HIRFL單絲束流剖面監(jiān)測器的運動控制系統(tǒng).docx

1、第28卷第6期2008年11月VoL 28 No. 6Nov. 2008核電子學(xué)與探測技術(shù)Nuclear Electronics & Detection TechnologyHIRFL單絲束流剖面監(jiān)測器的運動控制系統(tǒng)李波"，王金川】，毛瑞士】，2,肖國青】，徐瑚珊，胡正國】，章學(xué)恒】，2(1.中國科學(xué)院近代物理研究所，蘭州730000；2.中國科學(xué)院研究生院，北京100049)摘要:在HIRFL的束流診斷中，研制了單絲束流剖面監(jiān)測器。文章介紹了單絲束流剖面監(jiān)測器運 動控制部分基于PLC和步進(jìn)電機驅(qū)動器的實現(xiàn)，對運動控制系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計做了詳細(xì)的介 紹。整個系統(tǒng)已經(jīng)通過調(diào)

2、試，能夠滿足在HIRFL束流診斷中對運動控制的要求。關(guān)鍵詞:單絲束流剖面監(jiān)測器,可編程控制器，步進(jìn)電機驅(qū)動器中圖分類號：TP271文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0258-0934(2008)06-109474束流診斷技術(shù)在加速器運行中占有重要的 地位。束流診斷可以提供束流的橫向強度分 布、束流的中心和直徑、束流的發(fā)射度等參數(shù), 從而了解加速器的運行情況。傳統(tǒng)的束流診斷 元件，如熒光靶、法拉第筒等都是屬于攔截式 的，在束流診斷過程中，對束流分布會產(chǎn)生破 壞。因此,人們現(xiàn)在越來越重視非攔截式束流 診斷系統(tǒng)的研制。在蘭州重離子國家實驗室 (HIRFL)的束流診斷中，研制了單絲束流剖面 監(jiān)測器。單絲束流剖

3、面監(jiān)測器屬于非攔截式束 流診斷系統(tǒng),它的結(jié)構(gòu)簡單，對束流的影響小。 下面具體介紹單絲束流監(jiān)測器的運動控制系 統(tǒng)。1系統(tǒng)硬件1.1系統(tǒng)總體介紹單絲束流監(jiān)測器整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所 示。將鍍金的鈣絲安裝在電動執(zhí)行器絲桿的末 端，通過上位機PC來控制電動執(zhí)行器絲桿的 移動從而使鈣絲在束流剖面上移動。當(dāng)鈞絲處 于束流剖面某個位置時，束流粒子打到鈣絲上,收稿日期：2006-10-12作者簡介:李波(1981 ),男，四川南江人，中國科學(xué) 院近代物理研究所碩士研究生,從事束流診斷研究。鎊絲將產(chǎn)生二次電子發(fā)射，發(fā)射電子的數(shù)目與 束流的強度成正比，這一過程產(chǎn)生的電流信號 轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，電壓信號將正比于束流強?/p>

4、， 使用數(shù)據(jù)采集卡采集電壓信號。通過把束流剖 面細(xì)分，測量每個位置的電壓，就可以得到整個 束流剖面在鈣絲移動方向上的一維強度分布。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖使用SMC公司的電動執(zhí)行器，由步進(jìn)電 機和絲桿組成，型號為LXPB2SA,行程 100mm,精度0. 05mm,能夠滿足控制系統(tǒng)的要 求，與之配套的步進(jìn)電機驅(qū)動器是LC6C- 220AD。驅(qū)動器的驅(qū)動方式是由庫07和點 AD決定的。點AD與點輸入AD對 應(yīng)，而庫07由庫輸入13按二進(jìn)制組合決 定。在不同的驅(qū)動器的驅(qū)動方式下，電動執(zhí)行 器有不同的運動方式o驅(qū)動器有3種驅(qū)動電 動執(zhí)行器的方式:點動、原點回歸和JOG移動。 點動由4個點輸入A-D和庫輸入1

