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1  滑差调节器的作用和工作原理

HL-2A托卡马克是我国的一个大型核聚变研究实验装置。该实验装置的供电系统是由电动机－飞轮－交流脉冲发电机组经过变压器和晶闸管变流器对负载线圈供电。对于这样的供电系统，若采用直接由电网供电的方式会对电网造成巨大的冲击和产生严重的电磁污染。因此，我们采用了国际上普遍的做法，利用装置的脉冲工作制，采取自电网取能经电动交流脉冲飞轮发电机组进行隔离、能量存储与转换、功率放大和释能的供电方式。也就是采用两套90MVA 交流飞轮发电机组（以下简称发电机组或机组）对该实验装置脉冲供电。整个机组由2500kW绕线式异步电动机、90吨飞轮、90MVA发电机组成。其工作原理是通过6000V电网供电给电动机，当电动机转动时带动飞轮和发电机运转并达到电动机的额定转速1477r.p.m，之后自由加速。这时在励磁机的作用下，发电机将储存于飞轮的机械能转变为电能供HL-2A装置放电使用。

实验装置中，液体转差率调节器（即滑差调节器）主要起两方面的作用。一、实现两套机组的起动过程。当机组经过盘车到转速12 r.p.m时，接入6000V电网的真空开关合闸，滑差调节器投入工作。随后通过调节滑差调节器中活动电极的高度使具有280t-m2飞轮矩的机组恒电流（I=230A）加速到额定转速1477r.p.m，然后自由加速。二、实现机组的调速。当脉冲发电机要给实验装置脉冲供电时，整个装置的实验放电对于2500kW的电动机而言是一个很大的脉冲负载，迫使机组的转速下降，机组释放出飞轮储存的机械能，帮助电动机克服尖峰负荷。为了保护电动机以及减少电动机脉冲工作时对电网的冲击，在装置的实验放电之前，必须在电动机转子回路串入一个适当的电阻，也就是将活动电极提高到合适的高度（如图1中KB所示）。当实验放电完成之后，通过调节活动电极的高度使机组电流（I=230A）恒定，再加速到额定转速1477r.p.m，然后自由加速。如此重复调速过程，直到实验结束。

2 滑差调节器控制的硬件设备

滑差调节器控制系统的硬件设备结构如图1所示,它主要由电流比为400/5A的LQJ-10型电流互感器（图中101HL）、电流变送器、PID反馈控制调节板、稳压电源、PLC组成。其中的PLC采用的是日本三菱公司生产的FX-80MR型可编程序控制器，该PLC具有40个输入点、40个输出点，其CPU、RAM、通信功能等集成于一体，可扩展ROM，通过手持编写器可方便地输入和更改程序，也可通过加密码来保证程序的安全。

电流变送器将电流传感器输出的二次电流变换为直流电压输出。PID反馈控制调节板将给定值和电流变送器的输出信号相比较，通过PID控制直流调速电源的输出，从而控制电极提升电机的转速使液体电阻的活动电极随定子电流的变化而变化。整个控制系统实现了在电极下降过程中，当定子电流大于或等于230A时，活动电极静止；当定子电流小于230A时，活动电极下降，并且随着定子电流的减小，活动电极的下降速度也变快。

3 滑差调节器的PLC控制  

3.1  滑差调节器的PLC控制概述

滑差调节器的PLC控制按照技术要求完成了对整个滑差调节系统的稳定、可靠运转的控制。其中包括控制两套机组的分时起动、分时再加速；对电极提升高度进行检测；与外界通信；对碱液循环泵进行过负荷、电源缺相的保护；对电极提升电机进行过负荷、励磁电流的欠流保护；对碱液进行温度监控等。

滑差调节器的PLC控制，利用了PLC的输入/输出继电器、辅助继电器、定时器，采用了串联电路块的并联与多重输出电路等方法，完成了模块化的程序设计。每一模块独立完成一项具体任务。

