CN109240200A - 一种超导质子装置降能器控制系统 - Google Patents

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宋云涛
王成
韩曼芬
陈永华
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Abstract

本发明公开了一种超导质子装置降能器控制系统，包括PLC、上位机、人机界面、分布式I/O模块、石墨块、伺服控制器、光栅尺和传动机构；所述PLC用于控制降能器，所述上位机用于通过总线与PLC交换复杂运算功能，所述人机界面用于通过总线和PLC交换参数，所述分布式I/O模块通过总线与PLC相连；本发明的控制系统具有本地和远程两种控制方式，以PLC作为降能器控制系统的核心部件，利用PROFINET、OPC‑UA、分布式I/O和伺服控制技术，结合触摸屏和工控机的应用，构建了双闭环冗余控制系统，使系统工作可靠、响应快、精度高、高度的集成和智能化，满足了降能器控制系统的要求。

Description

一种超导质子装置降能器控制系统
技术领域
本发明属于治疗装置工程技术领域，涉及一种降能器控制系统，具体是一种超导质子装置降能器控制系统。
背景技术
降能器控制系统是质子治疗装置控制系统中重要的组成部分，质子治疗时要根据肿瘤本身深度和厚度，使用不同能量的质子，而回旋加速器引出的质子束流为固定值，因此需要在加速器和治疗头之间进行能量调节，降能器控制系统参与能量调节。当质子通过降能器石墨层时，石墨厚度大则降低的能量大，用不同的厚度就可以得到不同的降能。因此，质子束流能量的调节精度，直接影响了治疗的准确性，为了精准调节质子束流能量，减少每次治疗时间，必须对石墨块进行精确、快速定位。而为了实现上述构想，现提供一种解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超导质子装置降能器控制系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种超导质子装置降能器控制系统，包括PLC、上位机、人机界面、分布式I/O模块、石墨块、伺服控制器、光栅尺和传动机构；
其中，所述PLC用于控制降能器，所述上位机用于通过总线与PLC交换复杂运算功能，所述人机界面用于通过总线和PLC交换参数，所述分布式I/O模块通过总线与PLC相连，所述分布式I/O模块还分别连接到两个石墨块的位置开关上，所述伺服控制器通过总线与PLC相连，所述伺服控制器通过总线连接光栅尺，所述伺服电机与传动机构相连，所述传动机构与石墨块相连；
该系统在工作时具备“本地模式”和“远程模式”两种工作方式；具体表现为：
A、当用户需要进入本地模式时，可通过人机界面对本系统进行直接控制；
B、当用户需要进入远程模式时，可通过互联网远程接入的上位机对本系统进行控制；
所述伺服电机采用自带的编码器作为速度环反馈信号，所述光栅尺作为位置环反馈信号，所述PLC用于对编码器读数和光栅尺读数进行实时比较，构建了位置控制双闭环冗余回路，具体表现为：
步骤一：通过所述PLC实时对通过传动机构带动石墨块的伺服电机自带编码器反馈的位置值和光栅尺反馈的位置值进行差值比较；
步骤二：在差值超出允许范围时，则表明传动机构和位置检测元件中的任一元件发生故障；此时系统通过位置检测冗余保护机制，通过所述PLC立即停止石墨块运动。
进一步地，所述人机界面为触摸屏，所述人机界面与PLC之间通过PROFINET总线连接；
所述传动机构可为同步带，所述石墨块为楔形石墨块。
进一步地，所述上位机为工控机，所述上位机与PLC之间通过OPC-UA总线连接。
进一步地，所述分布式I/O模块与PLC之间通过PROFINET总线连接。
进一步地，所述人机界面用于显示各元件的工作状态，所述人机界面还用于设定降能器的保护参数、动作参数和显示错误信息；所述人机界面用于在发生异常故障时显示异常原因，并根据预先编写的解决问题方案库，提供解决办法提示，所述人机界面还用于存储模具参数和记录降能器动作信息。
进一步地，所述上位机用于显示各元件的工作状态、设定降能器的保护参数和动作参数；所述上位机用于显示错误信息，并根据预先编写的解决问题方案库，提供解决办法提示，所述上位机还用于存储模具参数和记录降能器动作信息。
进一步地，所述PLC是安全型PLC，能够构建故障安全系统。
进一步地，所述分布式I/O模块是安全型I/O模块，能够实现安全的信号采集和通信。
本发明的有益效果：
本发明的控制系统具有本地和远程两种控制方式，以PLC作为降能器控制系统的核心部件，利用PROFINET、OPC-UA、分布式I/O和伺服控制技术，结合触摸屏和工控机的应用，构建了双闭环冗余控制系统，使系统工作可靠、响应快、精度高、高度的集成和智能化，满足了降能器控制系统的要求。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的控制系统框图；
图2是本发明的参数设置逻辑图；
图3是本发明的闭环控制系统图；
图4是本发明的控制流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种超导质子装置降能器控制系统，控制系统框图所示全部内容，依次为伺服电机一、伺服电机二、限位开关一、传动机构一、光栅尺一、光栅尺二、传动机构二、限位开关二、石墨块一、石墨块二、降能器控制系统，其中降能器控制系统包含PLC、上位机、人机界面、分布式I/O模块；石墨块均为楔形石墨块。
