北京正负电子对撞机低温超导设备控制系统研制

北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)低温超导控制系统采用EPICS-PLC系统架构控制前端低温超导设备,克服了传统PLC对大型工业设备控制在线修改控制流程困难的局限性,可随时根据用户的需求修改控制流程,改进控制逻辑,提高了控制系统的开发和运行效率。文章介绍该系统的

"卷第!期 第!(()年!月 "

原子能科学技术

#$%&!"!'$&!*2&"(():

*+$,-./012.-10.160781.90$%$34534

北京正负电子对撞机

低温超导设备控制系统研制

李 刚 岳珂娟 王克祥 赵籍九

"中国科学院高能物理研究所!北京 H#(((!I

摘要 北京正负电子对撞机重大改造工程"低温超导控制系统采用/=/>? #>P?5B>O?系统架构控制前端低温超导设备!克服了传统>可随时根O?对大型工业设备控制在线修改控制流程困难的局限性!据用户的需求修改控制流程!改进控制逻辑!提高了控制系统的开发和运行效率%文章介绍该系统的结构$功能$联锁逻辑和流程控制等%

关键词 低温超导&控制&=/>? &/>P?5&>O?

中图分类号 "#8>"G; 文献标志码 * 文章编号 H(((B<I;H"(()(!B(;<<B(!

$,(2+,*%/2.5,0$+,.(&-)(<%4.+-,(<4-2&E.F.E&-./)2!"#$ 66'D

!!OPL60N[/Q1BA60!M*'LQ1BR-60JK*Ec-B-A3U3U

"<(0&1&=&")1.>("%.0120!9.1("0"?2$,"'21"(2"0!*:88/-//)*5

-@A@B)CIH)DH(!B"11((((!I!9.1($#E8H

'89/2+)-291.$0+2$%C+2A.+A21$T/>P?5607>O?-CAC17-0+91.2$10-.607CA12B 843:

!.$07A.+-W1.$0+2$%CC+1,$T=1--0%1.+2$0>$C-+2$0?$%%-712"=/>? #V9-.9C$%W1C4U3/+91:2$@%1,+96+6:A21>O?.$0+2$%CC+1,7$1C0$+6%%$V+91AC12+$,$7-T+91-07ACB44+2-6%T%$V$0B%-01&P+-C.$0W10-10++$,$7-T$0+2$%T%$V607-,2$W1.$0+2$%%$-.4.:3

+21A-21,10+-0+91/>P?5B>O?CC+1,&891CC+1,62.9-+1.B$0B%-016..$27-0+$AC12CS443!!TA0.+-$06%-+-0+12%$._607T%$V.$0+2$%62171C.2-@17&+A214

'=&&:.,+<//>? &.2$10-.607CA12.$07A.+$2.$0+2$%/>P?5&>O?43:6;从H=/>?#I)G年建 北京正负电子对撞机"

成以来!在北京谱议上已作出包括 轻子质量的精密测量$以及" FL1#能区的F值测量!在c,#$"C^介子等物理研究中多项国际 $ "领先水平的重要科研成果%为拓宽和增加中国科学院决=/>?的应用领域和应用范围!定对=即北京正负电子对/>?进行升级改造!

!将正负电子对撞机重大改造工程"=/>? #撞机的亮度提高H((倍!=/>? 首次应用;种先进低温超导技术设备'超导螺线管磁体"55D磁铁#$超导插入四极磁铁"和超导5?`磁铁#高频加速腔"%因此!5Z]?#=/>? 将采用先进的低温超导控制技术和控制设备来对低温系统进行控制%

收稿日期 修回日期 "((<BHHBH<&"((GB(;BH!