3.2    滑差调节器的PLC控制方式

该PLC控制系统为了满足调试和实验两方面的要求，设计了就地控制和远程控制两套方案。当调试时，采用就地控制方案。当进行聚变反应实验时，采用远程控制方案。

按照电机机组起动的技术要求，当1#机组起动或再加速完毕，2#机组才能进行起动或再加速过程。而对于1#、2#机组的提电极过程需要同时进行。该PLC控制系统的程序设计完全满足了上述技术要求。

该PLC控制系统还实现了滑差调节器部分的相对独立以及与装置其他部分的协调合作。当进行滑差调节器内部自检工作时，通过PLC程序断开滑差调节器部分与外界的通信，避免了与外部设备间的相互干扰。当进行聚变反应实验时，又通过PLC程序接通滑差调节器部分与外界的通信。此时，对于中心控制室的输入信号，通过PLC编程控制相应按钮及指示灯的互锁来确保提电极和再加速信号的准确、无误；对于输出信号，通过独立的继电器触点给出信号，避免了外部设备的干扰。以上所述都是通过PLC编程配上转换开关来切换和实现的。

3.3    滑差调节器的事故保护

当2500kW电动机的转子回路的电流过大时，循环碱液温度过高，以至冷却循环水无法带走转子回路释放的多余热量，此时通过温度传感器、PLC以及电铃，发出报警；当碱液温度达到70℃时，该控制系统的热继电器动作，整个机组停止起动。

当电极提升电机或碱液循环泵过热时，相应的热继电器动作，整个机组也将停止起动。

3.4    实际问题的解决

    由于滑差调节器的控制在初设计时，只考虑了当真空开关合闸，手动按动控制活动电极下降的按钮一次后，电极自动下降一种方案，当调试时，这一方案突然失灵。为了能够对付这种突发事件，以及更进一步地实现自动控制，该控制系统补充了两种方案与已有方案并存。种方案实现了当真空开关合闸，滑差调节器控制系统自动进入活动电极下降程序。第二种方案考虑了意外情况，对电机的下降完全采用手动下降操作。

真空开关合闸瞬间，机组的一次回路中的电流从0开始上升，这时如果使电流变送器动作，PID模块接收到的电流信号将从0开始上升，这样经过PID算法，测量值远小于给定值，使得滑差调节器的活动电极急速下降，这是一种严重的误动作。为了躲过一次回路中电流上升这一暂态过程，滑差调节器控制系统利用了PLC的定时器延时5秒使电流变送器动作。

4        总结

我们所设计的基于PLC的滑差调节器的控制系统经历了HL-2A装置运行实验的检验，实验记录表明在机组的整个起动和再加速过程中，绕线式异步电动机定子电流的稳定度达到1%以下,满足了实验的要求。

开始上升并超过设定值，然后才缓慢降到设定值。对上述现象的解释如下：起动开始时绕线式异步电动机的绕组阻碍了起动电流的增大，因此机组起动的初一段时间，起动电流经历了上升的暂态过程。为躲过这一暂态过程，前边所述的PLC定时器延时5秒所选时间太长，致使起动电流超过了设定值，然后才在PID反馈控制的作用下缓慢下降到设定值。因此，我们需要进一步的调试或计算来得到PLC定时器的准确延时值。

5    结束语

    HL-2A装置的滑差调节控制系统是在经费不充裕的条件下完成的，因此，没有考虑它的计算机实时显示以及触摸屏方式。希望在条件合适的时候，我们设计的该控制系统能够在这两方面得到改进。

