WinCC在40T混合磁体低温分配阀箱控制系统中的应用

(中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心)

WinCC在40T混合磁体低温分配阀箱控制系统中的应用

方 明 欧阳峥嵘 周辰飞

(中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心)

介绍40T混合磁体低温分配阀箱的工艺流程，给出控制系统中基于WinCC 7.3 的人机交互界面设计和画面窗口实现方法。以阀箱入口氦气主流量FI122为例，首先通过注册表文件方式保存氦气数据，Visual Basic程序与WinCC进行数据交换，然后调用注册表文件中的氦气密度，最后通过公式即可计算出氦气的实时流量。计算结果表明：该方法改进了原方法精度低和局限性大的缺点，实现了氦气流量的实时计算和显示。

人机交互 低温分配阀箱 混合磁体 氦气流量 画面窗口 WinCC 7.3

强磁场实验装置是一个为化学、材料、物理、生命科学和多学科交叉研究提供理想稳态强磁场极端实验条件的装置，可最大程度地满足我国多学科前沿发展对强磁场实验条件的需求[1]。40T稳态混合磁体实验装置是稳态强磁场实验装置的核心装置，由30T内水冷磁体和10T外超导磁体嵌套而成[2]。其中，外超导磁体采用Nb3Sn为超导材料的导管电缆，使用压力为500kPa、温度为4.5K、流量为18g/s的超临界氦进行冷却。低温分配阀箱作为连接制冷机和混合磁体的关键部分，负责将超临界氦供给混合磁体外超导磁体各线圈，保证超导线圈在实验过程中保持持续超导状态。低温分配阀箱控制系统以西门子315-2DP PLC为控制核心，通过扩展模块将系统压力、温度、流量及液位等数据采集到PLC中，通过逻辑运算、条件判断等方式来控制系统中的阀门和真空泵。在整个控制过程中，人机交互界面作为监视和控制的前端界面，需具备数据处理、归档记录及与西门子PLC稳定通信等功能，所以笔者选用西门子WinCC 7.3作为系统的监控组态软件。

1 低温分配阀箱的工艺流程

1.1超临界氦循环

低温分配阀箱内部管路结构示意图如图1所示。混合磁体励磁过程中超临界氦循环回路的工作过程为：制冷机中的冷氦气从入口阀FCV011B进入系统，由过冷槽换热后降温为4.5K左右的超临界氦，然后进入混合磁体外超导磁体4个线圈进行降温；降温后，线圈A的出口冷氦气经过电流引线1，线圈B的出口冷氦气经过电流引线2，之后两者与C线圈出口合并；线圈D的出口冷氦气继续冷却支撑和框架，之后与前3股氦气合并；总回气经节流阀FCV006节流成4.2K的液氦并储存在过冷槽中，蒸发的氦气部分经回气阀FCV008回到制冷机或压缩机的低压端。

1.2预冷和降温

低温分配阀箱在向混合磁体内超导磁体稳定输出超临界氦之前，要经过20天左右的循环降温期，包括80K以上的预冷阶段和80K以下的降温阶段。以80K为区分点是因为两个阶段的冷源不同，预冷阶段的冷源是液氮，而降温阶段的冷源是液氮和制冷机。

预冷开始时，经液氮降温后的冷氦气经阀门FCV011B进入系统，热氦气经阀门FCV016进入系统。为保证磁体线圈出入口的温差不大于50K，进入低温分配阀箱系统的氦气温度变化速率也需要控制。为此，笔者分别控制阀门FCV016和FCV011B的开度，从而将系统入口氦气的降温速率控制在一定范围内。经过控制的氦气与过冷槽换热后进入混合磁体，回气合并后经阀门FCV008B回制冷机或压缩机。

图1 低温分配阀箱内部管路结构示意图

当混合磁体线圈回气温度的低温为80K时，进入降温阶段，此时液氮冷量已经不够，需要启动制冷机透平，以进一步降低低温分配阀箱的进气温度。

2 基于WinCC的界面设计

2.1低温分配阀箱控制界面

低温分配阀箱控制系统的上位机监控系统是基于WinCC 7.3监控软件开发的[3]。

低温分配阀箱控制界面如图2所示，其中，主体部分是低温分配阀箱的内部管路图，阀箱右边是给阀箱内部抽真空的真空系统管路图。该界面中，所有阀门的开度都在阀门边实时显示，所有温度、压力和液位也都在管路对应位置实时显示。

2.2界面窗口实现方法

在低温分配阀箱主界面点击阀门或其开度就可以打开阀门的控制界面，这是通过画面窗口实现的。以FCV007控制窗口为例，实现其画面窗口的代码如下：

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

Dim D′定义变量D

Set D=ScreenItems(“画面窗口1”)′变量D定义为画面窗口1

D.PictureName=“Fmodule.PDL”′画面窗口1的画面名称为Fmoudle.PDL

D.Visible=0′将画面窗口1隐藏

D.CaptionText=“FCV007”′画面窗口1标题栏名称为FCV007

D.TagPrefix=“FCV007.”′画面窗口1中所有变量的前缀都为FCV007.

