中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)^[1]是中国“十二五”期间重点建设的大科学装置之一，是一个国际前沿的高科技多学科应用大型研究平台。此外，CSNS在国内首次采用25 Hz快循环同步加速器(Rapid Cycling Synchrotron, RCS)作为其主加速器来完成对质子束流的加速。相应的，对环电源系统各方面性能提出了更高的要求。

根据设计要求，CSNS/RCS的6套主磁铁电源需要输出带直流偏置的正弦波形电流，其中主二极磁铁励磁电流峰值最大，其工作电流满足函数关系1230+880sin(ωt)，其中：ω=2πf，f=25 Hz，电源输出最大峰值电压约6 kV，6套电源总功耗将达到约7.7 MW。此外，谐振电源系统共涉及超过95块磁铁、20套谐振电抗器、谐振电容器等设备，累计共319路数字信号、118路模拟信号需要进行监测。这就给系统硬件布局带来了一定困难，一方面需要仔细核对线路接线的准确性，另一方面在有限的机箱内对如何优化整体布局提出了更高的要求；此外，软件程序也需要尽量简化，从而提高系统响应速度。因此，能否实时、准确地反映相关设备的工作状态，并及时、有效地保护相应设备的安全显得尤为重要。

根据上述要求，该保护系统实现的主要功能为：实时采集、显示相关设备的状态信息，完成对信息的处理、判断，并及时将反映设备状态的信号发送至对应的电源。为保证系统的可靠性和长时间运行的稳定性，我们选择可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)作为保护系统的控制器，系统简要结构如图 1所示。

图 1

图 1 谐振保护系统简要结构图 Figure 1 Brief structure of the resonance protection system.

该系统由数据采集单元完成初始信号的采集，包括319路数字量信号以及118路模拟量信号（表 1）；经由信号调理单元后送入PLC，由PLC完成对信号的处理并作出判断，将判断结果输出至对应电源设备，同时，由触摸屏负责显示调理之后的信息以及故障查询、系统复位等相应操作。

表 1

表 1 保护信号明细 Table 1 Details of the protection signals. 信号名称Name 信号数量Quantity 磁铁温度（数字量）Magnet temperature signals (digital) 95 磁铁水流量（数字量）Magnet cooling water signals (digital) 79 谐振电抗器保护信号（数字量）Protection signals of resonant choke (digital) 保护系统自检信号（数字量）Self-testing signals (digital) 谐振电容器电流（模拟量）Current of resonant capacitor (analog) 谐振电抗器油温（模拟量）Oil temperature of resonant choke (analog) 谐振电抗器副边感应电压（模拟量）Induced voltage of resonant choke (analog) 140 5 78 20 20

表 1 保护信号明细 Table 1 Details of the protection signals.

PLC控制器是本套保护系统的核心，所选择的PLC组件需要满足输入量要求，且质量可靠，并能够长期稳定的运行。经对比考察，决定使用德国Siemens公司的产品^[2]：CPU模块314C-2 PN/DP，支持PROFINET IO设备以及控制器，最大支持124组DP从站，自身集成了24路数字量输入通道、5路模拟量输入通道，以及16路数字量输出通道（该保护系统需要为12台电源提供谐振单元状态信号，以及保护系统自身所需4个状态指示灯）；扩展模块

选用IM153-4PN，支持PROFINET协议，每个最多可扩展12组输入模块；数字量输入模块选用SM321系列中集成32通道模块；模拟量输入模块选用SM331系列中采用“瞬时值转换”作为模拟值转换方式的产品，其每通道基本转换时间约为52 μs。

人机交互界面，并未选择Siemens公司触摸屏，而是选择中国台湾威纶通公司生产的MT8150iE型号触摸屏。该触摸屏功能丰富，程序编写简便，且支持以太网通信的方式与PLC设备连接（Siemens产品需要使用特定的数据线通讯），避免了通讯线损坏又无备件的突发情况所带来的不便，有效提高了保护系统可靠性。

对于数字量信号，其当前状态可以直接作为输入，由PLC进行判断，但是对于118路模拟量信号而言，PLC并不支持原始数据的读取。其中包括电流信号、电压信号、温度信号需要进行调理，将其转换成有效值（篇幅所限，有关信号调理、有效值计算电路此处不做详述）之后，PLC才能够进行识别。再通过PLC内部程序判断当前信号状态，并将各电源设备全部负载状态汇总后进行输出，同时由触摸屏完成全部信号状态的显示，以及故障查询、系统复位等功能，硬件结构如图 2所示。此外，在信号调理板接收信号处（输入端）以及PLC输出故障信号处，均加设隔离用继电器，从而避免PLC、人机交互界面(Human Machine Interface, HMI)等设备因异常电压导致损坏。

图 2

图 2 保护系统硬件结构原理图 Figure 2 Hardware structure of the protection system.

CSNS/RCS谐振保护系统软件部分包括PLC程序编写以及人机交互界面HMI的开发。其中，PLC负责完成对当前输入信号的调理、判断，HMI负责显示负载网络设备状态，并兼具记录、查询等功能。

对于PLC^[3-8]根据Siemens公司相关技术手册，结合CSNS/RCS保护系统实际需求，完成相关程序的编写，其软件程序流程图如图 3所示。

图 3

图 3 PLC程序流程图 Figure 3 Flow diagram of the program of PLC.