本发明的用于降能器控制系统，包括用于控制降能器的PLC，通过总线与PLC交换复杂运算功能的上位机，通过总线和PLC交换参数的人机界面，通过总线与PLC相连的分布式I/O模块，所述分布式I/O模块分别连接到两个石墨块的位置开关上，通过总线与PLC相连的伺服控制器，所述伺服控制器通过总线连接光栅尺，所述伺服电机与传动机构相连，所述传动机构与石墨块相连，所述传动机构可为同步带，所述石墨块为楔形石墨块。
所述的PLC控制器是安全型PLC，能够构建故障安全系统。所述的分布式IO模块是安全型的分布式I/O模块，能实现安全的信号采集和通信。通过PLC相连的上位机或人机界面，实现了相关参数的设置、存储及显示，并监控系统运行状态，提示故障信息，并且能够对控制区域信息按画面图像形象显示。
如图2、3、4所示，本发明的用于降能器控制系统的主要工作原理是，系统根据所选择的工作模式，PLC接收上位机或人机界面的位置设定参数值，光栅尺把检测到所测的石墨块位置值通过伺服驱动器以PROFINET总线方式发送到PLC；系统自检正常后，PLC的控制器根据设定的位置参数，通过PROFINET总线发送目标位置值命令给伺服驱动器，伺服驱动器通过电机带动传动机构驱动石墨块往目标位置运动，运动中，以伺服电机自带编码器作为伺服运动速度闭环反馈，以测量石墨块当前位置的光栅尺作为伺服运动位置闭环反馈，伺服驱动器发送石墨块当前运动位置和速度反馈信号给PLC，PLC采集石墨块的限位开关信号，所述PLC实时对通过传动机构带动石墨块的伺服电机自带编码器反馈的位置值和光栅尺反馈的位置值进行差值比较，如果差值超出允许范围，表明传动机构或位置检测元件发生故障；此时系统通过位置检测冗余保护机制，通过所述PLC立即停止石墨块运动，系统实时监控软限位及限位开关状态，如果石墨块当前位置值超出软限位设定范围或限位开关被触发，发生任一情况，系统通过超行程保护程序，立即停止石墨块运动，当到达目标位置时，动作结束，系统进入待机状态，等待下一个动作命令。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种超导质子装置降能器控制系统，其特征在于，包括PLC、上位机、人机界面、分布式I/O模块、石墨块、伺服控制器、光栅尺和传动机构；
其中，所述PLC用于控制降能器，所述上位机用于通过总线与PLC交换复杂运算功能，所述人机界面用于通过总线和PLC交换参数，所述分布式I/O模块通过总线与PLC相连，所述分布式I/O模块还分别连接到两个石墨块的位置开关上，所述伺服控制器通过总线与PLC相连，所述伺服控制器通过总线连接光栅尺，所述伺服电机与传动机构相连，所述传动机构与石墨块相连；
该系统在工作时具备“本地模式”和“远程模式”两种工作方式；具体表现为：
A、当用户需要进入本地模式时，可通过人机界面对本系统进行直接控制；
B、当用户需要进入远程模式时，可通过互联网远程接入的上位机对本系统进行控制；
所述伺服电机采用自带的编码器作为速度环反馈信号，所述光栅尺作为位置环反馈信号，所述PLC用于对编码器读数和光栅尺读数进行实时比较，构建了位置控制双闭环冗余回路，具体表现为：
步骤一：通过所述PLC实时对通过传动机构带动石墨块的伺服电机自带编码器反馈的位置值和光栅尺反馈的位置值进行差值比较；
步骤二：在差值超出允许范围时，则表明传动机构和位置检测元件中的任一元件发生故障；此时系统通过位置检测冗余保护机制，通过所述PLC立即停止石墨块运动。
2.根据权利要求1所述的一种超导质子装置降能器控制系统，其特征在于，所述人机界面为触摸屏，所述人机界面与PLC之间通过PROFINET总线连接；
所述传动机构可为同步带，所述石墨块为楔形石墨块。
3.根据权利要求1所述的一种超导质子装置降能器控制系统，其特征在于，所述上位机为工控机，所述上位机与PLC之间通过OPC-UA总线连接。
4.根据权利要求1所述的一种超导质子装置降能器控制系统，其特征在于，所述分布式I/O模块与PLC之间通过PROFINET总线连接。
5.根据权利要求1或2所述的一种超导质子装置降能器控制系统，其特征在于，所述人机界面用于显示各元件的工作状态，所述人机界面还用于设定降能器的保护参数、动作参数和显示错误信息；所述人机界面用于在发生异常故障时显示异常原因，并根据预先编写的解决问题方案库，提供解决办法提示，所述人机界面还用于存储模具参数和记录降能器动作信息。
6.根据权利要求1或3所述的一种超导质子装置降能器控制系统，其特征在于，所述上位机用于显示各元件的工作状态、设定降能器的保护参数和动作参数；所述上位机用于显示错误信息，并根据预先编写的解决问题方案库，提供解决办法提示，所述上位机还用于存储模具参数和记录降能器动作信息。
7.根据权利要求1所述的一种超导质子装置降能器控制系统，其特征在于，所述PLC是安全型PLC，能够构建故障安全系统。
8.根据权利要求1所述的一种超导质子装置降能器控制系统，其特征在于，所述分布式I/O模块是安全型I/O模块，能够实现安全的信号采集和通信。
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