質(zhì)子加速器主體設(shè)備由數(shù)量巨大的磁鐵構(gòu)成，在運(yùn)行過(guò)程中將產(chǎn)生巨大的熱能，且由于其輻射防護(hù)要求，設(shè)備安裝在一個(gè)密閉的區(qū)域，故能更好地管理，做到現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守及管理調(diào)度，數(shù)據(jù)便可自動(dòng)存儲(chǔ)及分析自動(dòng)化。由于二次循環(huán)水溫度的穩(wěn)定性直接影響一次水的控制質(zhì)量，故在實(shí)際工程中與相關(guān)高校科研人員共同應(yīng)用開(kāi)發(fā)了這套冷卻水自控系統(tǒng)。

 

1 系統(tǒng)組成及功能

        冷卻水自控系統(tǒng)以 DCS 為核心，通過(guò)以太網(wǎng)連接上位機(jī)，配以各類物理傳感器，包括電磁流量計(jì)、物位計(jì)、一體化壓力變送器、溫度傳感器等，同時(shí)針對(duì)工藝要求配備了各類水質(zhì)儀表，包括 pH 檢測(cè)儀、電導(dǎo)率等分析儀。工況網(wǎng)絡(luò)控制站采用 HC900控制器和 I/O 硬件，DCS 柜內(nèi)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(gè)回路控制功能，256個(gè)輸入輸出點(diǎn)，超過(guò)100多種類型的功能塊。整個(gè)控制器的控制組態(tài)策略可超過(guò)2 000個(gè)功能塊。通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò) HC900集成控制器間可進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(guò)10 MB 的 TCP/IP 以太網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控

 

        管理網(wǎng)絡(luò)上的 PlantScapeVista 系統(tǒng)工程師站和操作員站互聯(lián)。開(kāi)放的 Modbus/TCP 協(xié)議可以和 PlantScapeVista 系統(tǒng)整合，為用戶提供精美互動(dòng)的人機(jī)操作界面。同時(shí)通過(guò) OPC 連接功能可與許多第三方系統(tǒng)互聯(lián)并進(jìn)行雙向的系統(tǒng)訪問(wèn)。通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)連接的遠(yuǎn)程擴(kuò)展機(jī)架可放置在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備附近，節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)電纜的成本。

 

        另外，用戶可通過(guò)電子郵件方式發(fā)送報(bào)警信息或事件消息給工廠的消息管理中心或遠(yuǎn)方的管理機(jī)構(gòu)。PlantScapeVista/HC900集散控制系統(tǒng)采用具備工廠網(wǎng)絡(luò)管理功能的 Microsoft-

Windows2000服務(wù)器 / 客戶機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其主要技術(shù)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?qū)ο蟮慕M態(tài)，開(kāi)發(fā)工具 HCDesigner 能幫助用戶快速地創(chuàng)建各種應(yīng)用要求的控制策略。（3）采用 ModbusTCP 以太網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供安全開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)連接。用戶采用陣列式設(shè)定點(diǎn)程序功能非常方便地完成處方和預(yù)置模型的批量過(guò)程控制要求。每個(gè) HC900集成控制器支持邏輯控制和64步時(shí)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(jī)架與高密度的輸入輸出模件大幅節(jié)省了機(jī)柜的占用空間。

 

1.2 HC900界面優(yōu)勢(shì)

        自控系統(tǒng)下位機(jī) DCS 編程軟件為 HC900 Designer，用于DCS 軟件編輯 ；上位機(jī)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(shù) HMIWEB 的用戶管理操作界面并為用戶提供各種在線生產(chǎn)管理信息，特點(diǎn)如下。

        （1）提供逼真的三維工業(yè)圖庫(kù)并預(yù)制300幅過(guò)程監(jiān)控畫(huà)面。

        （2）采用最新的開(kāi)放技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如 ODBC、高級(jí) DDE、VisualBasic、OPC 和 ActiveX 構(gòu)成開(kāi)放型控制與信息管理系統(tǒng)。（3）在線的資料手冊(cè)和操作規(guī)程輔助工具為用戶的工程組態(tài)、維護(hù)和操作提供了極大的方便。（4）以太網(wǎng)絡(luò)支持 HC900集成控制器之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊。（5）報(bào)警或事件信息不僅可在操作員站上顯示，也可通過(guò)電子郵件的方式送出相關(guān)信息。PlantScapeVista 系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)包括 HC900控制器和1042彩色液晶操作員盤(pán)一體化及各種第三方控制單元的完整數(shù)據(jù)信息，提供并行監(jiān)控操作和數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)的過(guò)程畫(huà)面網(wǎng)絡(luò)瀏覽功能及與第三方系統(tǒng)的 OPC 數(shù)據(jù)交換功能等。集成了高可靠性的控制單元 HC900并采用先進(jìn)的工程師組態(tài)維護(hù)工具 HCDesigner 和開(kāi)放通訊網(wǎng)絡(luò) ModBusTCP 以太網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)包含了當(dāng)今控制領(lǐng)域各種最新的技術(shù)，如基于MicrosoftWindows2000的 PlantScapeVista 服務(wù)器采用高速動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理，為用戶提供報(bào)警和事件管理、人機(jī)接口界面、歷史數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)報(bào)表生成等功能。

 

