隨著工業(yè)化程度的提高，全球范圍內(nèi)的環(huán)境污染越來越引起人們的關(guān)注。空氣中硫化物和硝化物含量的逐年增加對(duì)人類的生存構(gòu)成威脅。對(duì)工業(yè)廢氣進(jìn)行脫硫脫硝現(xiàn)已有多種辦法，而現(xiàn)階段用高能電子束輻照煙氣是比較有效、科學(xué)的方法 。很多國家都在積極地研究。加速器是其中最關(guān)鍵的設(shè)備，其性能的好壞直接決定脫硫脫硝的效果。
1 加速器的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)
　　此類加速器屬于直流高壓加速器，交流380V/50Hz輸入電壓經(jīng)變頻器轉(zhuǎn)換為交流400HZ電壓給加速器初級(jí)線圈供電。次級(jí)線圈66個(gè)，每一個(gè)次級(jí)輸出電壓經(jīng)過倍壓整流后串聯(lián)，產(chǎn)生幾兆伏的直流高壓，由級(jí)聯(lián)高壓系統(tǒng)產(chǎn)生的電場(chǎng)用于加速電子。通過調(diào)解變頻器的交流輸出電壓(即改變初級(jí)線圈電壓)可達(dá)到改變能量或穩(wěn)定能量的目的。束流強(qiáng)度通過燈絲進(jìn)行調(diào)控。整個(gè)系統(tǒng)的滯后性比較嚴(yán)重，因此要求系統(tǒng)的可靠性要高。整個(gè)系統(tǒng)及其控制如圖1所示。

　　加速器主要由八部分組成：①供電系統(tǒng)；②高壓系統(tǒng)；③電子槍、加速管系統(tǒng)；④束流引出系統(tǒng)；⑤真空系統(tǒng)；⑥絕緣氣體系統(tǒng)；⑦冷卻系統(tǒng)；⑧計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
2 硬件設(shè)計(jì)
　　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制加速器及其相關(guān)設(shè)備，控制系統(tǒng)組成原理圖如圖2所示。

　　根據(jù)加速器的特點(diǎn)，要求控制系統(tǒng)長時(shí)間安全可靠地運(yùn)行，以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境并具有強(qiáng)的抗電磁干擾能力，因而我們采用集散控制系統(tǒng)，降低了故障危險(xiǎn)。如果一個(gè)控制站" title="控制站">控制站發(fā)生故障不能正常工作，此信號(hào)會(huì)被別的控制站采集到而采取應(yīng)急措施，避免了因故障而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。每一個(gè)控制站都有一套完整的控制、監(jiān)測(cè)、報(bào)警功能。
　　在整個(gè)控制系統(tǒng)中，我們采用研華586工控機(jī)作為上位機(jī)，執(zhí)行對(duì)下位機(jī)的管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、發(fā)布啟動(dòng)和關(guān)機(jī)命令、修改控制參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)、記錄等功能；下位機(jī)采用可編程序控制器(PLC)作為本地控制站。本系統(tǒng)有四個(gè)PLC本控站，分別是：束流穩(wěn)定系統(tǒng)" title="穩(wěn)定系統(tǒng)">穩(wěn)定系統(tǒng)本控站(PLC1)、能量穩(wěn)定系統(tǒng)本控站(PLC2)、引出系統(tǒng)本控站(PLC3)和輔助聯(lián)鎖本控站(PLC4)。工控機(jī)通過PC/PPI電纜(包括RS232/485轉(zhuǎn)換口)實(shí)現(xiàn)PPI通訊。PC/PPI電纜的RS232端接到工控機(jī)的通訊口(COM1或COM2)，各本控站進(jìn)行簡(jiǎn)單并聯(lián)即可。
　　我們采用德國西門子公司的PLC作為本控站，其CPU為216，用戶程序大小4K字節(jié)，用戶數(shù)據(jù)大小2.5K 字節(jié)，支持的數(shù)字量I/O為64輸入/64輸出，模擬輸入可擴(kuò)展到 31路，模擬輸出可擴(kuò)展到31路，128個(gè)中斷，中斷事件28個(gè)，PID回路7個(gè)。每個(gè)本控站使用的I/O擴(kuò)展模塊不完全相同。
2.1 束流穩(wěn)定控制站
　　束流穩(wěn)定工作原理圖如圖3所示。

　　首先通過取樣電阻R_S采得最后次級(jí)線圈上的電流信號(hào)(此信號(hào)代表電子束流大小)，束流信號(hào)送到PLC1的模擬輸入端，經(jīng)過PLC1的比較、PID回路的運(yùn)算后，由PLC1的模擬輸出端給出控制信號(hào)，經(jīng)運(yùn)放、光電隔離裝置，去控制電子槍中的燈絲電流，構(gòu)成閉環(huán)回路。而且束流信號(hào)與最大" title="最大">最大電流設(shè)定進(jìn)行比較，如果束流信號(hào)超過最大設(shè)定，由硬件給出保護(hù)信號(hào)。為保證電子槍的使用壽命，盡量減少束流的過調(diào)量和最快地使束流穩(wěn)定在給定值上，PID常數(shù)能在控制下做優(yōu)化切換，并設(shè)有保護(hù)功能。
2.2 能量穩(wěn)定控制站
　　能量穩(wěn)定系統(tǒng)工作原理圖如圖4所示。

