CN205862199U - 一种基于plc和触摸屏的超导腔调谐控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于PLC和触摸屏的超导腔调谐控制系统。本系统包括一PLC基板，该PLC基板上设有PLC电源模块、CPU模块、位置控制模块、第一模拟输入模块、第二模拟输入模块、模拟输出模块、TTL输入模块；超导腔的入射功率射频信号引出端和超导腔内耦合出的射频信号引出端分别与一鉴相器的两输入端连接，该鉴相器输出端与第一模拟输入模块、TTL输入模块输入端连接，第二模拟输入模块与位移传感器输出端和压电陶瓷高压电源模拟电压输入端连接，位置控制模块与步进电机驱动器脉冲输入端连接，模拟输出模块与压电陶瓷高压电源模拟输入端连接，该CPU模块与一触摸屏单元连接。本实用新型能够实现自动搜索捕捉锁定超导腔频率。

Description

一种基于PLC和触摸屏的超导腔调谐控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于PLC和触摸屏的超导腔调谐控制系统，属于粒子加速器、低温超导技术领域。

背景技术

为了使经过超导腔的束流能够持续加速，需要将超导腔的谐振频率锁定在工作频率上，则必须为每一支腔配备一套可连续调节腔频率的调谐器和调谐控制系统，才能保证高频功率馈入超导腔用于加速束流。其中，调谐控制系统的主要用途是补偿或阻尼超导腔运行时由于氦压波动、束流负载效应、洛伦兹失谐和麦克风效应等因素所引起的超导腔频率变化，通过反馈控制使超导腔始终处于谐振状态。

调谐控制系统是以调谐器作为执行机构来调节超导腔频率的，近些年来，国内外调谐方式并没有理论上的革新，一般采用步进电机+压电陶瓷(可选)的机械结构，通过改变腔体轴向长度来调节超导腔的频率。早期调谐控制系统多采用模拟电子器件搭建，20世纪90年代，一些大的实验室开始基于数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)、现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)实现调谐控制系统，还未开展基于PLC和触摸屏的调谐控制系统研究。

调谐器一般由机械调谐器和压电陶瓷两部分构成，国际上日本高能加速器研究组织(KEK)的调谐控制系统原理如图1所示，调谐控制系统是根据超导腔入射功率的射频信号(Pin)和天线从超导腔内耦合出的射频信号(Pt)之间的相位差来进行频率调节的。其中Pin和Pt的幅值分别表征入射功率大小和耦合功率大小。

可根据相位差的大小将控制区分成4个部分：

(1)压电陶瓷控制区：当相位差小于±1°时，压电陶瓷驱动器产生正比于相位差大小的高压，加在压电陶瓷两端的高压会使其伸长或者缩短，从而改变腔体频率，此时步进电机处于停止状态；

(2)重叠区：压电陶瓷和步进电机都会产生驱动信号改变腔体频率；

(3)步进电机变速区：只有步进电机控制器产生脉冲信号驱动电机转动，电机转动速度(单位：Hz)与相位差绝对值的大小呈正比，此时压电陶瓷两端只有一定的偏置高压，无调节腔体频率的能力；

(4)步进电机恒速区：当相位差超过一定的范围，发送给步进电机的脉冲速度为恒定值，与相位差大小无关。

现有技术的缺点

国际上的调谐控制方案一般都是基于此原理(见图1)进行设计的，开发者可根据不同的控制精度和需求进行相应的改进，目前国内的调谐控制方案主要是基于模拟电子技术、DSP和FPGA技术实现的，主要有以下缺点和不足：

1.模拟电子技术缺点

(1)对于复杂的模拟电路，如果一旦设计并加工完毕，若有更改器件或者增加功能的需求，都需要重新加工，耗时较长且成本较高；

(2)模拟器件配线复杂，不易于调试，需要丰富的调试经验和较长的调试时间；

(3)模拟器件无法执行较复杂的算法，控制精度低；

(4)抗干扰能力差，容易受到噪声的干扰。

2.DSP和FPGA技术缺点

(1)成本较高，对同一套调谐控制系统来说，成本是PLC控制器的几倍；

(2)为了节省开发周期，一般各DSP和FPGA芯片公司都有基本板卡，但板卡的输入输出端口较少，不适用于多个调谐器的控制。

(3)调谐控制系统的特点是需要多轴步进电机控制和多个数模转换器DAC(Digital to Analog Converter)用于压电陶瓷控制，需要资源单一且同一接口需要数量较多，而DSP和FPGA板卡配套资源丰富，但数量较少，会造成资源浪费。

除此之外，模拟电子器件、DSP和FPGA板卡与用户操作界面的通信需要采用总线设计和较复杂的输入输出控制器IOC(Input/Output Controller)才可以实现，通信复杂，且抗干扰能力差。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的在于提供一种基于PLC和触摸屏的超导腔调谐控制系统。

