一、 概述：
D电路频率自动微调是专门为加速器高频D电路设计的，完成自动调谐的装置。
D电路由一个高频腔体构成，这个腔体是加速器的重要组成部分之一，加速器运行时，高频电压加在这个D电路上，用来实现对粒子的加速。D电路的示意图如图1所示，D电路的调谐是靠改变短路片的位置（粗调），细调是靠改变微调电容对D型盒的距离来实现。在正常运行中，只要高频机的频率固定，短路片的位置就固定了，由于各种因素的影响（包括热变型、机械震动等），D电路的参数是不稳定的。D电路就不能保持在谐振状态，且D电路的Q值很高（5.5Mhz时，可达8800），D电压将不稳定。要靠频率微调系统来实现D电路的自动调谐，以实现频率稳定。从而改善束流品质，满足实验对束流的要求。
具体参数要求为：频率稳定度为1×10-6。（有自动和手动两种模式）。
随着科学技术的不断进步，原有的分离元件的频调系统，器件老化，技术落后，已满足不了物理实验的要求。我们在原有系统积累大量经验的基础上，设计了新的自动微调系统。该系统由四部分组成，即360度电子移相器、鉴相器、运动型PLC,步进电机驱动器、步进电机及机械部分组成。
图1
二、系统组成：
1. 360°电子矢量合成移相器见图1
图2、矢量合成移相器原理方框图
当UA不变时UC也不变，移相时不伴随幅度变化的条件是
乘法因子K1、K2由控制电压确定，这样w和U保持近似线性关系，通过调整K1、K2实现移相。
2. 相位检波器
相位检波器的功能是实现相位差转换成电压，即Dw——-V的转换。从图2可以看出，电路输入的两个原始信号U1、U2分来自高频发射机和D电路，前者采用电容耦合，后者则为电感耦合，高频机与D电路也是电容耦合，当D电路谐振时U1和U2之间的相位差Dw= p/2，失谐时，Dw < p/2或Dw >p/2，这是判别D电路谐振的基本点。由于U2的线太长，会造成传输过程的相移，我们在输入端串入电子移相器，作为相位补偿。
根据这种关系，我们选用XR-2208M乘法器作为相位检波器，该乘法器输出频率可达100MHz，组成1808相位检波器，其输入两信号的相位差与输出直流电压之间存在下式关系：
Dw ——输入两信号的相位差
Kd ――是相位检波器的转换增益，在输入信号/50mV.rms时，Kd ≈ 2V/弧度。并与信号幅度无关。
本相位检波器的输出电平有三种状态。
当Dw = p/2 时，VDw = 0 （谐振）
当Dw < p/2 时，VDw >0 （失谐）
当Dw > p/2 时，VDw<0 （失谐）
3. 可编程控制器（PLC）
我们选用日本松下电工面向运动控制的PLC，具有2路10KHz脉冲输出;2通道输出时，每通道高5KHz。且具有两路A/D和一路D/A。
4. 德国百格拉三相混合式步进电机及驱动系统
驱动器WD-007采用交流伺服原理工作，输入电压220VAC，控制脉冲信号电压为5VDC，输出为3x325VAC，有过热、过流、欠压、过压保护，电机每转步数可依用户要求分别设定为500、1000、5000、10000步/转。
步进电机采用VRDM-3910，大扭矩4Nm。
5. 机械传动部分
粗调采用蜗轮、涡杆传动，它的优点是可自锁，但传动效率低、功率损失大。细调为伞齿传动 。蜗杆的螺距为2mm,伞齿的螺距为0.5mm。脉冲当量小可达0.004mm/脉冲,可满足调谐要求。
三、实现方法及编程：
我们对D电路的调谐是通过对PLC输出脉冲的编程实现的。自动调谐的实现过程是，把鉴相器的输出送给A/D转换器。根据A/D值进行判断，通过程序控制脉冲输频率和方向，结合使用上述的三相混合式步进驱动器、步进电机及机械传动系统,完成电容板的位置移动，从而实现D电路的jingque调谐。（如图3）
如图3
编程利用PLC脉冲输出指令F168（SPD1）可以实现梯形控制，根据指定的初速度、大速度、加/减速时间和目标值能够自动输出脉冲。指令F169（PLS）,可以在执行条件（触发器）处于ON状态时执行JOG（点动）操作、从指定的通道输出脉冲。利用增量型、值型、原点返回控制模式并配合系统寄存器进行输出脉冲编程，省略了行程限位开关，减少了系统布线，提高系统的灵活性。
具体编程方法如下：利用PLC指令F168（SPD1）根据给定的参数表自动执行梯形控制。
以上程序通过输出端Y0输出的脉冲初始速度为500Hz，高速度为5000Hz，加减速时间为200ms，总移动量为10000个脉冲。
这时，高速计数器经过值（DT9044和DT9045）会随脉冲数增加。
脉冲输出指令（F169）
当执行条件（触发器）为ON时，本指令从指定的通道输出脉冲，执行JOG（点动）运行。
当X2处于ON状态时，Y0发出频率为300Hz、占空比为10%的脉冲。此时，方向输出Y2为OFF，高速计数器CH0（DT9044和DT9045）的经过值计数增加。
当X6处于ON状态时，Y1发出频率为700Hz、占空比为10%的脉冲。此时，方向输出Y3为OFF，高速计数器CH1（DT9048和DT9049）的经过值计数减少。
四、结论：