5、3的7 種組合17確定絲桿移動的28個位置，即28 個點，點的屬性可以是絕對位置或相對位置。 在原點回歸運動方式中，絲桿回到原點的位置。在JOG移動方式中，可以手動控制絲桿的移動指令功能強、易于掌握、操作方便且具有極強的位置。驅(qū)動器的控制由可編程控制器PLC來實 現(xiàn)。選擇西門子公司的PLC S7-200 CPU224,它具有14輸入、10輸出。S7-200的可靠性高、圖2 PLC輸出與驅(qū)動器輸入之間的接口電路 驅(qū)動器輸出電路PLC輸入電路通信功能。上位機PC和PLC之間用PPI電纜連接, PC發(fā)送命令到PLC,PLC接收到命令后，根據(jù) 命令的內(nèi)容對步進(jìn)電機驅(qū)動器產(chǎn)生相應(yīng)的庫和 點輸出，驅(qū)動器再

6、輸出步進(jìn)脈沖給步進(jìn)電機，最 終使絲桿上的鴇絲移動。1.2 PLC和驅(qū)動器的連接由于驅(qū)動器的操作是由PLC來實現(xiàn)的，它 們之間的連接關(guān)系到驅(qū)動器能否正常工作和PLC的編程。PLC與驅(qū)動器接口的對應(yīng)如表 1所示。表1 87200與驅(qū)動器的連接Q0.0Point input AQ0.1Point input BQ0. 2Point input CQ0.3Point input DQ0.4Bank input 1Q0.5Bank input 2Q0. 6Bank input 3Q0.7Emergency stop inputQ1.1Alarm reset input10.0READY output10

7、.1BUSY output10.2Home point return output10.3Alarm output10.4Point output A10.5Point output B10.6Point output C10.7Point output DS7-2OO的輸出和驅(qū)動器輸入之間的接口 不匹配，不能直接相連，在接口間加入繼電器可 以使二者匹配。由于繼電器為感性負(fù)載，在繼 電器輸入回路并聯(lián)加入二極管NI4007作為抑 制電路，可以保護(hù)PLC的輸出點和抑制繼電器 開關(guān)時產(chǎn)生的電子噪聲，如圖2所示。驅(qū)動器輸出電路為達(dá)林頓型光電耦合器。 要使PLC輸入電路正常工作，PLC的輸入方 式應(yīng)為源

8、型輸入，如圖3所示。2控制程序設(shè)計2.1 PLC控制程序圖3驅(qū)動器輸出與PLC輸入之間的接口電路 西門子公司S7-200系列PLC的通訊協(xié)議 包括點對點接口協(xié)議（PPD、多點接口協(xié)議 （MPI） .PROFIBUS協(xié)議、TCP/IP協(xié)議及用戶 定義的協(xié)議（自由端口協(xié)議）。自由端口協(xié)議的 優(yōu)點是用戶可以根據(jù)自己的需要和實際情況定 義協(xié)議，采用自己定義的通訊協(xié)議對通信端口 進(jìn)行控制。選用自由端口通訊協(xié)議，通信協(xié)議 規(guī)定如下,PC端發(fā)送的數(shù)據(jù)格式（十六進(jìn)制字 符）：|起始字符|數(shù)據(jù)宇節(jié)數(shù)|命令|異或校驗碼|結(jié)束字符 其中，起始字符00,結(jié)束字符FF,數(shù)據(jù)字 節(jié)數(shù)為命令的長度。命令包括點動（3個字節(jié)）

9、和原點回歸（1個 字節(jié)）兩種類型,兩種類型命令的第一個字節(jié)表 示命令的類型:點動-0,原點回歸-1。點動的第 二個字節(jié)表示庫9第三個字節(jié)表示點。異或校 驗碼是數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)和命令各字節(jié)異或的結(jié)果， 接收端計算出接收到的數(shù)據(jù)的異或校驗碼，并 與發(fā)送方傳過來的校驗碼比較，如果錯誤，需要 重發(fā)，可提高通信的可靠性。當(dāng)PLC把從PC發(fā)送來的數(shù)據(jù)存放到數(shù) 據(jù)緩沖區(qū)中，PLC接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址如下：VB100VB101VB102VB103105VB106VB107接收字起始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)異或校結(jié)束符數(shù)字符字節(jié)數(shù)區(qū)驗碼字符其中,接收字符數(shù)為在一次接收過程中接 收到的字符總數(shù)。如前所述，驅(qū)動器的操作是庫輸入和點輸 入來