本实用新型的技术方案为：

一种基于PLC和触摸屏的超导腔调谐控制系统，其特征在于，包括一PLC基板，该PLC基板上设有PLC电源模块、CPU模块、位置控制模块、第一模拟输入模块、第二模拟输入模块、模拟输出模块、TTL输入模块；超导腔的入射功率射频信号引出端和超导腔内耦合出的射频信号引出端分别与一鉴相器的两输入端连接，该鉴相器的一输出端经一低通滤波器与第一模拟输入模块连接，该鉴相器的另一输出端与该TTL输入模块输入端连接，第二模拟输入模块与超导腔调谐位移传感器输出端和压电陶瓷高压电源模拟电压输入端连接，位置控制模块与超导腔调谐器的步进电机驱动器脉冲输入端连接，模拟输出模块与压电陶瓷高压电源模拟输入端连接，该CPU模块与一触摸屏单元连接；其中，

CPU模块，用于对各输入模块采集到的信号以及通过触摸屏输入的参数进行处理，生成控制信号发送到对应模块；

第一模拟输入模块，用于采集超导腔的鉴相器输出的相位差信号以及超导腔腔压信号发送给CPU模块，CPU模块根据相位差信号、超导腔腔压信号分别生成不同的脉冲频率指令发送给位置控制模块；

第二模拟输入模块，用于采集超导腔调谐器中步进电机位置传感器的电压信号、超导腔调谐器中压电陶瓷高压电源的输入信号发送给CPU模块，CPU模块根据该电压信号、超导腔调谐器中压电陶瓷高压电源的输入信号生成指令发送给模拟输出模块；

位置控制模块，用于根据CPU模块发出的指令生成脉冲信号，控制超导腔调谐器中步进电机转动频率、转动方向；

模拟输出模块，用于根据CPU模块发出的指令输出模拟电压信号给压电陶瓷高压电源，控制压电陶瓷伸长或者缩短的长度；

TTL输入模块，用于采集鉴相器根据超导腔的腔压幅度是否大于设定值而生成的信号并发送给CPU模块，CPU模块根据该信号生成指令发送给位置控制模块。

进一步的，模拟输入模块中设有一低通滤波器，用于对超导腔机械振荡信号的滤波。

进一步的，该CPU模块将相位差信号经一比例积分控制器和低通滤波器处理后发送给该模拟输出模块。

进一步的，CPU模块为顺控型CPU模块。

进一步的，该TTL输入模块，还用于采集调谐控制系统调谐信号和发射机开启信号并发送给CPU模块。

进一步的，还包括一TTL输出模块，用于采集CPU模块根据超导腔调谐器就绪信号、故障信号以及步进电机转动信号并发送给中央控制系统。

进一步的，还包括一继电器输入模块，用于采集步进电机位置上限位报警信号、步进电机位置下限位报警信号和步进电机驱动器工作正常信号并发送给CPU模块。

与现有技术相比，本实用新型的积极效果为：

该实用新型是基于PLC和触摸屏的，相比以上方案(模拟电路控制方案、DSP和FPGA数字控制方案)具有如下优点：

(1)降低成本：与DSP和FPGA数字板卡相比，商业化的PLC成本较低，性价比较高；

(2)易于调整设计方案，可随时增加输入输出接口，维护方便，开发周期短，灵活性高：在系统调试期间，若系统需要更改一些功能，增加一些系统资源，只需要再购买所需的PLC模块(输入输出模块)并对程序进行相应的修改即可，缩短了开发周期，且无需整机更换；

(3)资源整合，按需选材，防止资源浪费：调谐控制系统的控制对象为步进电机和压电陶瓷，随着加速器能量需求的不断提高，目前的加速器中超导腔数量逐渐增多，有的甚至达到几万支，而每一支超导腔都需要有一套调谐器，这就要求调谐控制系统能够进行多轴步进电机控制，且具有较多的数模转换器进行压电陶瓷控制。目前PLC早已实现了模块化，且模块种类丰富，无需定制即可根据系统需求选择相应的模块，使资源的利用更加合理、高效；

(4)易于实现基本的算法控制且控制精度较高：PLC中有专门的算法控制指令，如调谐控制系统上比较常用的控制算法比例-积分控制器(PI，用于对相位差信号进行放大和积分处理，将调谐器控制系统的相位差信号波动范围控制在±1°以内)，可通过PLC的PI控制指令实现，方便快捷，且目前PLC的控制精度很高，其中数模转换器控制位数可达16位，已经远远超过调谐控制系统精度需求。