1、该自动调谐系统采用PLC作为控制设备，用软件编程完成各信号的逻辑关系处理及脉冲输出编程，简化了硬件电路的设计，提高整个系统的灵活性。
2、PLC是专为工业控制设计的，以集成电路为基本元件的电子设备，在设计和制造过程中采取了多层次抗干扰和精选元器件措施，内部处理不依赖触点。适合于加速器高频系统强电磁的运行环境，从根本上保证了控制系统的稳定性和可靠性。解决了控制设备在强电强磁环境下稳定工作的要求。
目前，这个系统的安装调试已经完成，并以投入使用。基于PLC的加速器高频D电路频率自动调谐系统运行稳定，达到了1＊10-6的频率稳定度设计的预期目标。
可编程控制器（PLC）以其高可靠性、适应工业过程现场、强大的联网功能等特点，现已广泛应用于生产工艺过程。在目前的很多自控系统中，常选用PLC作为现场的控制设备，用于数据采集、状态控制和输出控制，而在系统上位机（通常为工控机）上利用工控组态软件来完成工业流程及控制参数的显示，以实现监控和管理功能。这种控制系统充分利用了微型机和PLC的各自的特点，实现了优势互补，得到了广泛的应用。
九十年代初，国内绝大多数油田对从井筒内取出的油管采取直接在现场用锅炉车产生高温蒸汽清洗的办法来清洗油管内外壁，这种办法一方面会造成环境污染，另一方面清洗效果也不理想。随着油田生产的规模化、化，大多油田成立了油管修复单位，定点、定员、定设备进行油管的清洗、检测、修复工序。清洗环节国内油田主要采用三种方式：高压旋转水射流、中频加热清洗和高温热洗。
根据江苏油田井下作业处真武油管修复中心的实际情况，设计了以研华Pentium Ⅲ工控机、OMRONCQM1H-CPU21型PLC为硬件核心，以组态王KingView6.01为软件平台的计算机监控系统，对油管进行高温热洗操作。系统总体设计如图1.
下面从硬件和软件两方面对油管高温热洗工艺进行分析。
2.硬件构成
利用现有一台2T锅炉通过旁管对热洗池内清洗液（主要成分为清水，含适量比例的氢氧化钠和金属表面活性剂配剂）进行加热。考虑油管体积、质量较大，人工搬运不便，且热洗间处于高温危险环境，故采用机械滚轮传输、气缸举升和机械式链提升装置，并由磁敏、光电或机械式行程开关对油管进行限位或控制滚轮、气缸的动作。
整个工艺系统设计采用OMRONCQM1H-CPU21型PLC作为控制核心。CPU21本身具有16个数字量I/O点，通过外接输入模块ID212四块和输出模块OC222三块作为I/O口功能扩展，以满足设计需要。PLC通过COM口与工控机相连，与组态王KingView软件结合，实现计算机监控操作功能。硬件构成简图如图2。
3.软件分析
待清洗油管经传输线进入热洗池内管架，与池内清洗液充分接触，进行热交换，油管内外壁原油溶化、剥离，上浮至清洗液表面。油管被链提升装置提出至液面以上，进行次控水。控水完毕后仍经链提升装置提升至通径传输线一。通径传输线一正转，将油管送至内壁冲洗机，进行内壁冲洗。冲洗完毕后通径传输线一反转，油管后退至通径传输线一下料感应器，通径下料翻板动作，将油管翻至通径传输线二。通径下料翻板回位后，控水气缸动作，进行第二次控水。控水完毕后，通径传输线二正转，将油管传输通过外壁冲洗机，进行外壁清洗。完毕后出料，完成一根油管的清洗作业。
PLC编程思路如图3。
由于整个系统监控点数多，画面复杂，自行设计监控软件周期较长、难度较大，上位机采用国内先进的组态软件—组态王KingView6.01进行编写。组态王是运行于bbbbbbs98/NT/XP的全中文界面的组态软件，采用了多线程、COM组件等新技术，充分利用了bbbbbbs的图形编辑功能，能方便地构成监控画面，具有丰富的设备驱动程序、灵活的组态方式和数据链接功能，用其构造监控系统能大大缩短开发时间，并能保证系统的质量。组态王与PLC之间通信采用的是PPI通讯协议。组态王通过串行口与PLC进行通信，访问PLC相关的寄存器地址，以获得PLC所控制设备的状态或修改相关寄存器的值。在实际编程过程中不需要编写读写PLC寄存器的程序，组态王提供了一种数据定义方法，在定义了I/O变量后，可直接使用变量名用于系统控制、操作显示、趋势分析、数据记录和报警显示。
根据监控的实际要求，设计的软件实现了下述功能：工艺流程进行动画显示，可以直观的看出各条传输线、水泵、电机的运转情况，以及热洗池内油管数量和班产量。针对不同的操作人员，设置不同的系统操作权限及密码，并给予系统操作帮助等等。系统控制界面如图4。
4.结束语
本文作者创新点：设计运用组态王和PLC进行通讯，具有时效性好、速度快、可靠性高、运行稳定、调节灵活等优点。系统人机界面友好而直观，具有一定的灵活性，易于扩充。设计于2001年竣工投产，现已正常运转5年，整个系统运行平稳，安全可靠。特别是PLC和组态王软件技术的结合应用，使得生产中自动化程度大大提高，降低了工人的劳动强度，取得了较好的实际使用效果
四轴联动简易机械手的各个动作和状态都由PLC控制，不仅能满足机械手的手动、半自动、自动等操作方式所需的大量按扭、开关、位置检测点的要求，更可通过接口元器件与计算机组成PLC工业局域网，实现网络通信与网络控制。使四轴联动简易机械手能方便地嵌入到工业生产流水线中。
