WinCC在40T混合磁體低溫分配閥箱控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

(中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心)

WinCC在40T混合磁體低溫分配閥箱控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

方 明 歐陽(yáng)崢嶸 周辰飛

(中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心)

介紹40T混合磁體低溫分配閥箱的工藝流程，給出控制系統(tǒng)中基于WinCC 7.3 的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)和畫(huà)面窗口實(shí)現(xiàn)方法。以閥箱入口氦氣主流量FI122為例，首先通過(guò)注冊(cè)表文件方式保存氦氣數(shù)據(jù)，Visual Basic程序與WinCC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，然后調(diào)用注冊(cè)表文件中的氦氣密度，最后通過(guò)公式即可計(jì)算出氦氣的實(shí)時(shí)流量。計(jì)算結(jié)果表明：該方法改進(jìn)了原方法精度低和局限性大的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了氦氣流量的實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示。

人機(jī)交互 低溫分配閥箱 混合磁體 氦氣流量 畫(huà)面窗口 WinCC 7.3

強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)為化學(xué)、材料、物理、生命科學(xué)和多學(xué)科交叉研究提供理想穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)極端實(shí)驗(yàn)條件的裝置，可最大程度地滿(mǎn)足我國(guó)多學(xué)科前沿發(fā)展對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件的需求[1]。40T穩(wěn)態(tài)混合磁體實(shí)驗(yàn)裝置是穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的核心裝置，由30T內(nèi)水冷磁體和10T外超導(dǎo)磁體嵌套而成[2]。其中，外超導(dǎo)磁體采用Nb3Sn為超導(dǎo)材料的導(dǎo)管電纜，使用壓力為500kPa、溫度為4.5K、流量為18g/s的超臨界氦進(jìn)行冷卻。低溫分配閥箱作為連接制冷機(jī)和混合磁體的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)將超臨界氦供給混合磁體外超導(dǎo)磁體各線(xiàn)圈，保證超導(dǎo)線(xiàn)圈在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持持續(xù)超導(dǎo)狀態(tài)。低溫分配閥箱控制系統(tǒng)以西門(mén)子315-2DP PLC為控制核心，通過(guò)擴(kuò)展模塊將系統(tǒng)壓力、溫度、流量及液位等數(shù)據(jù)采集到PLC中，通過(guò)邏輯運(yùn)算、條件判斷等方式來(lái)控制系統(tǒng)中的閥門(mén)和真空泵。在整個(gè)控制過(guò)程中，人機(jī)交互界面作為監(jiān)視和控制的前端界面，需具備數(shù)據(jù)處理、歸檔記錄及與西門(mén)子PLC穩(wěn)定通信等功能，所以筆者選用西門(mén)子WinCC 7.3作為系統(tǒng)的監(jiān)控組態(tài)軟件。

1 低溫分配閥箱的工藝流程

1.1超臨界氦循環(huán)

低溫分配閥箱內(nèi)部管路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示?；旌洗朋w勵(lì)磁過(guò)程中超臨界氦循環(huán)回路的工作過(guò)程為：制冷機(jī)中的冷氦氣從入口閥FCV011B進(jìn)入系統(tǒng)，由過(guò)冷槽換熱后降溫為4.5K左右的超臨界氦，然后進(jìn)入混合磁體外超導(dǎo)磁體4個(gè)線(xiàn)圈進(jìn)行降溫；降溫后，線(xiàn)圈A的出口冷氦氣經(jīng)過(guò)電流引線(xiàn)1，線(xiàn)圈B的出口冷氦氣經(jīng)過(guò)電流引線(xiàn)2，之后兩者與C線(xiàn)圈出口合并；線(xiàn)圈D的出口冷氦氣繼續(xù)冷卻支撐和框架，之后與前3股氦氣合并；總回氣經(jīng)節(jié)流閥FCV006節(jié)流成4.2K的液氦并儲(chǔ)存在過(guò)冷槽中，蒸發(fā)的氦氣部分經(jīng)回氣閥FCV008回到制冷機(jī)或壓縮機(jī)的低壓端。

1.2預(yù)冷和降溫

低溫分配閥箱在向混合磁體內(nèi)超導(dǎo)磁體穩(wěn)定輸出超臨界氦之前，要經(jīng)過(guò)20天左右的循環(huán)降溫期，包括80K以上的預(yù)冷階段和80K以下的降溫階段。以80K為區(qū)分點(diǎn)是因?yàn)閮蓚€(gè)階段的冷源不同，預(yù)冷階段的冷源是液氮，而降溫階段的冷源是液氮和制冷機(jī)。