End Sub

代码编写完成后点击窗口上部的“语法检查”，确认VB语法无错误后，点击“确定”保存并退出。同样的方法编辑“释放左键”VBS动作编辑窗口，其代码如下：

图2 低温分配阀箱控制界面

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

Dim D′定义变量D

Set D=ScreenItems(“画面窗口1”)′变量D定义为画面窗口1

D.Left=1060′画面窗口1位置的横坐标

D.Top=380′画面窗口1位置的纵坐标

D.Visible=1′显示画面窗口1

End Sub

语法检查后保存并退出。

为了将FCV007的控制窗口显示在FCV007阀门边上，在脚本中可以定义控制窗口的显示坐标。多个阀门的控制窗口可以共用同一个画面窗口，不同的阀门在调用画面窗口时只需将“按左键”脚本中的变量前缀和标题栏名称更改即可，同时将窗口显示坐标更改在对应阀门边上。

3 氦气流量计算

由于氦气在不同温度和不同压力下的密度是不同的，密度不同流量也不同，所以阀箱管道内氦气流量的计算是难点。原方法是以0.1K为温度分度，以0.1bar(1bar=100kPa)为压力分度，将不同条件下的密度查询出来。在PLC程序中，将查询到的密度与对应的温度、压力建表，然后通过查表的方式来确定不同条件下的密度值，最后将密度值和压差值代入公式计算当前氦气流量。该方法计算结果精度较低，局限性较大，当温度或压力超过设定范围时，密度值就无法通过查表方式得出，进而无法计算当前流量值。

为了解决上述方法存在的问题，笔者采用注册表文件的方式保存了氦气在不同工况下的各项数据，用Visual Basic程序与WinCC进行数据交换，实时查询当前工况下的氦气密度，并根据公式计算出该工况下的流量。Visual Basic程序通过Microsoft Visual Basic 6.0编写，流量计算程序界面如图3所示。

系统共有7个氦气流量测量点，笔者以阀箱入口氦气主流量FI122为例介绍计算过程。首先根据该测量点的压力值PT106和温度值TT135，通过调用注册表文件读取此时的密度值。然后通过Visual Basic程序将氦气在当前压力和温度下的密度调取出来，则氦气流量G的计算式为：

式中At——截面积，m2；

Cd——流量系数；

Δp——压差，Pa；

β——上流直径比；

ρ——液体密度，kg/m3。

相应的流量计算程序如下：

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

PDI122=WinCC.GetValue(PDI122_Item.Text)′获取WinCC中的压差值PDI122

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

Call WinCC.SetValue(FI122_Item.Text,FI122)′将计算出的流量值写入WinCC对应的变量中

图3 流量计算程序界面

通过该方法可实现任何工况下多个氦气流量的实时计算和显示，改进了原方法工况范围小和精度低的缺点。

4 结束语

笔者介绍了混合磁体低温分配阀箱控制系统中WinCC 7.3的应用及其实现的功能(人机界面)，并对画面窗口的实现方法做了详细介绍。针对氦气在不同温度、压力下密度不同的特性，通过Visual Basic程序调用注册表文件再与WinCC交换数据的方式，完成了阀箱管道中氦气流量的计算。可见，WinCC 7.3作为组态软件，具有良好的功能性和完整性，与西门子PLC的数据交换也具有较高的稳定性。

[1] 仇文君,欧阳峥嵘.基于PLC的SHMFF磁体冷却水水温控制系统[J].化工自动化及仪表,2016,43(12):1248～1252.

[2] 闫俊,欧阳峥嵘,李洪强.混合磁体超导线圈低温传输线冷屏的设计与分析[J].低温与超导,2013,41(4):22～24.

[3] 苏昆哲.深入浅出西门子WinCC V6[M].北京:北京航空航天大学出版社,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-)，工程师，从事去离子水系统维护和低温控制系统的开发工作，fangming4230@163.com。

TH862+.7

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1000-3932(2017)11-1048-04

2017-07-06，

2017-09-13)