(5)高可靠性且抗干扰能力强：PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很强的抗干扰能力；PLC还可进行双冗余，这些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间远超过30万小时，且PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息，故障也会大大降低，具有较高的可靠性；

(6)配套齐全，功能完善，适用性强：PLC具有较强的通信能力，支持串口、以太网接口等，随着人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易，用户界面操作简单，运行稳定，不易受到外界干扰。本实用新型控制逻辑清晰全面，代码具有较好的移植性，可为之后大科学装置的调谐控制系统提供较好的参考。

附图说明

图1为BEPCII调谐控制系统原理图；

图2为基于PLC和触摸屏的超导腔调谐控制系统框图；

图3为调谐控制系统原理图；

图4为本实用新型的调谐控制方法流程图。

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的详细描述。

超导腔调谐控制系统采用PLC作为核心控制器，在超导高频腔内建立高频电场，利用鉴相器得到的高频相位差，指引步进电机和压电陶瓷对腔的谐振频率进行反馈控制，与触摸屏构成人机界面，实现自动捕捉锁定腔频率，相位控制精度可达±0.7°，对应频率控制精度为±4Hz，该超导腔的调谐灵敏度为1.1kHz/um，相位灵敏度为5nm/1°，则相位和频率的对应关系为5.5Hz/1°。

1.控制系统工作原理

若需要在超导腔中馈入功率，首先要有信号源，信号源发出的是小功率信号，信号经过连锁开关、射频开关到达发射机，信号经过发射机会被放大，发射机输出的大功率信号经过定向耦合器馈入超导腔，只有当超导腔的频率与信号源频率一致时，功率才能馈入超导腔用于加速束流。

超导腔入射功率的射频信号(Pin)和天线从超导腔内耦合出的射频信号(Pt)接入鉴相器进行鉴相，得到的相位差信号(理想情况下为直流电压信号，但一般会存在高频分量)经过低通滤波器滤除高频分量得到较为理想的直流电压信号，通过PLC的插件模数转换模块ADC(Analog to Digital Converter)输入PLC中，同时鉴相器输出Level OK信号给PLC的TTL输入模块，使PLC可以判断腔内场的大小，PLC通过判断相位差信号的大小对步进电机转动频率和高压电源的高压进行反馈控制，原理图详见图3，鉴相器的鉴相范围为±180°，相位灵敏度为10mV/°，则PLC可通过采集到的直流电压信号判断相位差的大小。使用梯形图编写程序，设置步进电机的加速时间和减速时间分别为500ms。

如图3所示，当相位差信号小于±4°，只有压电陶瓷工作，步进电机处于停止状态，相位差信号经过PLC梯形图PID指令和数模转换模块DAC内置的低通滤波器处理之后，由DAC向压电陶瓷的高压电源输出幅值与相位差呈正比(比例系数K2为0.5V/°)的直流电压(Piezo Output)，且Piezo Output信号在PLC中被限制在±3V以内，信号经过高压电源被放大100倍后加在压电陶瓷的两端，其中高压电源的高压偏置为500V，则实际加在压电陶瓷两端的电压为200V-800V，高压的改变会改变压电陶瓷的伸缩长度，进而通过调谐机构改变腔体轴向长度。

当相位差信号在+4°～+6°和-6°～-4°之间，压电陶瓷和步进电机协同工作，压电陶瓷控制方式如上一自然段描述，步进电机系统控制方式见下一自然段描述。

当相位差信号在+6°～+10°和-10°～-6°之间时，压电陶瓷无调节能力，只有步进电机工作。利用梯形图程序控制PLC位置控制模块向步进电机驱动器输出不同频率的脉冲，该频率与相位差呈正比(比例系数K1为167Hz/°)，则驱动器可驱动步进电机主轴转动，通过调谐器调节超导腔的长度，进而改变超导腔频率。

当相位差信号在+10°～+45°和-45°～-10°之间时，步进电机进入恒速区域，PLC梯形图程序设置步进电机转动频率为1000Hz。当相位差信号超过±45°时，步进电机处于停止状态，认为超过调谐控制系统捕捉带。

2.PLC控制系统结构及信号处理流程

如图2所示为基于PLC和触摸屏的超导腔调谐控制系统框图，PLC和触摸屏基于以太网TCP/IP协议进行通信，触摸屏作为操作员界面可以通过给其控件分配PLC的地址来完成控制功能。本实用新型的PLC控制系统主要包括13槽位的基板、PLC电源模块和PLC输入输出模块。13槽位的基板表示除了PLC电源模块以外最多可安装13个PLC模块，根据PLC安装手册，不同的PLC模块按照一定的顺序安装在PLC基板上，其中PLC电源模块和CPU模块是必须要安装的，且安装位置最左侧必须是电源模块，槽位1#必须安装CPU模块，PLC的其他输入/输出模块可以选择性安装，且安装位置可根据开发者需求安装在2#-13#槽位任一槽位，无明确的安装位置规定。各模块之间是通过基板上的总线进行通信，本实用新型系统PLC模块从左至右的安装顺序如表1：

