻水水溫控制系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2016,43(12):1248～1252.

[2] 閆俊，歐陽(yáng)崢嶸，李洪強(qiáng).混合磁體超導(dǎo)線圈低溫傳輸線冷屏的設(shè)計(jì)與分析[J].低溫與超導(dǎo)，2013，41(4)：22～24.

[3] 劉鍇，周海.深入淺出西門子S7-300 PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：199～200.

[4] 蘇昆哲.深入淺出西門子WinCC V6[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

ControlSystemDesignforCryogenicValveBoxof40THybridMmagnet

FANG Ming, OUYANG Zheng-rong, LI Jun-jie
(HefeiHighMagneticFieldLaboratoryoftheChineseAcademyofSciences)

Both S7-300 PLC and WinCC configuration software-based this 40T steady hybrid magnet’s cryogenic distribution valve box control system can accomplish auto-control functions like data acquisition and processing, logic process, pump and valve control, graphical monitoring and data record and data query; and through the way of converting DP into fiber and combining with Profibus-DP and Ethernet, this system has a stable and efficient communication network; and through having the WinCC configuration software-based graphical man-machine interface adopted, the data such as temperature, pressure, flow and level can be displayed at real time to increase flexibility of the system.

hybrid magnet, cryogenic distribution valve box, WinCC, Profibus-DP

TH865

A

1000-3932(2017)07-0682-04

2017-01-13，

2017-02-20)

方明(1989-)，工程師，從事控制系統(tǒng)維護(hù)工作，fangming4230@163.com。