作者简介 李 刚"!男!江苏镇江人!助理研究员!硕士!加速器控制专业HIGF(#

北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)低温超导控制系统采用EPICS-PLC系统架构控制前端低温超导设备,克服了传统PLC对大型工业设备控制在线修改控制流程困难的局限性,可随时根据用户的需求修改控制流程,改进控制逻辑,提高了控制系统的开发和运行效率。文章介绍该系统的

第!期 李 刚等'北京正负电子对撞机低温超导设备控制系统研制;<G

= 低温超导设备控制结构

=@= "#G$%软件体系结构

/>P?5"/R12-,10+6%>9C-.C607P07ACB:4

)H*

是世界上最先进的控+2-6%?$0+2$%5C+1,#4

它是基于标准模型的客户机,服务器模制技术!

式的分布式结构控制系统软件!/>P?5系统结构图如图H所示%该控制技术已在国外各大高能物理实验室的加速器装置上得到应用

%

图H />P?5系统结构框图]-3&H 54

C+1,C+2A.+A21$T/>P?5=/>? 控制系统采用/>P?5系统进行开发)"*%/>P?5软件结构包括;个主要部分'运行在客户端的操作员接口模块"E>P#$运行在服务器上的输入输出控制模块"PE?#和通道访问模块"?*#%客户端一般运行在[0-R,O-0AR操作系统平台!服务器一般运行在#RM$2_C操作系统平台%

@> 低温控制系统硬件结构

应用/>P?5,PE?的低温超导设备控制系统硬件结构框图示于图"%前端低温设备的压力$温度$液位$流量的输入信号和阀门$加热器的控制输出信号通过本地>O?的P,E通道进行数据信息的交互!>O?的控制信号经

?$0+2$%'1+网络与#D/,PE?内的数据库进行通讯!/>P?5上层用户通过/+91201+访问PE?数据库!从而实时地控制低温系统的运行模式以及实现对低温工作状态的监测%前端本地安装触摸屏!

用于实时显示低温设备的运行状态!便于操作员本地巡视时对设备的监测以及设备维护人员对系统的维护%

/>P?5对低温设备的压力$

液位$温度$流量和加热器功率等工程量进行精确控制!

在低

图" 基于/>P?5的=/>? 低温控制系统

硬件结构框图

]-3&" K627V621C+2A.+A21$T.24$310-..$0+2$%C4

C+1,$T=/>? @6C17$0/>P?5温系统中产生饱和液氦$两相氦和过冷的单相液氦;种形式的氦流来冷却超导设备!为

=/>? 对撞和同步辐射运行提供稳定可靠的

低温环境%

> 低温超导设备控制功能

低温系统在调试和运行过程中的控制流程和控制逻辑需经常修改!

且每次低温的下冷和复温均需较长时间%传统的>O?工业控制方

式);

*将应用软件写入到>O?的处理器模块内!

用户若要修改低温系统的控制流程!则首先必须系统停机!根据用户提出的低温需求!修改>O?内的软件代码!然后再装载到处理器模块内!控制系统重新加电工作!这时!低温系统需重新执行启动预冷$制冷$运行等操作流程!进行新一轮的低温实验调试运行%

传统的工业控制方式不再适合当前低温控制的需求和发展!引入世界上先进的控制技术/>P?5到低温控制系统中!

可解决以上问题%将控制系统的实时数据存放在/>P?5,PE?分布式实时数据库系统中!每个数据库记录对应于H个>O?的P,E通道!如设备的温度$压力$液位等输入信号和阀门调节$加热器功率调节等输出信号等%

根据低温系统用户的需求!在/>P?5,PE?内通过实时数据库将>O?硬件的P,E通道信号连接起来!编制低温系统控制模式和控制逻

=

北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)低温超导控制系统采用EPICS-PLC系统架构控制前端低温超导设备,克服了传统PLC对大型工业设备控制在线修改控制流程困难的局限性,可随时根据用户的需求修改控制流程,改进控制逻辑,提高了控制系统的开发和运行效率。文章介绍该系统的

;<)

辑%在低温调试和运行期间!低温系统新的需求以及控制模式和控制逻辑!在不停机的情况下!可随时在#D/,解决了PE?中进行修改!

