光學組件運動控制系統(tǒng)結構功能及軟件開發(fā)

激光慣性約束核聚變是中國工程物理研究院承擔的國家級科學研究項目，其目標是利用強激光轟擊氘氚靶丸，產生受控慣性約束核聚變而釋放出聚變能。其中原型裝置靶場光電控制系統(tǒng)是保證多路激光束精確引導、投射、基頻倍頻、精確聚焦的重要組成部分。它首先需要根據靶場反射光路的實際情況自動調整投射和引導反射鏡的姿態(tài)完成激光的準直引導，然后控制三倍頻晶體的匹配角使打靶激光能夠按最佳角度入射到KDP晶體中，最后精確修正聚焦透鏡的離焦量將激光的焦斑調整到坐標系的基準點。系統(tǒng)要求的設計精度非常高，由靶場瞄準定位控制系統(tǒng)所引入的誤差不超過10μm，并且運動機構多且分散，對控制及監(jiān)控系統(tǒng)在設計理論和技術方案實施方面都提出了很高的要求。適應這種控制要求的系統(tǒng)，一般稱之為集散控制系統(tǒng)(DCS，Dist曲uted Control System)。PLC以其特有的高可靠性和不斷增強的功能，使它在集散中發(fā)揮著越來越重要的作用，并且有取代專用Dcs控制器的趨勢。

1 控制系統(tǒng)的功能和結構

根據物理實驗的要求，原型裝置的靶場系統(tǒng)需要將12束激光從真空靶室的上方和下方以一定的角度射入真空靶室并經三倍頻器、聚焦透鏡精確引導至靶點(激光在靶場將依次經過大口徑高精度反射鏡架模塊、終端光學組件模塊)。以此為基礎，針對核聚變的前沿性物理問題展開探索性實驗研究。

光學組件運動控制系統(tǒng)包括反射鏡架模塊與終端光學組件模塊兩大部分，共同調節(jié)12束激光準直至物理實驗靶的指定位置。圖1給出了控制系統(tǒng)的結構框圖。運動控制系統(tǒng)的設計功能是，“本地控制”工控機(IPC)根據“遠程集中控制”系統(tǒng)的指令完成各個光路的準直調節(jié)，狀態(tài)監(jiān)控，參數和重要數據記錄等工作，從而為激光發(fā)射做準備。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

由于控制電機數量較多(48臺伺服電機和48臺真空步進電機)，而且空間位置分散，因此光學組件控制及監(jiān)測系統(tǒng)采用了分布式控制技術，通過工業(yè)控制網絡組成先進的過程控制系統(tǒng)和實時、可靠的監(jiān)控系統(tǒng)。由上位監(jiān)控計算機對系統(tǒng)進行全面的監(jiān)控和管理；由安裝在現(xiàn)場的48臺日本松下公司型號為FP-e的PLC控制器作為下位控制器與現(xiàn)場電氣設備和執(zhí)行機構直接連接，執(zhí)行可靠、有效、具體的分散控制。系統(tǒng)的上位IPC與現(xiàn)場的各PLC控制器距離通常較遠，為保證系統(tǒng)的可靠性，采用RS485標準總線網絡進行數據傳輸，這樣就構成了分布式控制網絡。由于采用了網絡拓撲結構，系統(tǒng)擴充非常方便靈活，可適用不同規(guī)模系統(tǒng)的控制要求。

系統(tǒng)的控制器和執(zhí)行機構較多，因此，在設計控制箱時采用了模塊化的設計思想。每路激光的控制由8個運動軸單元構成：引導反射鏡俯仰軸和側擺軸，投射反射鏡俯仰軸和側擺軸，倍頻器俯仰軸、側擺軸和滾動軸，以及透鏡移動軸。每路激光的電機控制集中在兩個控制箱中，分別稱作反射鏡架控制箱與終端光學組件控制箱，作為分布式控制網絡的終端。每一個運動軸的控制由PLC、驅動器、電機、通訊適配器等組成.各控制箱與工控機之間同RS485總線進行信息傳遞系統(tǒng)的硬件配置如圖2所示。工控機將位置指令發(fā)送給PLC，經驅動器功率放大后由電機帶動精密絲杠螺母副驅動反射鏡及終端光學組件運動。各運動坐標的極限位置由接近開關檢測，以開關量信號形式輸入PLC進行處理.各光路反射鏡、倍頻器和透鏡的調整電機可同時工作。

圖2 控制系統(tǒng)硬件配置示意圖

2 系統(tǒng)通訊

系統(tǒng)采用RS485標準總線，具有速度快(最大位速率為10 Mbps)，傳送距離遠(90 kbps速率下可傳輸1200 m)的特點。RS485以差分平衡方式傳輸信號，具有很強的抗共模干擾的能力，允許一對雙絞線上一個發(fā)送器驅動多個負載設備。各節(jié)點下位PLC均帶有RS485通信接口，在本系統(tǒng)中上位IPC通過RS232／RS485接口轉換器提供上位機網絡節(jié)點。在總線末端接一個匹配電阻，吸收總線上的反射信號，保證正常傳輸信號干凈、無毛刺。