        上位機(jī)主要功能為 ：（1）數(shù)據(jù)采集功能，自動(dòng)顯示、連續(xù)地檢測(cè)并以工藝流程圖的形式顯示出系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，溫度、壓力、流量、水質(zhì)參數(shù)等數(shù)據(jù) ；（2）報(bào)警顯示，自動(dòng)報(bào)警和主動(dòng)采取事故預(yù)處理措施，防止事故的發(fā)生和擴(kuò)大，達(dá)到保護(hù)人身和設(shè)備的安全 ；（3）趨勢(shì)顯示，根據(jù) DCS 上傳的數(shù)據(jù)信息，繪制趨勢(shì)曲線圖，并制作報(bào)告和報(bào)表、系統(tǒng)診斷報(bào)告。冷卻水自控系統(tǒng)主要對(duì)工藝水流量、液位、壓強(qiáng)、溫度、懸浮物 pH 值等及各水泵風(fēng)機(jī)等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。根據(jù)水溫度設(shè)定對(duì)二次循環(huán)水三通閥進(jìn)行開(kāi)度控制，同時(shí)根據(jù)溫度控制板式交換器水量達(dá)到自動(dòng)控制一次水溫目的，對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)控制及二通閥開(kāi)度調(diào)節(jié)控制維持二次要求水溫 ；通過(guò)管道壓強(qiáng)反饋控制一、二次循環(huán)水補(bǔ)水量等。

 

2 二次循環(huán)水PID控制

2.1 二次冷卻水系統(tǒng)設(shè)備

        二次循環(huán)水系統(tǒng)主要設(shè)備包括循環(huán)水泵、冷卻塔、板熱交換器、閉式水箱、旁通調(diào)節(jié)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(tǒng)啟動(dòng)后，主要運(yùn)行參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)需進(jìn)行檢測(cè)，包括冷卻塔進(jìn)水閥門(mén)、風(fēng)機(jī)狀態(tài)、水箱溫度、閥門(mén)開(kāi)度、二次水水泵狀態(tài)、壓力及電導(dǎo)率等。（2）根據(jù)一次水溫，判定系統(tǒng)是否需要運(yùn)行，若運(yùn)行則先開(kāi)啟冷卻塔進(jìn)水閥，然后啟動(dòng)二次水泵。若水閥故障無(wú)法啟動(dòng)，則發(fā)送報(bào)警信號(hào)。（3）在水泵開(kāi)啟后，若水泵與旁通閥運(yùn)行正常，調(diào)節(jié)冷卻塔臺(tái)數(shù)、冷卻塔風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)和頻率及旁通閥開(kāi)度，混合控制二次水溫度。

 

2.3 二次循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機(jī)和冷凍水旁通閥控制流程二次冷卻水出水要求設(shè)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(biāo)，當(dāng)冷卻塔出水溫度反饋高于26 ℃，則調(diào)高風(fēng)機(jī)頻率，若溫度還是無(wú)法下降至26 ℃則增加一臺(tái)風(fēng)機(jī) ；反之當(dāng)冷卻塔出水溫度反饋低于26 ℃，則調(diào)低風(fēng)機(jī)頻率，若溫度還是無(wú)法上升至26 ℃，則減少1臺(tái)風(fēng)機(jī)，控制邏輯如圖2所示。

        （2）冷凍水溫度為7 ℃，當(dāng)室外氣候不適宜，冷卻塔達(dá)到滿負(fù)荷后水溫仍然高于26 ℃，冷凍水將參與二次冷卻水調(diào)控。以26 ℃為控制目標(biāo)，二次循環(huán)水在經(jīng)過(guò)冷卻塔冷卻后進(jìn)入板式交換器，依據(jù)板式交換器出水溫度反饋 PID 控制調(diào)節(jié)旁通閥的開(kāi)度控制冷凍水流量，從而穩(wěn)定水溫為26 ℃，控制邏輯如圖3所示。

2.4 PID控制分析

        本系統(tǒng)使用霍尼韋爾的 HC900控制器，從軟件上已集成了常規(guī)的 PID 控制功能模塊。在使用時(shí)可直接調(diào)用該模塊，設(shè)定輸入輸出和 PID 參數(shù)，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行參數(shù)整定，PID 控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。二次循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔控制系統(tǒng)，將冷卻塔出水溫度 T2（圖1）作為控制對(duì)象，設(shè)定值是二次循環(huán)水的設(shè)定溫度。同時(shí)，PID控制模塊與水泵的開(kāi)關(guān)信號(hào)連鎖，當(dāng)水泵處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，PID控制模塊才能正常運(yùn)行。對(duì)于旁通閥的控制，板式交換器出水溫度T3（圖1）作為控制對(duì)象，設(shè)定值是二次循環(huán)水的設(shè)定溫度。

 

        正常情況下，單位反饋下冷卻塔控制系統(tǒng)擾動(dòng)下輸出和誤差信號(hào) ：

       

 

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

當(dāng) |G1(s)G2(s)>>1 且 |G1(s)|>>1 時(shí)，T2(s) ≈ T(s)，E(s) →0，這樣實(shí)現(xiàn)了輸出值近似等于要求設(shè)定輸入值，滿足控制要求并對(duì)擾動(dòng)具有較強(qiáng)的抑制能力。同理，冷凍水直接調(diào)節(jié)水溫時(shí)，該控制系統(tǒng)擾動(dòng)下輸出及誤差同上述結(jié)果。

 

3 結(jié)束語(yǔ)

        本文主要論述了基于上海瑞金醫(yī)院腫瘤（質(zhì)子）中心工程項(xiàng)目的質(zhì)子加速器冷卻水自控系統(tǒng)硬件配置組成和上位機(jī)圖控界面設(shè)計(jì)及功能，同時(shí)以二次循環(huán)水控制系統(tǒng)為例，為達(dá)到工藝要求水溫，詳細(xì)地研究了二次循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機(jī)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(xiàn)場(chǎng)調(diào)試成功，系統(tǒng)已進(jìn)入試運(yùn)行狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。