質子加速器主體設備由數量巨大的磁鐵構成，在運行過程中將產生巨大的熱能，且由于其輻射防護要求，設備安裝在一個密閉的區域，故能更好地管理，做到現場無人值守及管理調度，數據便可自動存儲及分析自動化。由于二次循環水溫度的穩定性直接影響一次水的控制質量，故在實際工程中與相關高校科研人員共同應用開發了這套冷卻水自控系統。

 

1 系統組成及功能

        冷卻水自控系統以 DCS 為核心，通過以太網連接上位機，配以各類物理傳感器，包括電磁流量計、物位計、一體化壓力變送器、溫度傳感器等，同時針對工藝要求配備了各類水質儀表，包括 pH 檢測儀、電導率等分析儀。工況網絡控制站采用 HC900控制器和 I/O 硬件，DCS 柜內控制器及 I/O 模塊。

 

1.1 HC900硬件概述

        霍尼韋爾 HC900集成控制器具有32個回路控制功能，256個輸入輸出點，超過100多種類型的功能塊。整個控制器的控制組態策略可超過2 000個功能塊。通過以太網絡 HC900集成控制器間可進行點對點的通訊。高精度的通用模擬量輸入和具有自整定功能的 PID 控制算法可滿足各種控制精度的要求。HC900集成控制器通過10 MB 的 TCP/IP 以太網絡與監控

 

        管理網絡上的 PlantScapeVista 系統工程師站和操作員站互聯。開放的 Modbus/TCP 協議可以和 PlantScapeVista 系統整合，為用戶提供精美互動的人機操作界面。同時通過 OPC 連接功能可與許多第三方系統互聯并進行雙向的系統訪問。通過以太網絡連接的遠程擴展機架可放置在現場設備附近，節省現場敷設電纜的成本。

 

        另外，用戶可通過電子郵件方式發送報警信息或事件消息給工廠的消息管理中心或遠方的管理機構。PlantScapeVista/HC900集散控制系統采用具備工廠網絡管理功能的 Microsoft-

Windows2000服務器 / 客戶機系統結構，其主要技術特征如下。

        （1）HC900集成控制器為您提供靈活可靠的控制功能。（2）采用面向對象的組態，開發工具 HCDesigner 能幫助用戶快速地創建各種應用要求的控制策略。（3）采用 ModbusTCP 以太網絡，為用戶提供安全開放的網絡連接。用戶采用陣列式設定點程序功能非常方便地完成處方和預置模型的批量過程控制要求。每個 HC900集成控制器支持邏輯控制和64步時序控制，方便用戶完成大多回路和邏輯的混合控制要求。緊湊的4槽、8槽或12槽控制機架與高密度的輸入輸出模件大幅節省了機柜的占用空間。

 

1.2 HC900界面優勢

        自控系統下位機 DCS 編程軟件為 HC900 Designer，用于DCS 軟件編輯 ；上位機采用霍尼韋爾集成安全的 Internet 瀏覽器功能并采用霍尼韋爾專利技術 HMIWEB 的用戶管理操作界面并為用戶提供各種在線生產管理信息，特點如下。

        （1）提供逼真的三維工業圖庫并預制300幅過程監控畫面。

        （2）采用最新的開放技術標準如 ODBC、高級 DDE、VisualBasic、OPC 和 ActiveX 構成開放型控制與信息管理系統。（3）在線的資料手冊和操作規程輔助工具為用戶的工程組態、維護和操作提供了極大的方便。（4）以太網絡支持 HC900集成控制器之間點對點的通訊。（5）報警或事件信息不僅可在操作員站上顯示，也可通過電子郵件的方式送出相關信息。PlantScapeVista 系統實時數據庫包括 HC900控制器和1042彩色液晶操作員盤一體化及各種第三方控制單元的完整數據信息，提供并行監控操作和數據分析、實時的過程畫面網絡瀏覽功能及與第三方系統的 OPC 數據交換功能等。集成了高可靠性的控制單元 HC900并采用先進的工程師組態維護工具 HCDesigner 和開放通訊網絡 ModBusTCP 以太網絡。該系統包含了當今控制領域各種最新的技術，如基于MicrosoftWindows2000的 PlantScapeVista 服務器采用高速動態數據管理，為用戶提供報警和事件管理、人機接口界面、歷史數據采集和自動報表生成等功能。

 