从而提高了低>O?代码不能在线修改的问题!保证了=温系统的有效运行时间!/>? 的工

!*

作效率)%

原子能科学技术 第!"卷

需要根据低温系统的运行模式实现对低温过程的稳定控制!为超导设备提供可靠的低温环境!还需要增加液氦入口阀和超导腔加热器的联锁当系统运行发生异常时!迅速启动联保护控制!

保护被控设备!给出报警信息!通锁保护功能!

知运行人员及时处理%

=/>? 的低温超导设备控制系统按其控制功能可分为低温超导设备过程控制和关键设备联锁保护控制%

? 控制功能设计

?@= 超导腔液氦池内液位控制

@= 低温超导设备过程控制 B

低温系统的运行模式主要包括预冷模式$制冷模式$稳定运行模式$升温模式和紧急故障

模式)<*%在各运行模式中!分别通过控制前端

低温系统的压力$液位$流量和功率等过程变量!分别产生饱和液氦$两相氦和过冷的单相液氦!使用这;种不同形式的氦流来冷却超导设备%

氦的温度控制范围为!&" !&FQ!压力为个大气压下的饱和液氦用于浸泡冷却超导加

速腔&控制超导螺线管磁铁表面管子内的两相氦的强迫流动!

利用液氦的相变潜热冷却超导螺线管磁体&控制低温设备产生过冷的单相液氦用于冷却超导插入四极磁铁%

低温过程控制和>P^调节等软件运行在#D/,PE?上!

低温用户可根据过程控制的要求随时调节控制参数!改变控制模式!从而使得低温过程控制具有较高的灵活性%

@> 关键设备联锁保护控制

低温系统在过程控制中发生异常!如果操作员未能及时发现和处理!将带来灾难性后果%例如!超导加速腔处在低温状态下!如果压力或温度控制异常!使得液氦向气氦突变!将造成超导腔容器内氦气体积的急剧膨胀!压力迅速上升!

而超导腔承受压力的能力较低!如果不能及时抑止压力的上升!将给超导腔带来致命性损坏%

超导腔内安装有加热器!用于平衡补偿来自高频发射机的能量!控制浸泡超导腔液面的稳定!使腔一直处于超导状态%加热器在长时间干烧情况下!电阻丝极易被烧断!尽管加热器自身的价值不高!但更换加热器十分困难%因此!需对加热器增加联锁保护功能%

由此可见!对于低温超导设备的控制!不但

日本高能物理实验室的=工厂"Q/Q=#通过液氦入口阀的>P^调节氦的流量!加热器计算补偿来自高频腔的动态热负荷%因=/>? 两个超导腔的安装位置距低温控制机柜较远!约)(,!因此!如果直接根据高频的腔压信号计算加热器的输出功率!必然有部分功率损失在传输导线上!

造成理论计算热负荷与加热器补偿热负荷的偏差!而损失的这部分热负荷需通过调节液氦冷量来补偿%如果偏差较大!将导致液面较大的波动和较长时间内系统的不平稳%根据=/>? 的实际情况!设计的控制方案如图;所示'通过液氦入口阀的主>P^回路调节氦的冷量!在加热器补偿来自高频热负荷的基础上!增加辅助>P^功率调节补偿导线上的热负荷损耗

%

图; 两个>P^控制超导腔液氦池液位结构图]-3&; O-SA-791%-A,%1W1%$TCA:

12.$07A.+$2.6W-+4.$0+2$%%17@4+

V$>P^C加热器的输出功率-916+12b-C+6+1X-Z]X

->P^!-C+6+1为加热器的静态热负荷!