表1PLC系统模块分布表

0#槽位电源模块负责给PLC各模块供电；1#槽位顺控型CPU模块根据梯形图程序逻辑对所有PLC输入模块采集到的数据进行信号处理，处理完毕将多种输出控制信号发送到PLC输出模块，如模拟输出信号发送给模拟输出模块6#，TTL输出信号发送给TTL输出模块11#，脉冲输出信号发送给位置控制模块；2#槽位位置控制模块(共8轴电机控制输出)可根据CPU模块发出的指令发出不同频率的脉冲，用于控制步进电机的转动频率和方向，CPU模块根据触摸屏设置的参数生成指令发送给位置控制模块；3#槽位模拟输入模块(共8路模拟电压/电流输入，下同)负责采集7路模拟信号量-步进电机位置传感器的电压信号(TunerPosition)；4#槽位模拟输入模块负责采集7路模拟电压信号量-压电陶瓷高压电源的输入信号(Piezo Input)；5#槽位模拟输入模块负责采集7路模拟电压信号量-鉴相器输出的相位差信号；6#槽位模拟输出模块(共8路模拟电压/电流输出)用于输出一定范围内的模拟电压信号(Piezo Output)给压电陶瓷高压电源，控制压电陶瓷伸长或者缩短的长度；7#槽位、8#槽位、9#槽位的继电器输入模块(共8路继电器触点输入)分别负责采集7路步进电机位置上限位报警信号(Up limit switch)、步进电机位置下限位报警信号(Down limit switch)和步进电机驱动器工作正常信号(READY)；10#槽位的TTL输入模块(共32路TTL信号输入)负责采集7路Level OK信号，7路调谐控制系统调谐信号(Tuned)和7路发射机已开启信号(RFON)；11#槽位的TTL输出模块(共32路TTL信号输出)用于将调谐控制系统的状态信号-7路调谐器故障信号(Error)，7路调谐器准备就绪信号(Ready)，7路步进电机正在转动信号(Run)发送到中央控制室。12#槽位模拟输入模块负责采集7路超导腔腔压信号(Vc)，13#槽位为FA总线模块，用于连接其他的PLC从站。

为了明确调谐器的工作状态，PLC利用相应的采集模块对以下信号进行了采集：安全联锁信号，调谐器相关的信号，如步进电机位置传感器的电压信号(Tuner Positon)和电机位置上/下限位报警信号(Up/Down limit switch)，压电陶瓷高压电源的输入信号(Piezo Input)，步进电机驱动器工作正常信号(READY)，发射机已开启信号(RF ON)，调谐控制系统调谐信号(Tuned)等，所有采集到的信号都会被存入CPU的内存地址中，CPU通过梯形图程序对采集到的信号进行一定的处理，处理完毕后CPU对PLC输出模块(如位置控制模块和模拟输出模块等)发出控制命令，由调谐器执行；与此同时，PLC也会向其他系统发出信号，报告调谐控制系统的工作状态，如调谐器准备就绪信号(Ready)，步进电机正在转动信号(Run)等下面对图2系统框图各信号含义进行介绍：

RF On/Off:信号源开/关，当信号源打开时，才能有小功率信号输出到发射机。

射频信号：

Pin:超导腔入射功率的射频信号；Pt:天线从超导腔中耦合出的射频信号；

TTL输入信号(其他系统输出到PLC)：

Level OK：当超导腔的腔压大于0.1MV时，鉴相器发出低电平信号，指示灯亮，当超导腔的腔压小于0.1MV时，发出高电平信号，指示灯灭；Tuned:当腔内电场的幅度和相位分别小于±1％和±1°时，中央控制室发出高电平信号，否则为低电平信号；RF On:当发射机输出功率达到1W以上，发射机发出高电平信号，否则为低电平。

继电器输入信号：(其他系统输出到PLC)

Up/Down limit switch:调谐器限位开关，由于调谐器可以挤压超导腔，也可以拉伸超导腔，但腔体承受的挤压或拉伸范围有限，需要对调谐器调谐臂的位移量进行限制，限位开关限位和非限位情况下，开关的状态不同，当开关闭合时，输出为0，未限位，调谐器可继续移动，当输出为1时，有限位，调谐器不可以继续移动；READY:步进电机驱动器无故障时，继电器节点闭合，驱动器向PLC输出0，否则为1。

ADC输入信号：(其他系统输出到PLC)

