單片機在閥門控制系統(tǒng)中的應用

2009-11-16 鄧秉林 中國科學院高能物理研究所

  BEPCⅡ直線加速器是中國科學院高能物理研究所BEPCII正負電子對撞機的束流加速器,直線加速器由200米56節(jié)加速管組成,共6個區(qū)段。采用冷陰極潘寧規(guī)作為高真空測量,極限真空度達到2×10-7 Pa。8只冷規(guī)作為電子槍、各區(qū)段的真空度測量和區(qū)段閥保護。

1、需要區(qū)段閥門控制系統(tǒng)的原因

  由于加速器有200 m長,微波和真空器件多,特別是高壓陶瓷件多,運行時間長,有時發(fā)生陶瓷裂縫導致真空泄露。如果區(qū)段閥不及時關閉,能在幾分鐘內使整個加速器暴露大氣,導致電子槍陰柵組件,速調管陶瓷窗,離子泵的損壞。從發(fā)現(xiàn)問題到現(xiàn)場手動關閉閥門,時間不容許,為使發(fā)生真空泄漏時,損失減到最小,需要一種可監(jiān)控各區(qū)段真空,和及時自動關閉區(qū)段閥的控制系統(tǒng)。由于閥門動關閉,可以保護其它區(qū)段的真空。維修人員可以有的放矢地針對某一破壞的區(qū)段進行檢漏和維修,使設備損失和真空恢復時間減到最小。

2、真空區(qū)段閥連鎖保護的設計原理

  研制真空閥門控制儀,控制電子槍,6個區(qū)段共7個VAT全金屬區(qū)段閥的開關。并提供“開關”狀態(tài)量信號給控制室顯示真空區(qū)段閥的“開關”狀態(tài)。控制原理就是使用冷規(guī)作為真空傳感器,當電子槍,各區(qū)段中有一個區(qū)段的真空度下降到設定值時,真空度的變壞使真空計的模擬信號電平產(chǎn)生變化使區(qū)段閥全部關閉,并鎖死,保持其它區(qū)段的真空,等待處理和維修。

3、真空閥門控制系統(tǒng)概述

3.1、真空閥門控制系統(tǒng)的硬件結構

  傳感器由冷規(guī)和配套真空計組成(圖1),真空度經(jīng)真空計輸出變換為0~10V模擬信號提供給閥門控制器作為輸入信號。

 冷規(guī)和真空計

圖1 冷規(guī)和真空計

  硬件系統(tǒng)中輸入電路為多路高阻抗跟隨器,接受真空計的輸出模擬信號。輸入的高阻抗電壓跟隨器具有輸入阻抗高,輸出阻抗低,高精度,可以直接驅動單片機的I/O端,減少中間環(huán)節(jié)(圖2)。

模擬量轉換示意圖

圖2 模擬量轉換示意圖

  由AT89C51單片機作為主處理器,AT89C51是一個低電壓、高性能CMOS 8位單片機,20K的FLASH只讀程序存儲器,256K字節(jié)的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM),使用MCS- 51指令系統(tǒng),采用通用編程方式,適用于嵌入式應用系統(tǒng)。輸出為多路SSR固態(tài)繼電器,具有驅動電壓低,光電隔離抗干擾,壽命長等特點。

  該系統(tǒng)集成在兩塊電路板上,組裝在機箱內,前面板有閥開關指示燈,和手動開關,停機檢修時采用“手動”模式,可以手動開關每一只閥門。運行期間,采用“自動”模式,系統(tǒng)全自動控制閥門,不用人為干預。后面板輸出采用多芯航空插座,有驅動閥門的,有連接中控室控制采樣的,分類明確,安裝連接很方便。由于集成化程度高,機箱小巧,造價低(圖3)。

硬件設計框圖

圖3 硬件設計框圖

3.2、硬件設計

  用8251單片機的P1口作為數(shù)據(jù)輸入口,采集P1.0- P1.7口的數(shù)據(jù)送入累加器A 進行比較,當P1.0- P1.7口的輸入電平中都是“1”電平時,表示所有區(qū)段的真空狀態(tài)良好,轉向“開閥”子程序,并循環(huán)采集P1口數(shù)據(jù)。當P1.0- P1.7口的輸入電平中有“0”電平時,表示某區(qū)段的真空狀態(tài)變壞,轉向“關閥”子程序運行,發(fā)出關閥指令,延時后,對重新采集的數(shù)據(jù)比較,如果還有“0”電平,不再轉回“開閥”子程序,保持“關閥”指令。

 監(jiān)控單元圖

圖4 監(jiān)控單元圖