在1∶N通信方式下，每臺PLC被分配不同的地址，上位機與PLG采用統(tǒng)一的通信協(xié)議，上位機優(yōu)先發(fā)出呼叫并啟動通信。上位機通過RS485網絡廣播自己所要求的下位PLC地址，所有PLC都收聽廣播，記下廣播地址。各PLC把收到的地址與自己的地址進行比較，地址相同的PLC為被選中的下位機，其余PLC皆為未選中的下位機，暫時從網絡上隔離。網絡上只剩下主機與選中的PLC，按主從式的通信過程進行通信。上位機采集PLC數據后根據新收到的數據刷新監(jiān)控畫面。

上位IPC與下位PLC既相互通信構成一個完整的信息采集系統(tǒng)，又能彼此獨立工作，一旦上位IPC出現(xiàn)故障，下位PLC可脫離上位機獨立工作，確?，F(xiàn)場設備安全、可靠連續(xù)的運行。

本系統(tǒng)所用控制變量較多，共需1500多個，因此，IPC與各PLC之間的通訊采用了北京亞控公司的組態(tài)軟件組態(tài)王6.5開發(fā)。組態(tài)王把每一臺下位控制器看作是外部設備，在開發(fā)過程中按照一定要求完成設備配置過程。在運行期間，組態(tài)王通過驅動程序和這些外部設備交換數據，包括采集數據和發(fā)送數據／指令。每一個驅動程序都是一個COM對象，這種方式使通訊程序和組態(tài)王構成一個完整的系統(tǒng)，既保證了運行系統(tǒng)的高效率，又使系統(tǒng)能夠達到很大的規(guī)模。組態(tài)王通過串行口與PLC進行通信，訪問PLC相關的寄存器地址，以獲得PLC所控制設備的狀態(tài)或修改相關寄存器的值。在實際編程過程不需要編寫讀寫PLC寄存器的程序，組態(tài)王提供了一種數據定義方法，在定義了L／O變量后，可直接使用變量名用于系統(tǒng)控制、操作顯示、數據記錄和報警提示。

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

3.1 遠程服務器通訊模塊開發(fā)

本地控制工控機與遠程服務器端采用基于TCP／IP協(xié)議的Socket技術進行通信，由VC++6.0編程工具開發(fā)。本地控制計算機在5002端口偵聽遠程服務器發(fā)來的數據包，遠程服務器在5003端口偵聽本地控制工控機發(fā)去的數據包。通訊模塊的主要功能有兩個：接受總控服務器發(fā)送來的數據包并進行解析；對要發(fā)送的信息構造數據包并發(fā)送，IPC與遠程服務器之間的通訊數據為二進制格式，長度不固定。數據包由發(fā)送者識別號、接收者識別號、功能代碼、參數長度、參數內容等5個部分共(16+N)個字節(jié)組成。OPC(OLE for Process Control)在當今的過程控制領域是一種非常流行的數據交互技術。下位控制器與系統(tǒng)通訊模塊的連接通過0PC接口實現(xiàn)。VC編程調用組態(tài)王提供的OPC動態(tài)鏈接庫接口函數，實現(xiàn)了下位控制器與遠程服務器的通訊。

3.2 PLC系統(tǒng)控制模塊開發(fā)

下位控制器采用狀態(tài)設計法編制程序梯形圖。系統(tǒng)的運行和故障聯(lián)鎖全部由PLC控制，以提高系統(tǒng)的可靠性；在軟件設計中添加了各種聯(lián)鎖條件，使各動作間能夠嚴格確保相互約束或定時關系；通過建立適合的狀態(tài)標志位，實現(xiàn)了識別及處理故障的能力?？刂瞥绦驈墓δ苌峡煞殖?個模塊：1)開機畫面設置及初始化模塊；2)手動模塊；3)報警、限位處理模塊；4)自動模塊。

3.3 上位機監(jiān)控軟件設計

組態(tài)軟件KingView6.5由工程瀏覽器TouchMAK和畫面運行系統(tǒng)TouchVew兩部分組成，具有強大的圖形編輯功能。運用開發(fā)環(huán)境TouchMAK設計監(jiān)控軟件，監(jiān)控軟件實現(xiàn)的系統(tǒng)功能包括：顯示工藝流程圖和各種參數實時測量值；實時修改下位機所需的各種參數的數值；上位機和下位機之間的通訊管理；實時顯示故障報警畫面；實時數據庫和歷史數據庫管理；生成系統(tǒng)日志報表；將過程監(jiān)控站中的各類實時數據、畫面、圖表等信息存入本地的網絡服務器中。采用Access數據庫保存歷史記錄，數據庫中當天的操作記錄在一個數據表中，數據表以用戶名、年、月、日命名。TouchVEW是顯示TouchMAK中建立的圖形界面的運行環(huán)境。上位機監(jiān)控系統(tǒng)運行時運行TouchVEW進入監(jiān)控主畫面，各設備的狀態(tài)就以動畫的形式形象的表示出來，通過主菜單或各畫面的功能鍵，操作人員可方便地切換各畫面，獲得各畫面具體的監(jiān)控數據。

4 結 語

本文研究的基于PLC和組態(tài)軟件的光學組件自動控制系統(tǒng)，利用了PLC可靠性高、抗干擾能力強的特點，又利用了組態(tài)軟件強大的數據處理和圖形表現(xiàn)能力，融合了較先進的自動化技術、計算機技術、通訊技術，具有可靠性高、操作簡單、維護容易等特點。該方案已成功應用于激光慣性約束核聚變靶場光路系統(tǒng)的設備監(jiān)控，取得了滿意的效果，其控制原理對其他分布式控制系統(tǒng)具有一定的借鑒作用。