Tuner Position:步进电机位置传感器的电压信号，用于测量调谐器调谐臂的位移量，输出模拟电压值；Piezo Input:压电陶瓷高压电源的输入信号，输出模拟电压值；相位差信号：超导腔入射功率和从超导腔中提取出的功率的相位矢量差，相位差信号越大，说明超导腔失谐越大，当超导腔频率与信号源频率一致时，相位差信号几乎为0°，是调谐控制系统判断超导腔是否处于谐振状态的重要依据；Vc：超导腔腔压信号，用于表征超导腔内电场的幅度和馈入功率的大小。

TTL输出信号：(PLC输出到其他系统)

Ready:当调谐器执行机构(电机系统)无故障，发出高电平信号，否则为低电平信号；Run:当步进电机处于转动状态时，发出高电平信号，否则为低电平；LLRF OK(LLRF，即Low Level Radio Frequency，低电平控制系统)：当超导腔处于谐振状态，同时超导腔幅度控制环路和相位控制环路将超导腔内的电场幅度和相位都控制在一定的范围内(控制指标分别为±1％和1°)，发出高电平信号，否则为低电平。

ADC输出信号：(PLC输出到其他系统)

Piezo Output:PLC输出模拟信号给压电陶瓷驱动电源，用于压电陶瓷的闭环反馈控制。

3.软件控制流程

如图4所示为超导腔调谐控制系统软件流程图，首先要利用PLC第一次上电循环指令对PLC的特殊模块(如模拟输入模块、模拟输出模块、位置控制模块等)进行参数设置的初始化，为了保证数据采集的实时性和准确性设置模拟输入模块的采样时间(一般为20us)、数据转换时间和模拟输出模块中滤波器的带宽(一般为几kHz)等，位置控制模块初始化了步进电机的加速时间为500ms、减速时间为500ms、所发最大脉冲数为2147483647个和初始速度为1000Hz，并采用非原点搜索方式对步进电机进行相对位置定位，设定步进电机自动搜索的搜索范围，一般是在1#槽位模拟输入模块采集到的Tuner Position数值±2mV，即自动搜索的频率范围为±2kHz(步进电机位置传感器的电压值与位置的对应关系为1um/mV，超导腔调谐灵敏度为1um/kHz)，设定步进电机软件限位范围Tuner Position数值±4mV，对应频率范围为±4kHz，除此之外，还需手动设置压电陶瓷高压电源的偏置电压为500V。

之后检测电机驱动器READY信号是否正常，如果READY＝1，说明电机系统无故障，通过PLC的TTL输出模块发出Ready＝1信号给中央控制室，调谐控制系统准备就绪，步进电机可随时进入工作状态，如果READY＝0，检查并排除驱动器及电机故障，继续检测READY是否为1，直至READY＝1。当READY＝1时，PLC继电器输入模块(7#槽位和8#槽位)检测电机位置是否有机械限位，在工作状态下，PLC继电器输入模块对应的机械限位触点为常开，该触点的状态可通过基板总线以0/1的状态存入PLC CPU相应的内存位地址中(其他PLC输入模块采集到的信号也是通过基板总线传输到PLC CPU的相应内存位地址或字地址中，不再详述)，如果有机械限位，触点变为常闭，CPU相应的内存位地址状态变为1，进入手动开环控制程序；如果无机械限位，则继续检测电机位置是否有软件限位，步进电机软件限位值是在初始化时写入CPU内存字地址中的，如果有步进电机的软件限位(即采集到的Tuner Position数值超过了软件限位值)，CPU中相应内存位地址会变为1，此时需要在触摸屏上进入调谐器参数设置界面，进行软件上限位设置和软件下限位设置，设置范围均为0-5V，且上限位值必须高于下限位，一般软件限位范围必须要小于机械限位范围，设置完毕后软件限位值会自动在PLC CPU相应内存字地址中更新数值，可继续返回触摸屏操作主界面进行下一步操作，若无软件限位，则继续检测触摸屏上AUTO按钮是否被按下(触摸屏上的AUTO按钮内存与PLCCPU中的内存位地址一一对应)，如果被按下，PLC CPU中对应的内存位地址为1，则执行自动搜索程序，如果AUTO按钮没有被按下，PLC CPU中对应的内存位地址为0，则执行手动开环控制程序。一般情况下，超导腔的频率可通过频谱仪进行观测，当有束流通过时，超导腔需要工作在谐振状态(即超导腔的频率基本等于信号源的频率)，相位差几乎为0°，当无束流通过超导腔时，超导腔可根据实验者的需求工作在失谐状态(即超导腔的频率偏离信号源的频率)，相位差在±180°范围内除了0°以外的区域。当执行手动开环程序时，根据不同的实验需求，为了使超导腔处于谐振状态或者失谐状态，首先通过触摸屏操作界面中的对话框设置电机转动频率和调谐器参数设置界面中的对话框设置所发脉冲数，电机转动频率范围为0-10000Hz，所发脉冲数范围为0-2，147，483，647个，步进电机正转时，超导腔频率变小，步进电机反转时，超导腔频率变大，实验者可参考频谱仪中超导腔的频率，结合实验具体需求在此范围内任意设定电机转动频率和所发脉冲数。设置完毕后，检测触摸屏中UP按钮和DOWN按钮是否只有一个被按下(触摸屏中的按钮意义对应PLC CPU中的内存位地址，下同)，如果两个按钮都没有被按下或者同时被按下，步进电机不启动；当两个按钮有且只有一个被按下时，CPU相应的内存位地址为1，CPU执行梯形图程序中的电机控制程序，PLC位置控制模块根据实验者设定的电机转动频率和所发的脉冲数(根据实验者需求)给电机驱动器发脉冲，步进电机转动，超导腔的频率发生变化，同时PLC的TTL输出模块向中央控制室发出Run信号(高电平)，即当UP按钮被按下，电机正转，超导腔频率变小，当DOWN按钮被按下，电机反转，超导腔频率变大，之后继续检测电机是否发送完毕设定的脉冲数，如果发送完毕，PLC位置定位模块中特定的位地址会置位，CPU中的梯形图程序根据该地址的状态(为1)使步进电机自动停止转动，如果未发送完毕时，触摸屏中STOP按钮被按下，则CPU中与STOP按钮相对应的内存位地址为1，CPU模块中的梯形图程序使启动电机停止程序，步进电机停止转动，同时UP/DOWN/AUTO按钮在CPU中对应的内存位地址置位，则UP/DOWN/AUTO按钮都会自动弹起，程序结束，STOP按钮为紧急停止按钮或者手动停止按钮，无论调谐控制系统处于任何状态，只要STOP按钮被按下，步进电机都会停止转动；除了这种情况，当模拟输入模块采集到的相位差信号在±4°以内，电机也会停止转动。