其中数字量信号的判断依照常规方法，根据当前常开/常闭触点状态进行判断，此处不再赘述；而对于模拟量信号，需要经过信号调理、有效值转换等处理，转化为0-10 V整型数据后再输入PLC。中间的电压信号可直接用来显示谐振网孔端电压；而温度信号、电流信号需要首先完成整型到浮点型数据类型的转换，再进行加减、比较等运算。例如，谐振电抗器油面温度信号介于85-95 ℃时，保护系统报警（黄色指示灯亮）但不发送故障信号，当油面温度高于95 ℃时，向相关电源发送故障信号；而对于谐振电容器电流信号而言，则通过比较同一组谐振电容器两支路电流差值的大小（理想状态两支路均流）判断其内部是否有电容损坏，从而实现对谐振电容器的保护。

对于PLC程序的编写，在避免语句冗余的同时，亦要尽量减少中间变量的使用，以尽可能减少程序循环时间。此外，当系统循环周期过大时，需要增加合适的循环中断块，以减少判断语句执行的周期，从而尽可能提高系统响应速度。

为避免系统意外掉电对保护系统输出信号状态的影响，需要定义输出信号高电平为正常，低电平为故障。并依此设计复位功能键的键值，从而保证系统复位功能的使用不会对正在运行的其他设备造成影响。此外，为了有效地保证设备以及人身安全，需要对全部保护信号进行锁存，只有当故障排查完毕、工作人员确认并手动复位后，对应电源才能获得开机权限。

对于HMI^[9]，坚持易用性原则(Keep It Simple and Stupid, KISS)与实用性原则，正确显示设备状态的同时，兼具数据记录、故障查询以及辅助PLC完成系统复位等功能。其中，数字量信号使用色彩对比鲜明的指示灯表示当前状态；模拟量信号根据PLC寄存器内数值以及信号调理比例关系进行折算后显示。此外，针对谐振电抗器油面温度，需进行记录并显示温度变化曲线，以了解设备运行状态，以及温度变化对谐振网络整体性能的影响。

对于数字量信号，采用输入点“接通-断开”的方法，逐一测试319路信号，利用触摸屏显示状态判断测试结果。对于118路模拟量信号，利用15 V直流稳压电源，通过调节其输出电压值，逐一观测触摸屏上对应信号的变化情况。目前，全部信号均通过测试，测试平台如图 4所示，根据系统接线图纸，检测对应信号状态，其中直流稳压电源作为模拟量信号输入源使用。

图 4

图 4 保护信号测试平台 Figure 4 Test platform of the protection signals.

对于CSNS/RCS负载网络而言，设备的损坏是一个热积累的过程，理论上磁铁等设备在断水等故障情况下可承受满功率运行时间以秒为单位计算。再结合RCS电源系统自身特点，要求保护系统能够在电源运行一个周期内（即40 ms）完成对故障信号的检测、上报。

系统响应时间包括PLC程序执行时间以及系统硬件工作时间，其中硬件工作时间主要由继电器状态切换时间决定。

对于程序执行时间而言，可以利用博途v13软件自带功能，通过在线观测的方式得到，经测试该保护系统程序最长循环时间为4 ms，最短循环时间为1 ms。

理论上，对响应时间要求较高的情况，系统需要增加循环中断以强制系统固定时间对当前信号状态进行判断，从而减少因程序执行过长而导致系统不能及时上报的问题。从测试结果可以看到，该程序执行时间在完成优化后小于系统最短循环中断时间（OB38程序块——10 ms循环中断），因此对于该套保护系统并不需要增加循环中断。

对于系统总的故障响应时间，通过人为制造随机故障，利用示波器检测从故障发生到系统输出故障信号所需要的时间，如图 5所示。其中，Channel 1为故障信号，Channel 2为系统输出信号。

图 5

图 5 保护系统故障相应时间测试 Figure 5 Test of the protection system's responsive time.

可以看到，该套保护系统总的故障相应时间约为16 ms。保护系统整机照片如图 6所示。

图 6

图 6 保护系统实际效果图 Figure 6 Actual effect picture of the protection system.

本文根据散裂中子源快循环同步加速器负载网络的实际要求，设计了一种基于PLC控制器的保护系统。通过对采集到的数字量信号、模拟量信号进行处理、判断，及时将负载端设备运行状态上报给相应电源，保证设备、人身安全。此外，通过对保护系统硬件布局的优化，使保护系统具备易维护技术特点的同时，系统也预留了将PLC模块升级为FPGA芯片为控制系统的空间，为系统后续升级改造，实现更多功能提供了前提条件。目前，该套保护系统也已完成对全部信号的测试工作，均满足实际要求。同时，在保证系统长期稳定、可靠工作的前提下，系统对于故障相应的时间也已达到最优状态。目前该保护系统已投入试运行阶段，并发挥了良好的保护作用。