10、實現(xiàn)的。下面以點動方式為例來看驅(qū)動器 的具體操作過程。如圖4所示，點動操作過程叫1. 確認(rèn)READY輸出和警報輸出為ON。2. 通過庫輸入13對庫進(jìn)行設(shè)定(17)。3. 在點輸入AD中對點進(jìn)行設(shè)定，庫和 點均設(shè)定后，電機開始移動。4. 在移動過程中,BUSY輸出為ON。5. 移動完成后,BUSY輸出變?yōu)镺FF,對 應(yīng)于點輸出A-D的點輸出AD變?yōu)镺N。6. 當(dāng)點輸入AD變?yōu)镺FF后,點輸出A D變?yōu)镺FFo在本例中,庫輸入1和2均為ON,庫為3, 點輸入B為ON,則點為10oMotor VelocityBank input 1Bank input 2Bank input 3Point inpu

11、t APoint input BPoint input CPoint input DEmergency stop inputAlann inpat resetPoint oiqrat APoint ouput BPoint ouput CPoint ouput DAlarm outputREADY outputBUSY outputHome point return outputOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFONOFFOFFOFFOFFOFFONONOFFONONONONOFFOFF圖4點動時序圖現(xiàn)在根據(jù)驅(qū)動器的操作過程編寫PLC控 制程序。PLC控制程序由主程序、若干子程序 和中

12、斷程序組成。主程序：Network 3LD M0. 0如果接收到數(shù)據(jù)MOVB VB103, MB1 把命令送到 MB1- MB3MOVB VB104, MB2MOVB VB105, MB3RM0.0, 1 /接收標(biāo)志M0. 0復(fù)位 A 10. 0 如果READY輸出為ONA 10. 3 如果警報輸出為ONCALL OUTPUT/調(diào)用輸出子程序主程序首先調(diào)用初始化子程序?qū)LC的 通信協(xié)議、緩沖區(qū)等進(jìn)行設(shè)置,并連接接收完成 事件和發(fā)送完成事件到中斷，具體內(nèi)容可參考 相關(guān)文獻(xiàn)。初始化完成后，PLC就可以和 PC進(jìn)行通信了。PLC接收到數(shù)據(jù)后，將產(chǎn)生 1096接收完成中斷，調(diào)用接收完成中斷程序,將數(shù)

13、據(jù) 接收標(biāo)志位M0. 0置1,表示有數(shù)據(jù)接收到。 在PLC的一個掃描過程中，如果發(fā)現(xiàn)M0. 0為 1,程序?qū)衙罘诺組B1-MB3內(nèi)，然后調(diào)用 OUTPUT輸出子程序。OUTPUT子程序:NetworklLDB=MB1, 0 0 點動輸出庫LPSAM2.0 /若 Ml. 0 為 1SQ0.4, 1 /Q0.4 輸出 1LRDA M2.1 /若 ML 1 為 1SQ0.5, 1 /Q0.5 輸出 1LRDA M2. 2 若 Ml. 2 為 1SQ0.6, 1 /Q0.6 輸出 1LRDMOVB 10, SMB34 /延時 10msLPPATCH INT_1, 10 /連接定時中斷INT_1定時

14、中斷：NetworklLD SMO. 0DTCH 10 /斷開定時中斷Network2/輸出點LD SMO. 0LPSAB=MB3, 16#0A 若 MB2 等于 ASQO.O, 1/Q0. 0 輸出 ONLRDAB=MB3, 16 井 OB/若 MB2 等于 BSQO.l, 1 Q0. 1 輸出 ONLRDAB=MB3, 16#0C/若 MB2 等于 CS Q0. 2, 1 /QO. 2 輸出 ONLRDAB=MB3, 16#0D 若 MB2 等于 DSQ0.3, 1 /QO. 3 輸出 ONLPPXMT VB200, 0 在端口 0向計算機返 回信息NetworksLD SMO. 0ATC

15、H INT_2, 3 連接10. 1下降沿中 斷，即BUSY輸出下降沿中斷在OUTPUT子程序中，首先判斷命令的 類型，如果為點動，則輸出庫，延時10ms,以保 證電機不發(fā)生誤動作，然后在定時中斷程序 INT_1中輸出點，移動過程將開始。INT_2, BUSY下降沿中斷：LD SM0. 0DTCH 3 /斷開BUSY下降沿中斷MOVB 10, SMB34 定時 10ms ATCH INT_3,10 /連接定時中斷INT_3定時中斷：LD SM0. 0DTCH 10 /斷開定時中斷R Q0. 0, 4 驅(qū)動器執(zhí)行完命令后,Q0.0- Q0. 3復(fù)位移動完成后，BUSY變?yōu)镺FF,PLC調(diào)用 BU