当AUTO＝1时执行手动自动搜索程序，首先检测步进电机自动搜索范围是否正确，如果搜索上、下限位值在当前步进电机位置传感器的电压信号(Tuner Position)的±2mV(对应搜索频率范围为±2kHz)之外，则重新设定搜索范围，在触摸屏调谐器参数设置界面，对自动搜索上限位值(一般设置为Tuner Position数值+2mV)和自动搜索下限位值(一般设置为Tuner Position数值-2mV)进行手动设置，设置完毕继续检测自动搜索范围是否正确，直至搜索上、下限位值在当前步进电机位置传感器的电压信号(Tuner Position)的±3mV以内。

当搜索范围正确时，判断RF ON是否等于1，如果RF ON≠1，打开信号源和发射机并加小功率将325MHz频率的功率馈入超导腔内，当RF ON＝1时，继续判断PLC 5#槽位的模拟输入模块采集到的相位差是否大于0°，由于超导Spoke012腔存在机械振荡，当机械振荡出现时，相位差信号不是稳定的直流信号，而是直流信号上叠加了频率为250Hz的正弦振荡信号，故在5#槽位的模拟输入模块中增加了带宽为50Hz的滤波器(该低通滤波是本实用新型针对于超导Spoke012腔进行设置的，滤波效果良好)。当相位差>0°时，说明超导腔频率大于信号源的频率，CPU中梯形图指令使PLC位置控制模块输出速率恒定为1000Hz的脉冲信号给步进电机驱动器，调节步进电机正转使超导腔频率减小，则相位差信号也随之减小(超导腔频率越接近信号源频率则相位差信号绝对值越小)，此时腔内的电场强度变大，腔压变大，当腔压幅度大于0.1MV时，PLC中的TTL输入模块采集到的Level OK信号为低电平(即LevelOK＝0)；如果Level OK＝1，即高电平，则检测当前步进电机位置传感器的电压信号(TunerPosition)是否有自动搜索软件上限位，如果没有，按下触摸屏上的SEARCH按钮，步进电机继续正转，如果有自动搜索软件上限位，电机停止转动，则表明此次未将超导腔频率调谐，不能进行自动闭环程序，PLC CPU内部计数器自动加1，即搜索超导腔频率失败1次；如果PLC5#槽位的模拟输入模块采集到的相位差≤0°，说明超导腔频率小于信号源的频率，CPU中梯形图指令使PLC位置控制模块输出速率恒定为1000Hz的脉冲信号给步进电机驱动器，调节步进电机反转使超导腔频率增大，则相位差信号绝对值也随之减小，此时腔内的电场强度变大，腔压变大，如果Level OK＝1，检测当前步进电机位置传感器的电压信号(TunerPosition)是否有自动搜索软件下限位，如果没有，按下触摸屏上的SEARCH按钮，步进电机继续反转，如果有自动搜索软件下限位，电机停止转动，PLC CPU内部计数器在原来数值的基础上自动加1，则表明此次未将超导腔频率调谐，搜索超导腔频率又失败1次；搜索失败的原因为自动搜索软件上下限位值设置不当，即当步进电机在此范围内运动时，超导腔频率无法与信号源频率一致，超导腔无法谐振。当CPU内部计数器数值≤3时，可手动调整自动搜索软件上下限位值范围(最大范围为当前步进电机位置传感器的电压信号Tuner Position值±3mV)，按下触摸屏上的SEARCH按钮，可再次进行超导腔频率自动搜索，如果CPU内部计数器数值＞3，则自动搜索超导腔频率失败且电机停止转动，转入手动开环控制程序，如果在搜索过程中若检测到Level OK＝0，则说明高频功率馈入超导腔且在超导腔内建立起一定幅度的电场，自动搜索超导腔频率成功，即操作员只需要按下触摸屏中的SEARCH按钮即可使超导腔频率与信号源频率接近，无需再进行人为手动调节频率。本实用新型超导腔频率自动搜索功能可实现一键开启调谐控制环路，使超导腔自动跟踪信号源频率，避免过多的人为干涉，实现调谐控制系统的自动化，大大提高了调谐效率。

