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单片机在阀门控制系统中的技术应用
发布日期:2012-02-12

BEPCⅡ直线加速器是中国科学院高能物理研究所BEPCII正负电子对撞机的束流加速器,直线加速器由200米56节加速管组成,共6个区段。采用冷阴极潘宁规作为高真空测量,极限真空度达到2×10-7Pa。8只冷规作为电子枪、各区段的真空度测量和区段阀保护。

1、需要区段阀门控制系统的原因

由于加速器有200m长,微波和真空器件多,特别是高压陶瓷件多,运行时间长,有时发生陶瓷裂缝导致真空泄露。如果区段阀不及时关闭,能在几分钟内使整个 加速器暴露大气,导致电子枪阴栅组件,速调管陶瓷窗,离子泵的损坏。从发现问题到现场手动关闭阀门,时间不容许,为使发生真空泄漏时,损失减到最小,需要 一种可监控各区段真空,和及时自动关闭区段阀的控制系统。由于阀门动关闭,可以保护其它区段的真空。维修人员可以有的放矢地针对某一破坏的区段进行检漏和 维修,使设备损失和真空恢复时间减到最小。

2、真空区段阀连锁保护的设计原理

研制真空阀门控制仪,控制电子枪,6个区段共7个VAT全金属区段阀的开关。并提供“开关”状态量信号给控制室显示真空区段阀的“开关”状态。控制原理就 是使用冷规作为真空传感器,当电子枪,各区段中有一个区段的真空度下降到设定值时,真空度的变坏使真空计的模拟信号电平产生变化使区段阀全部关闭,并锁 死,保持其它区段的真空,等待处理和维修。

3、真空阀门控制系统概述

3.1、真空阀门控制系统的硬件结构

传感器由冷规和配套真空计组成,真空度经真空计输出变换为0~10V模拟信号提供给阀门控制器作为输入信号。

硬件系统中输入电路为多路高阻抗跟随器,接受真空计的输出模拟信号。输入的高阻抗电压跟随器具有输入阻抗高,输出阻抗低,高精度,可以直接驱动单片机的I/O端,减少中间环节。

由AT89C51单片机作为主处理器,AT89C51是一个低电压、高性能CMOS8位单片机,20K的FLASH只读程序存储器,256K字节的随机存 取数据存储器(RAM),使用MCS-51指令系统,采用通用编程方式,适用于嵌入式应用系统。输出为多路SSR固态继电器,具有驱动电压低,光电隔离抗 干扰,寿命长等特点。

该系统集成在两块电路板上,组装在机箱内,前面板有阀开关指示灯,和手动开关,停机检修时采用“手动”模式,可以手动开关每一只阀门。运行期间,采用“自 动”模式,系统全自动控制阀门,不用人为干预。后面板输出采用多芯航空插座,有驱动阀门的,有连接中控室控制采样的,分类明确,安装连接很方便。由于集成 化程度高,机箱小巧,造价低。

3.2、硬件设计

用8251单片机的P1口作为数据输入口,采集P1.0-P1.7口的数据送入累加器A进行比较,当P1.0-P1.7口的输入电平中都是“1”电平时, 表示所有区段的真空状态良好,转向“开阀”子程序,并循环采集P1口数据。当P1.0-P1.7口的输入电平中有“0”电平时,表示某区段的真空状态变 坏,转向“关阀”子程序运行,发出关阀指令,延时后,对重新采集的数据比较,如果还有“0”电平,不再转回“开阀”子程序,保持“关阀”指令。

用P0口作为数据输出口,可以直接驱动外部电路。通过“开阀”和“关阀”子程序,对P0.0-P0.7口的输出进行置位,“0”电平时,SSR固态继电器 呈高阻状态,真空阀门无~220V驱动,阀门关闭状态,阀门的行程开关返回“关”信号,阀门控制器面板“关阀”指示灯亮,同时阀门控制器的开关量状态是 “0”电平,表示阀门关,提供给中控室的计算机显示。“1”电平时,SSR固态继电器呈导通状态,真空阀门有~220V驱动,阀门开启状态,阀门的行程开 关返回“开”信号,阀门控制器面板“开阀”指示灯亮,同时阀门控制器的开关量状态是“1”电平,表示阀门开,提供给中控室的计算机显示。

4、软件设计

控制软件采用MCS-51系列单片机指令系统及用MCS-51汇编语言编写的。软件要完成系统初始化的设置,模拟量的采集和比较,控制模块等。初始化模块 主要完成单片机系统及外设的初始化;模拟量的采集和比较主要是检测由真空度变化产生的变化,决定是否中断,运行关阀子程序。控制模块主要是运行关阀子程 序,控制阀门的开关。

软件的主要流程是:系统启动后,首先进行单片机和外围器件的初始化,接着对P1和P0口进行置位,对数据进行比较和判断,当符合条件时,允许外部中断,跳转到中断服务子程序,启动关阀子程序。陷入循环,发出报警,等待处理。

5、抗干扰措施

BEPCII加速器的速调管大厅电气环境复杂,微波,电磁辐射,高压脉冲等干扰源非常多,为了保证阀门控制器的正常运行,避免误动作的发生,使阀门不在束流加速中意外关闭,挡住束流,系统的抗干扰措施非常重要。

我们主要进行了硬件和软件的处理:(1)真空计的真空度模拟量作为输入信号采用同轴电缆传输。同轴电缆的屏蔽层可靠接机箱地。(2)阀门控制器的输出电缆 很长,接隧道中的VAT阀门上,采用带屏蔽的多芯信号线。(3)电路板上+5V电源入口与地线之间接有10μF、4.7μF的退耦电容。每个集成芯片的电 源线和地线之间有0.1μF独石电容。(4)~220V交流电采用滤波器滤波。(5)输入数据使用了软件滤波,程序使用软件冗余。输出置位时,采用延时程 序,避免干扰引起的误动作。(6)驱动采用SSR固态继电器,使~220V与电路内部光耦隔离,避免了VAT电磁阀加电动作时从线间返回的返峰电压对内部 系统的影响。(7)机箱采用屏蔽机箱,最大限度的消除各种干扰。

由于采用了上述措施,阀门控制器一直稳定运行。误动作的事件没有发生,只是在加速管微波功率输入时产生功率反射,造成局部出气,区段真空瞬时变坏时,产生动作,及时关闭,待真空恢复正常时,再打开,符合保护要求。

6、结论

真空阀门控制器,采用了利用单片机嵌入式设计技术,在加速器技术领域中的应用日益广泛。该系统可以对加速器的真空度进行监测,采用智能化控制,集成度高, 抗干扰能力强。可扩展,由于开发方便,可以修改和完善系统功能。造价低,维修方便,能够满足BEPCII直线加速器的正常运行。

 

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