預(yù)冷開(kāi)始時(shí)，經(jīng)液氮降溫后的冷氦氣經(jīng)閥門(mén)FCV011B進(jìn)入系統(tǒng)，熱氦氣經(jīng)閥門(mén)FCV016進(jìn)入系統(tǒng)。為保證磁體線(xiàn)圈出入口的溫差不大于50K，進(jìn)入低溫分配閥箱系統(tǒng)的氦氣溫度變化速率也需要控制。為此，筆者分別控制閥門(mén)FCV016和FCV011B的開(kāi)度，從而將系統(tǒng)入口氦氣的降溫速率控制在一定范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)控制的氦氣與過(guò)冷槽換熱后進(jìn)入混合磁體，回氣合并后經(jīng)閥門(mén)FCV008B回制冷機(jī)或壓縮機(jī)。

圖1 低溫分配閥箱內(nèi)部管路結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)混合磁體線(xiàn)圈回氣溫度的低溫為80K時(shí)，進(jìn)入降溫階段，此時(shí)液氮冷量已經(jīng)不夠，需要啟動(dòng)制冷機(jī)透平，以進(jìn)一步降低低溫分配閥箱的進(jìn)氣溫度。

2 基于WinCC的界面設(shè)計(jì)

2.1低溫分配閥箱控制界面

低溫分配閥箱控制系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是基于WinCC 7.3監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)的[3]。

低溫分配閥箱控制界面如圖2所示，其中，主體部分是低溫分配閥箱的內(nèi)部管路圖，閥箱右邊是給閥箱內(nèi)部抽真空的真空系統(tǒng)管路圖。該界面中，所有閥門(mén)的開(kāi)度都在閥門(mén)邊實(shí)時(shí)顯示，所有溫度、壓力和液位也都在管路對(duì)應(yīng)位置實(shí)時(shí)顯示。

2.2界面窗口實(shí)現(xiàn)方法

在低溫分配閥箱主界面點(diǎn)擊閥門(mén)或其開(kāi)度就可以打開(kāi)閥門(mén)的控制界面，這是通過(guò)畫(huà)面窗口實(shí)現(xiàn)的。以FCV007控制窗口為例，實(shí)現(xiàn)其畫(huà)面窗口的代碼如下：

Sub OnLButtonDown(ByVal Item,ByVal Flags,ByVal x,ByVal y)

Dim D′定義變量D

Set D=ScreenItems(“畫(huà)面窗口1”)′變量D定義為畫(huà)面窗口1

D.PictureName=“Fmodule.PDL”′畫(huà)面窗口1的畫(huà)面名稱(chēng)為Fmoudle.PDL

D.Visible=0′將畫(huà)面窗口1隱藏

D.CaptionText=“FCV007”′畫(huà)面窗口1標(biāo)題欄名稱(chēng)為FCV007

D.TagPrefix=“FCV007.”′畫(huà)面窗口1中所有變量的前綴都為FCV007.

End Sub

代碼編寫(xiě)完成后點(diǎn)擊窗口上部的“語(yǔ)法檢查”，確認(rèn)VB語(yǔ)法無(wú)錯(cuò)誤后，點(diǎn)擊“確定”保存并退出。同樣的方法編輯“釋放左鍵”VBS動(dòng)作編輯窗口，其代碼如下：

圖2 低溫分配閥箱控制界面

Sub OnLButtonDown(ByVal Item,ByVal Flags,ByVal x,ByVal y)

Dim D′定義變量D

Set D=ScreenItems(“畫(huà)面窗口1”)′變量D定義為畫(huà)面窗口1

D.Left=1060′畫(huà)面窗口1位置的橫坐標(biāo)

D.Top=380′畫(huà)面窗口1位置的縱坐標(biāo)

D.Visible=1′顯示畫(huà)面窗口1

End Sub

語(yǔ)法檢查后保存并退出。

為了將FCV007的控制窗口顯示在FCV007閥門(mén)邊上，在腳本中可以定義控制窗口的顯示坐標(biāo)。多個(gè)閥門(mén)的控制窗口可以共用同一個(gè)畫(huà)面窗口，不同的閥門(mén)在調(diào)用畫(huà)面窗口時(shí)只需將“按左鍵”腳本中的變量前綴和標(biāo)題欄名稱(chēng)更改即可，同時(shí)將窗口顯示坐標(biāo)更改在對(duì)應(yīng)閥門(mén)邊上。

3 氦氣流量計(jì)算

由于氦氣在不同溫度和不同壓力下的密度是不同的，密度不同流量也不同，所以閥箱管道內(nèi)氦氣流量的計(jì)算是難點(diǎn)。原方法是以0.1K為溫度分度，以0.1bar(1bar=100kPa)為壓力分度，將不同條件下的密度查詢(xún)出來(lái)。在PLC程序中，將查詢(xún)到的密度與對(duì)應(yīng)的溫度、壓力建表，然后通過(guò)查表的方式來(lái)確定不同條件下的密度值，最后將密度值和壓差值代入公式計(jì)算當(dāng)前氦氣流量。該方法計(jì)算結(jié)果精度較低，局限性較大，當(dāng)溫度或壓力超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)，密度值就無(wú)法通過(guò)查表方式得出，進(jìn)而無(wú)法計(jì)算當(dāng)前流量值。