16、SY下降沿中斷程序，延時10ms,然后將點 輸入Q0.0-Q0.3復(fù)位。這樣一個完整的點動 過程就完成了。原點回歸和JOG移動的過程 和點動類似。2.2 PC控制程序上位機PC控制程序在Windows XP操作 系統(tǒng)下采用VB語言編寫。PC控制程序通過 單絲所要移動到的位置計算出對應(yīng)的點和庫， 然后將點和庫通過串口發(fā)送給PLC。控制程 序的串口操作由MSComm控件來實現(xiàn)。3結(jié)束語可編程控制器S7-200的使用使我們對步 進(jìn)電機驅(qū)動器的控制更加可靠、容易。同時，步 進(jìn)電機驅(qū)動器提供了多種運動模式，在實際運 行中，可以很靈活地控制單絲在束流剖面內(nèi)移 動。HIRFL單絲束流剖面監(jiān)測器的運動控制 系

17、統(tǒng)已經(jīng)通過了調(diào)試，系統(tǒng)運行良好，單絲移動 的位置精度、速度和負(fù)載等參數(shù)都能夠達(dá)到束 流剖面監(jiān)測器在束流強度測量過程中的要求。參考文獻(xiàn)：1J SMC. SMC位置控制驅(qū)動器LC6C-220AD操作手 冊.2 SIEMENS. SIEMENS SIMATC S7-200 可編程控 制器系統(tǒng)手冊，2004.3 廖常初.PLC編程及應(yīng)用（第2版）M.北京:機 械工業(yè)出版社，2005.（下轉(zhuǎn)第 1105 頁,Continued on page 1105）為航天保障儀器放置在各種型號的衛(wèi)星上,作為 衛(wèi)星的保障儀器。開展輻射能量吸收率U與SEU的相關(guān)研究,可以研究航天器的抗輻射問題，并為衛(wèi)星運行安全、故障分

18、析提供測量證據(jù)。參考文獻(xiàn)：1 陳湄，祁章年.熱釋光測量法在空間輻射劑量學(xué)中 的應(yīng)用J.核電子學(xué)與探測技術(shù),1999,19(2):94.2 Haynes, R H. and G. W Dolphin. The Calculation of Linear Energy Transfer, with Special Reference to a 14MeV Electron Beam and lOMeV per Nucleon Ion Beams Physics Department, St Bartholomew's Hospital Medical College, London, E.

19、C.L3 王經(jīng)瑾等.核電子學(xué)M北京:原子能出版社, 1983-1985.婦 Hiemstra, D. M. and E, W. Blackmore. LET Spectra of Proton Energy Levels From 50 to 500MeV and Their Effectiveness for Single Event Effects Characterization of Microelectronics C J J.IEEE Transactions on Nuclear Science« 2000, 50 (6).5張慶祥，侯明東.基于半導(dǎo)體集成電路輻射效應(yīng)的

20、 空間輻射環(huán)境探測器J .核電子學(xué)與探測技術(shù), 2002, 22(4):374.The Measurement of Radiation Energy Absorbability in SpaceWANG Na1, CHEN Hong-fei1, WU Zhong-xiang2, XIANG Hong-wen2, HE Zheng-wen2(1. Institute of Space Physics and Applied Technology, Peking University, Beijing, 100871 ；2. 501 Department of China Academy of

21、Space Technology, Bejing)Abstract：Radiation energy absorbability(REA) is a quantity similar to Linear Energy Transfer (LET) to study the safety of spacecraft in the radiation environment of space. But the equipment for REA is much simpler than that for LET 9 so that REA measurement is suitable for t

22、he space application. This paper describes the principle of REA detection based on the silicon solid-state detector, and gives a design of the detecting system.Key words： Radiation Energy Flux? Linear Energy Transfer； LET； SEU.(上接第 1097 頁,Continued from page 1097)Movement control system of single wire beam profile monitor on HIRFL