　　通過分壓電阻R_H取得的束流能量E0的分壓值，被送到PLC2的模擬輸入端，經(jīng)過PLC2的比較、PID回路的運(yùn)算，最后由PLC2的模擬輸出端給出控制信號(hào)；此信號(hào)控制變頻器的輸出電壓，改變初級(jí)線圈上的電壓值，達(dá)到穩(wěn)定能量的目的。同樣，從R_H上取得的電壓值與最大能量設(shè)定進(jìn)行比較，由硬件給出保護(hù)信號(hào)。
2.3 束流引出系統(tǒng)控制站
　　該系統(tǒng)的主要作用是保證束流均勻穿越鈦箔進(jìn)入輔照加工物品，不致使束流過于集中在鈦箔的局部區(qū)域，造成鈦箔燒毀或壽命降低。該系統(tǒng)還可以使進(jìn)入空氣后的電子按所需要的軌跡運(yùn)動(dòng)，以滿足一些特殊的輔照工藝要求。控制電子在X、Y兩個(gè)方向掃描，高頻掃描(Y)頻率：1800Hz；低頻掃描(X)頻率：100～120Hz。給偏轉(zhuǎn)線圈提供三角波電流，控制束流軌跡，使之在鈦箔上均勻掃描。
2.4 輔助聯(lián)鎖系統(tǒng)控制站
　　為了人員和設(shè)備的絕對(duì)安全，該系統(tǒng)有兩種工作模式：硬件工作模式和軟件工作模式。在硬件工作模式下，系統(tǒng)通過自身的邏輯電路，分析各個(gè)相關(guān)設(shè)備、系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并根據(jù)結(jié)果輸出相應(yīng)信號(hào)來直接關(guān)閉加速器，或禁止啟動(dòng)加速器。另一種模式是軟件工作模式。該系統(tǒng)還設(shè)置有專門的打火分析系統(tǒng)，以便在加速器出現(xiàn)打火時(shí)能及時(shí)加以保護(hù)。
3 軟件設(shè)計(jì)
　　控制軟件分為三層：操作員層、通訊層和現(xiàn)場(chǎng)控制層。在人機(jī)交互界面這部分，采用Kingview5.0作為操作界面的編程軟件。它運(yùn)行于WIN95/98NT平臺(tái)，是32位程序、實(shí)時(shí)多任務(wù)、多線程、支持國內(nèi)外31種PLC。軟件包括工藝流程圖動(dòng)態(tài)顯示、操作顯示、參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、修改參數(shù)、控制命令發(fā)布、報(bào)警并打印報(bào)表等功能。
3.1 束流穩(wěn)定系統(tǒng)
　　此系統(tǒng)要求能實(shí)時(shí)控制束流大小，是通過精確控制電子槍燈絲電流來實(shí)現(xiàn)的。不允許燈絲電流超過其最大值、實(shí)時(shí)采集束流大小，進(jìn)行PID運(yùn)算(包含比例、積分、微分回路)，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。為了能讓數(shù)字計(jì)算機(jī)處理PID控制，連續(xù)算式必須離散化處理。計(jì)算機(jī)處理的PID算式如下：
　　Mn＝Kc×En＋KI×En＋MX＋KD×(En－En－1)
　　輸出＝比例項(xiàng)＋積分項(xiàng)＋微分項(xiàng)
　　其中：
　　Mn——第n次采樣時(shí)刻的計(jì)算值
　　KC——PID回路比例項(xiàng)增益
　　En——第n 次采樣時(shí)刻的偏差值(是給定值與過程變量值之差)
　　En－1——第n－1次采樣時(shí)刻的偏差值
　　KI——積分項(xiàng)比例常數(shù)
　　MX——積分項(xiàng)前值(在第n－1采樣時(shí)刻的積分值)
　　KD——微分項(xiàng)比例常數(shù)
　　調(diào)用中斷事件號(hào)2(即I0.1上升沿)控制束流值越界。正常工作時(shí)，I0.1為低電平，通過硬件比較束流值是否超過最大設(shè)定值；如超過最大值，硬件給出一高電平，并接到I0.1輸入端口。這樣就可以快速調(diào)用中斷程序。部分程序如下：
　　LD SM0.0 //定義始能端
　　ATCH 0、2 //定義中斷程序0為處理I0.1上升沿中斷2的中斷程序
　　ENI //全局允許中斷
　　LD SM5.0
　　DTCH 2 //如果發(fā)現(xiàn)I/O錯(cuò)誤，禁止I0.1上升沿中斷
　　LD M5.0
　　DISI //當(dāng)M5.0為ON時(shí)，禁止所有中斷
　　... ...
　　MEND
　　INT 0 //中斷程序0
　　... ...
　　RETI
3.2 能量穩(wěn)定系統(tǒng)
　　為增加程序的可讀性，采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)。主程序如下：
　　LD SM0.1
　　CALL 0 //調(diào)用初始化子程序" title="子程序">子程序
　　LD I0.1 //判定控制使能端
　　CALL 1 //調(diào)用能量穩(wěn)定子程序
　　LDN I0.1
　　CALL 2 //調(diào)用電壓穩(wěn)定子程序
　　CALL 3 //調(diào)用中斷子程序
　　END
　　在初始化子程序中，首先要檢測(cè)系統(tǒng)是否正常工作，如不能正常工作，給出故障信號(hào)使加速器不能加高壓。然后給出初始化運(yùn)行的各種參數(shù)。
　　在能量穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定子程序中，都要進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出模擬控制量，其過程類似于束流穩(wěn)定系統(tǒng)。中斷子程序起到快速處理故障作用。
　　在所有的系統(tǒng)中，都要采集外設(shè)信號(hào)。為了能讀到正確的信號(hào)、最大可能地減少干擾，同時(shí)考慮到控制的實(shí)時(shí)性，須對(duì)信號(hào)進(jìn)行多次采樣(一般來說采樣5～10次可滿足要求)。