        上位機主要功能為 ：（1）數據采集功能，自動顯示、連續地檢測并以工藝流程圖的形式顯示出系統的設備運行狀態，溫度、壓力、流量、水質參數等數據 ；（2）報警顯示，自動報警和主動采取事故預處理措施，防止事故的發生和擴大，達到保護人身和設備的安全 ；（3）趨勢顯示，根據 DCS 上傳的數據信息，繪制趨勢曲線圖，并制作報告和報表、系統診斷報告。冷卻水自控系統主要對工藝水流量、液位、壓強、溫度、懸浮物 pH 值等及各水泵風機等運行參數進行數據采集。根據水溫度設定對二次循環水三通閥進行開度控制，同時根據溫度控制板式交換器水量達到自動控制一次水溫目的，對冷卻塔風機控制及二通閥開度調節控制維持二次要求水溫 ；通過管道壓強反饋控制一、二次循環水補水量等。

 

2 二次循環水PID控制

2.1 二次冷卻水系統設備

        二次循環水系統主要設備包括循環水泵、冷卻塔、板熱交換器、閉式水箱、旁通調節閥以及水溫、水位、水量、水壓等傳感器（圖1）

2.2 二次冷卻水控制流程

        （1）系統啟動后，主要運行參數及設備狀態需進行檢測，包括冷卻塔進水閥門、風機狀態、水箱溫度、閥門開度、二次水水泵狀態、壓力及電導率等。（2）根據一次水溫，判定系統是否需要運行，若運行則先開啟冷卻塔進水閥，然后啟動二次水泵。若水閥故障無法啟動，則發送報警信號。（3）在水泵開啟后，若水泵與旁通閥運行正常，調節冷卻塔臺數、冷卻塔風機臺數和頻率及旁通閥開度，混合控制二次水溫度。

 

2.3 二次循環水冷卻塔風機和冷凍水旁通閥控制流程二次冷卻水出水要求設定為26 ℃，要保證出水溫度為26±2 ℃，PID 控制包含兩種手段。

        （1）以26 ℃為控制目標，當冷卻塔出水溫度反饋高于26 ℃，則調高風機頻率，若溫度還是無法下降至26 ℃則增加一臺風機 ；反之當冷卻塔出水溫度反饋低于26 ℃，則調低風機頻率，若溫度還是無法上升至26 ℃，則減少1臺風機，控制邏輯如圖2所示。

        （2）冷凍水溫度為7 ℃，當室外氣候不適宜，冷卻塔達到滿負荷后水溫仍然高于26 ℃，冷凍水將參與二次冷卻水調控。以26 ℃為控制目標，二次循環水在經過冷卻塔冷卻后進入板式交換器，依據板式交換器出水溫度反饋 PID 控制調節旁通閥的開度控制冷凍水流量，從而穩定水溫為26 ℃，控制邏輯如圖3所示。

2.4 PID控制分析

        本系統使用霍尼韋爾的 HC900控制器，從軟件上已集成了常規的 PID 控制功能模塊。在使用時可直接調用該模塊，設定輸入輸出和 PID 參數，然后根據現場實際運行情況進行參數整定，PID 控制結構如圖4所示。二次循環水系統冷卻塔控制系統，將冷卻塔出水溫度 T2（圖1）作為控制對象，設定值是二次循環水的設定溫度。同時，PID控制模塊與水泵的開關信號連鎖，當水泵處于運行狀態時，PID控制模塊才能正常運行。對于旁通閥的控制，板式交換器出水溫度T3（圖1）作為控制對象，設定值是二次循環水的設定溫度。

 

        正常情況下，單位反饋下冷卻塔控制系統擾動下輸出和誤差信號 ：

       

 

        式中 ：G1(s）,G2(s) 為傳遞函數 ；T(s) 為輸入信號 ；T1(s)為擾動輸入。

當 |G1(s)G2(s)>>1 且 |G1(s)|>>1 時，T2(s) ≈ T(s)，E(s) →0，這樣實現了輸出值近似等于要求設定輸入值，滿足控制要求并對擾動具有較強的抑制能力。同理，冷凍水直接調節水溫時，該控制系統擾動下輸出及誤差同上述結果。

 

3 結束語

        本文主要論述了基于上海瑞金醫院腫瘤（質子）中心工程項目的質子加速器冷卻水自控系統硬件配置組成和上位機圖控界面設計及功能，同時以二次循環水控制系統為例，為達到工藝要求水溫，詳細地研究了二次循環水冷卻塔風機和冷凍水旁通閥的 PID 控制方法。目前依照本文研究的控制方法現場調試成功，系統已進入試運行狀態，整個系統運行穩定可靠。