摘 要： 地那米加速器在采用了PLC控制后，可以較方便地實現計算機化操作或管理。通過光電隔離不僅能有效地滿足加速器抗打火干擾等方面的要求，同時還可實現開關量和模擬量的隔離傳輸，簡化了控制電路設計，提高了系統運行的可靠性。

上海原子核研究所制造加工的地那米加速器，已廣泛應用于工業生產之中，創造了極大的經濟效益。但前期安裝的地那米加速器均為手動操作，采用繼電器邏輯控制方式。為了更好地發揮地那米加速器的效能，提高地那米加速器的性價比，增強運行可靠性和故障診斷的識別率，我們采用可編程邏輯控制器(PLC)對地那米加速器的控制進行了改造，在山東曲阜電力電纜廠的地那米加速器上實施了現場調試，各項指標均達到了設計要求。

PLC控制簡述
PLC(Programmable Logic Controller)是將微機技術與繼電器常規控制方式相融合，以微處理器為核心，專為在工業環境下應用而設計的一種數字控制設備。其工作過程一般可分為輸入采樣、程序執行和輸出刷新三個主要階段。PLC通電后先進行自檢，確定自身的完整性和I/O連接的正確與否，清零或復位，然后循環掃描用戶程序。PLC按順序采樣所有輸入信號并讀入到輸入映像寄存器中進行存儲，各輸入信號的狀態在本次掃描周期內不會被改變，在PLC執行程序時被使用，通過對當前輸入、輸出映像寄存器中的數據進行運算、處理，再將其結果寫入輸出映像寄存器中保存，但并不被立即執行，只有在執行完用戶所有程序后，PLC刷新輸出鎖存器時方被用來驅動用戶設備，至此完成一個掃描周期。PLC的掃描周期一般在100ms以內，其主要取決于用戶程序的大小。

地那米加速器的被控制對象
地那米加速器即高頻、高壓加速器，是一個用高頻振蕩器并聯驅動、串聯整流的系統，通過電磁感應耦合將低壓交流電轉變成高壓直流電并用于加速電子。其主要構成為：高頻電壓發生器、直流高壓發生器、電子束產生器、加速管、掃描引出設備、真空系統、六氟化硫氣體處理系統和安全防護設施等。其中參與控制的對象有高頻發生器、電子槍、掃描幅度、輸出能量、輸出電子束流和各種安全連鎖信號，共有60路開關量和14路模擬量，分別由各自的傳感器產生并被連接至PLC輸入接口電路板。地那米加速器監控系統框圖如圖1所示。

圖1 地那米加速器計算機監控系統框圖

圖2 開關量接口電路原理圖

圖3 模擬量接口電路原理圖

接口電路設計
PLC控制的接口電路包括開關量接口電路和模擬量接口電路。地那米加速器的高頻發生器會產生較強的干擾信號源，直流高壓發生器也常會出現打火現象。因此，在所有接口電路中增加光電隔離功能，一方面可改善PLC工作的環境，另一方面可提高加速器的運行可靠性。
開關量的光電隔離接口電路采用普通的光耦元件實現，如圖2所示。其中LED用于指示設備的工作狀態，TVS為瞬變電壓抑制器，選用了單向TVS二極管P6KE30A，其阻斷電壓為28.5V，工作電壓為25.6V，脈沖峰值電流14.7A，典型的響應時間小于1ps。當其雪崩擊穿時，動態電阻小，響應速度快(理論上高達10-12s)，器件面積大,可吸收大的浪涌電流。現場使用的結果表明：將該器件放在接口電路板的輸入/輸出端附近，能有效地減小高壓打火對集成電路芯片的損壞。如果再配以適當的RC電路，其效果會更明顯，且還具有一定的濾波作用。
模擬量光隔接口電路的設計，除需考慮上述打火現象外，還要求其跟蹤精確度、響應速度等要滿足加速器的設計指標，為此，在設計中采用了高精度電壓-頻率轉換芯片LM331，接口電路原理圖如圖3所示。其中U1、U6組成電壓頻率轉換電路，根據輸入電壓的大小，產生不同頻率的脈沖輸出，饋入光電轉換器(U2)進行隔離傳輸，U3構成的頻率電壓轉換器將接收到的頻率脈沖還原成電壓信號；U4、U5組成具有一定放大能力的輸入緩沖電路，U9用于輸入超量程指示，U7、U8為輸出緩沖放大器。如何提高跟蹤精度和加快響應速度，是該接口電路設計的關鍵。除了選擇低溫度系數的定時元件外，RC參數的取值也較為重要，可根據所需要的電壓范圍，初步確定電路的工作頻率，再結合集成電路的參數選擇合適的電阻、電容值。另外， LM331用作頻率電壓轉換器時，應注意其輸入脈沖寬度應盡可能小些。除此之外，合理的元件布局也是提高電路性能的一個因素，在保證連線盡可能短的情況下，PCB板上電源和地線(0V線)的走向也是不可忽視的環節，較為妥當的做法是每個集成電路單元有各自的電流回路，不讓其他控制電路的電流通過自己的“地線”和“電源線”。實驗證明該設計響應時間小于2ms，低于PLC的掃描周期，可以較好地滿足地那米加速器的控制要求。

抗打火現象的考慮
地那米加速器的打火現象，無論是在安裝調試階段，還是在運行過程中都是難免的，因此，要求參與加速器運行的所有元器件都必須具有抗打火沖擊的能力。為了有效地減少打火對元器件的損壞，除了光電隔離外，還應該一方面，在整個系統的連線上始終保證各電流回路間不相混淆，特別是大電流回路與其控制回路間的公共線走向，高電壓回路與低壓回路間的交匯點及接地點等；另一方面，在所有控制輸入/輸出端放置壓敏電阻或TVS二極管類型的過電壓保護器(如圖2)。在適當的電路中加入RC濾波器也可以起到緩沖作用。同時，在整個控制電路的設計中，我們還借鑒了以前設計地那米加速器磁鐵掃描電源的相關抗干擾措施，從而保證了該控制系統能順利地在山東曲阜電力電纜廠的加速器上調試運行成功。