PLC（Programmable Logic Controller）是将微机技术与继电器常规控制方式相融合，以微处理器为核心，专为工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子学系统。自从1969年台PLC面世以来，其产品不断更新换代，性能逐渐提高，控制领域也进一步扩大。PLC的高可靠性到目前为止没有任何一种工业控制设备可以达到，PLC对环境的要求较低，与其它装置的外部连线和电平转换极少，可直接接各种不同类型的接触器或电磁阀等。PLC的工作过程一般可分为输入采样，程序执行和输出刷新三个主要阶段。PLC按顺序采样所有输入信号并读入到输入映像寄存器中存储，在PLC执行程序时被使用，通过对当前输入输出映像寄存器中的数据进行运算﹑处理，再将其结果写入输出映像寄存器中保存，当PLC刷新输出锁存器时被用作驱动用户设备，至此完成一个扫描周期。PLC的扫描周期一般在100毫秒以内。PLC采用模块化设计，其运行程序也可如此。PLC程序的易修改性、可靠性、通用性、易扩展性、易维护性可和计算机程序相媲美，再加上其体积小、重量轻，安装调试方便，使其设计加工周期大为缩短，维修也方便，还可重复利用。我们选用了SIEMENS的S7-300型可编程控制器，主控模块为CPU314，其系统框图如图(1)所示。从图(1)中可以看出，需参与控制的对象有高频发生器，电子枪的灯丝电流，扫描幅度等；此外，还有输出能量调节，束流调节和各种安全连锁信号，总共有60路开关量和14路模拟量，它们分别由各自的传感器产生并被连接至PLC输入接口电路板。地那米加速器的控制主要有开机﹑关机和换件过程，以及各种模拟量的处理过程；我们选用的人机界面软件为SIEMENS的PROTOOL/PRO V5.22版本。根据控制过程的要求，地那米加速器的控制界面主要分为登录画面﹑主控画面﹑开机画面﹑关机画面和菜单画面，登录画面主要是完成操作人员的确认，只有正确输入用户名和密码的人方可操作加速器。开机和关机界面的主要功能是提供给使用者正确的操作步骤，用醒目的标记显示当前的操作对象以及相关提示。主控界面用于显示当前系统的工作状态，如图(3)所示，包括输出能量和束流的大小及其变化趋势图，各主要工作部件的运行参数值，各主要接触器或电磁阀的工作状态等；主控界面还可显示出现故障的部件及其类别。换件画面只是为了加速器在辐照物件时，中途停下来更换物件之用。菜单画面中包含有消息(故障消息和报警消息)查看，运行参数的历史趋势图，打印消息，步进马达测试等辅助功能。 PLC的控制流程图地那米加速器的PLC控制流程如图(4)所示。程序设计采用结构化编程和分部编程相结合的方法进行，可简化程序，方便调试，编程语言为SIEMENS PLC销售商提供的专用编程软件STEP7 V5.12运行版。编程时必须注意以下几个方面：1.       PLC控制输出的终执行元件为接触器或电磁阀，在控制其开或关的过程中，必须留有足够的动作时间，以便其可靠地接通或断开。如在束挡板的开关过程中，由于其采用气动控制，需给出至少2秒的动作时间。2.       各部件之间的连锁关系，任一部件出现故障终都导致高频封锁，因此，可用高频解锁输出信号及其回馈触点信号来判断是否有故障产生，至于是何部件故障，由其相应的传感器信号显示出来。3.       扫描幅度随输出能量的变化，可采用查表方式进行，但扫描幅度不能为零，即使能量为零。4.       除了束流大小的输出外，其余的模拟量输出都必须具有RAMP的功能，好变化时间可调，以满足不同模拟量的需要。另外，各模拟量应有缺省值设定功能。5.       正常工作时，地那米加速器要求输出束流必须在能量输出稳定以后进行；束流降为零后方可降低能量至零。6.       束流大小的调节是由两只步进马达控制两只电位器实现的，分为粗﹑细调。正常开机时，必须先动作粗调，再调节细调电位器至所要求的束流大小；关机时，先退回细调电位器到底，再退粗调电位器。  结束语安装在山东曲阜电力电缆厂的地那米加速器是台应用PLC进行控制的加速器，现场调试结果令人满意。所有的控制电路经受住了加速器打火的考验，实现了加速器能量输出的稳定控制(其稳定度好于1%)，各种基本控制得以顺利地实施，对提高和改善地那米加速器的性能迈出了坚实的一步。但是，对地那米加速器PLC控制需改进的方面还很多，如束流输出稳定加PID调节功能，地那米加速器运行的自动控制，地那米加速器的远程监控或故障诊断等等。