如果超导腔频率搜索成功，说明超导腔内已经初步馈入功率，可建立微弱电场，CPU梯形图程序继续检测PLC5#槽位的模拟输入模块采集到的相位差是否在±45°之间，如果不在，即超过调谐控制系统捕捉带，电机停止转动，也进入手动开环控制程序。如果相位差在±1°之间，则超导腔频率锁定成功，即超导腔频率与信号源频率基本一致，超导腔内的电场幅度最大，能够更有效的加速束流，如果相位差在±45°之间但大于±1°，执行自动闭环控制程序。

当4°<相位差<10°时，PLC CPU中梯形图程序根据相位差绝对值的大小对电机的速度进行实时的调整(电机速度＝相位差*K1+b)，PLC的位置控制模块按照CPU发出的控制指令输出步进电机频率实时变化的脉冲给步进电机驱动器，电机正转，使超导腔频率变小，不断接近信号源频率，相位差信号也不断变小，腔压不断变大，继续检测相位差是否在±1°以内；同理，当-10°<相位差<-4°时，PLC CPU中梯形图程序根据相位差绝对值的大小对电机的速度进行实时的调整(电机速度＝相位差*K1+b)，PLC的位置控制模块按照CPU发出的控制指令输出步进电机频率实时变化的脉冲给步进电机驱动器，电机反转，继续检测相位差是否在±1°以内；本实用新型这种创新的电机速度处理方式可保证超导腔频率越来越慢的接近信号源频率，防止由于电机速度过快错过超导腔谐振点，提高了电机控制系统的控制精度。

当-6°<相位差<6°时，电机停止转动，压电陶瓷控制系统进行闭环工作，PLC的CPU将5#槽位模拟输入模块采集到的相位差信号依次经过CPU梯形图程序—PID控制指令的处理和模拟输出模块内部的低通滤波器的滤波处理后(如果没有PID和滤波处理，得到的相位差有很多高频分量，不是稳定的直流信号，且压电陶瓷高压也会波动很大，损坏压电陶瓷)，根据PLC12#槽位模拟输入模块采集到的超导腔腔压信号Vc，CPU在内存地址中通过公式计算(该电压值公式为：电压值＝相位差绝对值*K2+(Vc/Leff)^2*K3)向PLC模拟输出模块发出指令，使其发出经过公式计算后的模拟电压值，用于高压电源的高压输入，高压电源将该模拟电压信号放大100倍后加在压电陶瓷两端，压电陶瓷使超导腔的频率改变更加细微，分辨率更高，PID控制参数可以通过调谐器参数设置界面中相应对话框设置，当系统的响应速度较快且相位差波动范围小时，PID的参数为最佳，该参数的调节只能根据调试经验进行，不同的系统PID参数不同；高压电源输入电压值＝相位差绝对值*K2+(Vc/Leff)^2*K3公式中的后一项为本实用新型的创新处理，CPU中梯形图PID指令和滤波器的设置为了使相位差信号高频分量被滤去，处理后的直流电压比较稳定，提高控制精度，后一项是为了抵消洛伦兹失谐引起的超导腔频率变化而引入的前馈控制，压电陶瓷系统闭环之后相位差信号的控制精度达到±0.7°，其中K1＝167，b＝—667，在相位差+4°～+10°和-4°～-10°范围变化时，PLC位置控制模块输出的脉冲频率从0Hz线性变化到1000Hz，可根据该线性关系求解出K1和b值，K2＝0.005，该参数只是为了使CPU内存地址的数值转化为高压电源的电压值(V)，与模拟输出模块的量程有关，为固定值，K3为洛伦兹系数，随着超导腔的不同而改变，需要实际测量，以7#超导Spoke012腔为例，其洛伦兹系数K3＝10，Leff为有效加速长度，对于该超导腔Leff＝0.111。其中步进电机控制和压电陶瓷控制重叠区域为4°<相位差<6°和-6°<相位差<-4°。