-Z]为来自高频的动态热负荷!->P^为加热器的补偿调节功率%阀门的开度调节通过自动调节入口液氦的流量来控制冷量%51+:O-K为加热器>P^设定值!51+:O-#为阀门>P^设定值!一般情况下!51+:O-#远小于51+:

O-K%>H>

北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)低温超导控制系统采用EPICS-PLC系统架构控制前端低温超导设备,克服了传统PLC对大型工业设备控制在线修改控制流程困难的局限性,可随时根据用户的需求修改控制流程,改进控制逻辑,提高了控制系统的开发和运行效率。文章介绍该系统的

第!期 李 刚等'北京正负电子对撞机低温超导设备控制系统研制;<I

?@> 开关阀控制

低温系统使用了很多开关阀门"用于>##控制低温超导设备的工作模式和保护超导设备%对>#阀门的控制逻辑如下'"<>6# H&时!打开>保#阀门&H&";>6"<>6时! # H&持上次状态&关闭>";>6时!#阀门%# H&其中!#为液氦容器内的压力%控制过程如继电器特性曲线"图!#所示%结合当前压力#和上次>设计出图!所示的#阀门的输出状态!态#&复"F>6且G )<d和人工复位时!# H&位联锁!准备工作%其中'G为氦池内液氦的液位%

A 控制软件

一=/>? 低温控制系统由两部分组成'

部分是低温系统压缩机$制冷机系统的控制!该部分由林德公司用西门子的>O?$M-0..和

另一部分是位于55+1G开发&Z]?$5?`和:#阀门的控制特性%如果# H&"<>6!则打开阀门!此时若#开始减小!并处于H&"<>6临界处!而上次阀门的输出状态为打开!则保持上次阀门输出状态不变!直到压力# H&";>6!系统执行阀门关闭动作%

>#阀门继电器特性曲线的控制设计不但

可防止>#阀门在压力临界点处频繁动作!破坏系统的稳定性!同时也可保护>#阀门设备的机械特性!

延长其使用寿命

%图! >#阀门控制的继电器特性曲线

]-3&! ?A2W1$T21%646

.+-$0$T:$C-+-$0W6%W1">##@? 液氦入口阀联锁保护

超导腔是压力敏感设备!如果超导腔液氦容器内的压力过高!必须立即关闭液氦入口阀!保护超导腔%因此!设计了液氦入口的联锁保护逻辑!用于保护设备和人身安全!其功能如图所示

%

液氦入口阀的联锁条件如下'# H&"<>6或G I)d时!

联锁起效!关闭阀门"默认状图F 液氦入口阀的联锁保护功能]-3

&F P0+12%$._TA0.+-$0$T-0%1+W6%W155D现场的低温超导设备的控制%应用

/>P?5的图形软件/^D开发了上层人机界面!前端>O?采用*=公司的Z5O$3

-RFF((软件)

G*

开发了关键设备联锁保护控制%B 结论

=/>? 低温超导设备控制系统将/>P?5技术应用到高能加速器低温系统中!实现了对超导设备灵活$

精确控制%同时!建造/>P?5B>O?联合控制的构架!突破了传统>O?对大型工业设备控制在线修改控制流程困难的局限性!可随时根据用户的需求修改控制流程!改进控制逻辑!保障系统的运行效率%目前!低温控制系统已与高频系统共同完成

高频腔水平测试验收!为=/>? 第H次调束做好了准备%参考文献

)H* D*Z8P'Z&Q26-,12/>P?5-0:A+,$A+:

A+.$0B+2$%%12"PE?#6::%-.6+-$071W1%$:12+C3A-712)/=,EO*&)"((;*&9++:',,VVV&6:C&60%&3$W,1:-.C,7$.C,[5>*5"((;&:9:

&)"* 赵籍九&

=/>? 设计报告'控制系统)Z*&北京'中国科学院高能物理研究所!"(("&

);* 金以慧&过程控制)

D*&北京'清华大学出版社!HII;&

)!* ?O*[5/'D&Z1W-1VCA,,624)Z*&=1-U-03

'=/>? ?24$310-.?$0+2$%51,-062!"((F&)F* 宋伯生&

>O?编程理论$算法及技巧)D*&北京'机械工业出版社!"((F&

)<* 徐风雨&

=/>? 低温控制系统)Z*&哈尔滨'哈尔滨工业大学低温与超导技术研究所!"((!&)G* 罗克韦尔自动化公司&?

$0+2$%'1+技术概要)Z*&美国'罗克韦尔自动化公司!"(((&

>?F

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ttkj.html