為了解決上述方法存在的問(wèn)題，筆者采用注冊(cè)表文件的方式保存了氦氣在不同工況下的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，用Visual Basic程序與WinCC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)時(shí)查詢(xún)當(dāng)前工況下的氦氣密度，并根據(jù)公式計(jì)算出該工況下的流量。Visual Basic程序通過(guò)Microsoft Visual Basic 6.0編寫(xiě)，流量計(jì)算程序界面如圖3所示。

系統(tǒng)共有7個(gè)氦氣流量測(cè)量點(diǎn)，筆者以閥箱入口氦氣主流量FI122為例介紹計(jì)算過(guò)程。首先根據(jù)該測(cè)量點(diǎn)的壓力值PT106和溫度值TT135，通過(guò)調(diào)用注冊(cè)表文件讀取此時(shí)的密度值。然后通過(guò)Visual Basic程序?qū)⒑庠诋?dāng)前壓力和溫度下的密度調(diào)取出來(lái)，則氦氣流量G的計(jì)算式為：

式中At——截面積，m2；

Cd——流量系數(shù)；

Δp——壓差，Pa；

β——上流直徑比；

ρ——液體密度，kg/m3。

相應(yīng)的流量計(jì)算程序如下：

Dim PDI122,FI122,Cd1,At1,Beta1,As Double

PDI122=WinCC.GetValue(PDI122_Item.Text)′獲取WinCC中的壓差值PDI122

FI122=1000*Cd1*At1*Sqr((2*FI122_Den*PDI122)/(1-Beta1*Beta1*Beta1*Beta1))′計(jì)算流量

Call WinCC.SetValue(FI122_Item.Text,FI122)′將計(jì)算出的流量值寫(xiě)入WinCC對(duì)應(yīng)的變量中

圖3 流量計(jì)算程序界面

通過(guò)該方法可實(shí)現(xiàn)任何工況下多個(gè)氦氣流量的實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示，改進(jìn)了原方法工況范圍小和精度低的缺點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者介紹了混合磁體低溫分配閥箱控制系統(tǒng)中WinCC 7.3的應(yīng)用及其實(shí)現(xiàn)的功能(人機(jī)界面)，并對(duì)畫(huà)面窗口的實(shí)現(xiàn)方法做了詳細(xì)介紹。針對(duì)氦氣在不同溫度、壓力下密度不同的特性，通過(guò)Visual Basic程序調(diào)用注冊(cè)表文件再與WinCC交換數(shù)據(jù)的方式，完成了閥箱管道中氦氣流量的計(jì)算?？梢?jiàn)，WinCC 7.3作為組態(tài)軟件，具有良好的功能性和完整性，與西門(mén)子PLC的數(shù)據(jù)交換也具有較高的穩(wěn)定性。

[1] 仇文君,歐陽(yáng)崢嶸.基于PLC的SHMFF磁體冷卻水水溫控制系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2016,43(12):1248～1252.

[2] 閆俊,歐陽(yáng)崢嶸,李洪強(qiáng).混合磁體超導(dǎo)線(xiàn)圈低溫傳輸線(xiàn)冷屏的設(shè)計(jì)與分析[J].低溫與超導(dǎo),2013,41(4):22～24.

[3] 蘇昆哲.深入淺出西門(mén)子WinCC V6[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

WinCCApplicationinControlSystemfor40THybridMagnetCryogenicDistributionValveBox

FANG Ming, OUYANG Zheng-rong, ZHOU Chen-fei

(HighMagneticFieldofLaboratoryoftheChineseAcademyofSciences)

The technical process of 40T hybrid magnet’s cryogenic distribution valve box was introduced, including the design of human-computer interaction interface based on WinCC 7.3 and implementation of the picture window. Taking the helium gas flow(FI122) at the valve box’s entrance as an example, saving the data by registry file and exchanging the data between Visual Basic program and WinCC and then calling the helium data in registry file to calculate the helium gas’ real-time flow with formula were implemented. The calculation results show that, this method can improve precision and limitations of the original method and it can realize the real-time calculation and display of helium gas flow.

human-computer interaction, cryogenic distribution valve box, hybrid magnet, helium gas flow, picture window, WinCC 7.3

方明(1989-)，工程師，從事去離子水系統(tǒng)維護(hù)和低溫控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作，fangming4230@163.com。

TH862+.7

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1000-3932(2017)11-1048-04

2017-07-06，

2017-09-13)