当10°<相位差<45°时，PLC的位置控制模块输出电机速度为1000Hz的脉冲，电机正转；当-45°<相位差<-10°时，PLC的位置控制模块输出电机速度为1000Hz的脉冲，电机反转；同时不断检测相位差是否在±1°之间，如果相位差在±1°，则锁频成功，退出程序。当超导腔处于谐振状态，超导腔内电场幅度控制在±1％(峰峰值)且电场相位控制精度达到±1°时，PLC的TTL输出模块向中央控制室发出LLRF OK信号(即LLRF＝1)。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于PLC和触摸屏的超导腔调谐控制系统，其特征在于，包括一PLC基板，该PLC基板上设有PLC电源模块、CPU模块、位置控制模块、第一模拟输入模块、第二模拟输入模块、模拟输出模块、TTL输入模块；超导腔的入射功率射频信号引出端和超导腔内耦合出的射频信号引出端分别与一鉴相器的两输入端连接，该鉴相器的一输出端经一低通滤波器与第一模拟输入模块连接，该鉴相器的另一输出端与该TTL输入模块输入端连接，第二模拟输入模块与超导腔调谐位移传感器输出端和压电陶瓷高压电源模拟电压输入端连接，位置控制模块与超导腔调谐器的步进电机驱动器脉冲输入端连接，模拟输出模块与压电陶瓷高压电源模拟输入端连接，该CPU模块与一触摸屏单元连接；其中，

CPU模块，用于对各输入模块采集到的信号以及通过触摸屏输入的参数进行处理，生成控制信号发送到对应模块；

第一模拟输入模块，用于采集超导腔的鉴相器输出的相位差信号以及超导腔腔压信号发送给CPU模块，CPU模块根据相位差信号、超导腔腔压信号分别生成不同的脉冲频率指令发送给位置控制模块；

第二模拟输入模块，用于采集超导腔调谐器中步进电机位置传感器的电压信号、超导腔调谐器中压电陶瓷高压电源的输入信号发送给CPU模块，CPU模块根据该电压信号、超导腔调谐器中压电陶瓷高压电源的输入信号生成指令发送给模拟输出模块；

位置控制模块，用于根据CPU模块发出的指令生成脉冲信号，控制超导腔调谐器中步进电机转动频率、转动方向；

模拟输出模块，用于根据CPU模块发出的指令输出模拟电压信号给压电陶瓷高压电源，控制压电陶瓷伸长或者缩短的长度；

TTL输入模块，用于采集鉴相器根据超导腔的腔压幅度是否大于设定值而生成的信号并发送给CPU模块，CPU模块根据该信号生成指令发送给位置控制模块。

2.如权利要求1所述的基于PLC和触摸屏的超导腔调谐控制系统，其特征在于，模拟输入模块中设有一低通滤波器，用于对超导腔机械振荡信号的滤波。

3.如权利要求1所述的基于PLC和触摸屏的超导腔调谐控制系统，其特征在于，该CPU模块将相位差信号经一比例积分控制器和低通滤波器处理后发送给该模拟输出模块。

4.如权利要求1或2或3所述的基于PLC和触摸屏的超导腔调谐控制系统，其特征在于，CPU模块为顺控型CPU模块。

5.如权利要求1或2或3所述的基于PLC和触摸屏的超导腔调谐控制系统，其特征在于，该TTL输入模块，还用于采集调谐控制系统调谐信号和发射机开启信号并发送给CPU模块。

6.如权利要求1或2或3所述的基于PLC和触摸屏的超导腔调谐控制系统，其特征在于，还包括一TTL输出模块，用于采集CPU模块根据超导腔调谐器就绪信号、故障信号以及步进电机转动信号并发送给中央控制系统。

7.如权利要求1或2或3所述的基于PLC和触摸屏的超导腔调谐控制系统，其特征在于，还包括一继电器输入模块，用于采集步进电机位置上限位报警信号、步进电机位置下限位报警信号和步进电机驱动器工作正常信号并发送给CPU模块。