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　新一代的北京正负电子对撞机(Beijing E—lectron Positron Collider II，简称BEPCⅡ[1])及其探测器——北京谱仪(Bejing SpectrometerII，简称BESll[2])正在建造中。束流管位于BESI]I子探测器——漂移室(DC)的内筒里，正负电子经加速聚焦后在束流管中进行对撞，同时产生大量的热作用于束流管内壁，引起束流管外壁温度的升高，过高的温度或温度波动均会影响IX;的正常工作，物理实验要求束流管外壁温度控制精度为20土2℃，因此必须有安全可靠的束流管冷却系统对束流管进行冷却。为了保证BESⅢ的安全可靠运行，同时为了提高BESII束流管冷却系统的控制精度，必须开发BESⅢ束流管冷却系统的自动监控系统，负责BESII束流管冷却系统的安全可靠运行。

　　1 BESⅢ束流管冷却系统工作流程

　　束流管由一个中心铍管和两个外延铜管三部分焊接而成，每一部分均为具有冷却腔的夹层结构，冷却介质从夹层冷却腔中流过实现对柬流管的冷却，其中中心铍管的冷却介质为1号电火花油，称之为一次循环冷却油，外延铜管的冷却介质为去离子水，称之为一次循环冷却水，对一次循环冷却水(或油)进行冷却的水称之为二次循环冷却水。相应的，BES Ill束流管冷却系统由一次循环冷却系统和二次循环冷却系统组成。如图l所示的一次循环冷却系统可以分为一次循环冷却油系统和一次循环冷却水系统，分别对中心铍管和左右铜管进行冷却。冷却过程中，从束流管流出的温度较高的一次循环冷却油(或水)进入到油箱(或水箱)，经换热器与二次循环冷却水进行热交换，成为温度较低的一次循环冷却油(或水)，进人束流管的中心铍管(或外延铜管)，带走束流管中的热量，流回油箱(或水箱)。

　　正负电子对撞过程中，作用于束流管内壁的热功率会随着束流管聚焦磁铁的安装精度、束流控制精度和束流性质的不同而改变，模拟计算表明，作用于束流管内壁的热功率小于750Wc。BESⅢ束流管冷却系统设计中，采用冷却介质定流量的方案，但热载荷的不稳定必然会引起束流管外壁温度的波动，从而影响BESⅢ的正常物理实验。为了解决这个问题，在一次循环冷却系统的油箱和水箱中分别放置电加热器，对束流管内壁热功率的波动进行补偿，在大热载荷下，确定冷却介质的流量值并固定不变，当热载荷变小时，采用PIE)控制电加热器的输出功率使油箱和水箱的温度恒定，在换热条件不变的条件下，保证束流管冷却液入口温度的稳定，减小束流管外壁温度的波动幅度。

　　图2为二次循环冷却水系统工作流程图，二次循环冷却水经换热器对一次循环冷却系统中的1号电火花油和去离子水进行冷却。为了保证BEPCII的连续正常工作，BESⅢ束流管冷却系统中的所有动力部件均采用冗余设计，互为备份。

　　2监控系统设计

　　2.1系统结构

　　可编程控制器(PLC)因为具有抗干扰能力强、指令丰富、数学运算和逻辑功能强、执行周期短、通信和扩展能力强、体积小、低能耗等优点，已经在工业控制领域得到了广泛应用。在BEPCⅡ工程中，使用PLC结合上位机监测软件实现对BESⅢ束流管冷却系统的计算机自动化控制。自动监控系统的硬件结构如图3所示：冷却系统中的压力、流量和温度信号经探测器采集由显示仪表显示，同时转换为4～20mA的电流模拟输入信号进入PLC;PLC对关键点的压力、流量、温度和液位监测，在进行逻辑运算和判断后发出压力、流量、温度和液位等报警信号，并通过开关量对相应的外部设备(如油泵、水泵、冷水机)进行控制，同时通过模拟量来控制电加热器功率，保证油箱水箱温度恒定。

　　作为BESⅢ慢控制系统的一个子系统，BESllI柬流管冷却系统自动监控系统在实现对BESⅢ柬流管冷却系统独立监测控制的同时，还要实现与慢控制服务器的数据交换和通迅，将关键点参数、设备运行状态、报警信号等数据输送给慢控制服务器，对于一些关键的信号，本地PLC直接通过开关量输送给慢控制PLC。

　　2.2系统的硬件组态

　　BESI]I束流管冷却系统自动监控系统的设计主要是根据冷却系统中的温度、流量、压力和液位来输出各项报警、控制油泵(水泵或冷水机)的切换、调节电加热器的输出功率。控制系统中有模拟量和开关量，分别为：

　　(1)模拟量输入：37个，采集温度、流量、压力、液位等37个现场参数。

　　(2)模拟量输出：2个，调节油箱和水箱中电加热器的输入电压，以控制电加热器的输出功率保证油箱和水箱的温度恒定。

　　(3)开关量输入：14个，输入各个泵、冷水机、冷却水等是否准备就绪。

　　(4)开关量输出：17个，控制各个泵、冷水机的开启及各类报警信号输出。

　　根据计算存储器容量的经验公式：

　　Q=(1.1～1.25)×(DI×10+DO×5+AI/Ox 100)/1024

　　其中，Q为所需存储器容量，KB;DI为开关量输入信号个数;DO为开关量输出信号个数：A∥0为模拟量输入输出信号个数。计算得到所需存储器容量约为5 kB。

　　在保证系统性能可靠的前提下，选用两套西门子$7-200系列PLC及其扩展模块作为硬件构成的基础Is]。两套CPU之间通过PROFIBUS线缆实现数据交换。硬件配置如下：

　　(1)中央处理器为CPU224，直流输入、继电器输出型。本机具有14个开关量输入，10个继电器输出，8k字节的程序存储器，扩展能力多为7个模块。

　　(2)扩展模块为6台EM231，4台EM235。每台EM231模块提供4路模拟量输入，每台EM235模块提供4路模拟量输入和1路模拟量输出，可以根据需要设置输入输出类型为电流型或电压型，本系统中模拟量输入输出类型为4-20 mA的电流信号。

(3)考虑到系统可扩展性，电源选为西门子SITOP 5A专用电源，其输入120/230VAC，输出24V/5ADC。本监控系统中，所需的直流电源分为两部分，一部分是扩展模块的直流电源，每个扩展模块需要的工作电流为60 mA，1号CPU上扩展4台模块，共需要4×60=240mA，2号CPU上扩展6台模块，共需要6x 60=360 mA，扩展模块所需电源直接由西门子SITOP 5A专用电源提供;另一部分是外部传感器及开关量输入输出的直流电源，每个外部传感器所需的工作电流为20mA，共需要39×20=780 mA，每个开关量输入点所需的工作电流为4 mA，共需要4×14=56 mA，每个开关量输出点所需的工作电流为9mA，共需要9×17=153 mA，这一部分电源由另一台5A直流电源提供。将两部分电源分开供电，是为了避免继电器对扩展模块的干扰，以保证系统的可靠性。在直流电源的输入端接有10 A的小型空气断路器，起到过流、过热和短路保护的功能。