随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的气动机械手有气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。
一. 四轴联动简易机械手的结构及动作过程
机械手结构如下图1所示，有气控机械手(1)、XY轴丝杠组(2)、转盘机构(3)、旋转基座(4)等组成。
其运动控制方式为：(1)由伺服电机驱动可旋转角度为360°的气控机械手(有光电传感器确定起始0点)；(2)由步进电机驱动丝杠组件使机械手沿X、Y轴移动(有x、y轴限位开关)；(3)可回旋360°的转盘机构能带动机械手及丝杠组自由旋转(其电气拖动部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等组成)；(4)旋转基座主要支撑以上3部分；(5)气控机械手的张合由气压控制(充气时机械手抓紧，放气时机械手松开)。
其工作过程为：当货物到达时，机械手系统开始动作；步进电机控制开始向下运动，另一路步进电机控制横轴开始向前运动；伺服电机驱动机械手旋转到达正好抓取货物的方位处，充气，机械手夹住货物。
步进电机驱动纵轴上升，另一个步进电机驱动横轴开始向前走；转盘直流电机转动使机械手整体运动，转到货物接收处；步进电机驱动纵轴下降，到达指定位置后，气阀放气，机械手松开货物；系统回位准备下一次动作。
二 控制器件选型
为达到jingque控制的目的，根据市场情况，对各种关键器件选型如下：
1. 步进电机及其驱动器
机械手纵轴(Y轴)和横轴(X轴)选用的是北京四通电机技术有限公司的42BYG250C型两相混合式步进电机，步距角为0.9°/1.8°，电流1.5A。M1是横轴电机，带动机械手机构伸、缩；M2是纵轴电机，带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是SH-20403型，该驱动器采用10～40V直流供电，H桥双极恒相电流驱动，大3A的8种输出电流可选，大64细分的7种细分模式可选，输入信号光电隔离，标准单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环境，提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计，保证了驱动器可适应较宽的电压范围，用户可根据各自情况在10～40VDC之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩，但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器大输出电流值为3A/相(峰值)，通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7三位可组合出8种状态，对应8种输出电流，从0.9A到3A以配合不同的电机使用。本驱动器可提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分7种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的第1、2、3三位可组合出不同的状态。
2. 伺服电机及其驱动器
机械手的旋转动作采用松下伺服电机A系列小惯量MSMA5AZA1G，其额定输出50W、100/200V共用，旋转编码器规格为增量式(脉冲数2500p/r、分辨率10000p/r、引出线11线）；有油封，无制动器，轴采用键槽连接。该电机采用松下公司独特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500Hz；定位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位，也可通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，提高系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式，还配有RS-485、RS-232C 通信口，使上位控制器可控制多达16个轴。伺服电机驱动器为A系列MSDA5A3A1A，适用于小惯量电动机。
3. 直流电机
可回旋360°的转盘机构有直流无刷电机带动，系统选用的是北京和时利公司生产的57BL1010H1无刷直流电机，其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的BL-0408驱动器，其采用24～48V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护，且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。
4. 旋转编码器
在可回旋360°的转盘机构上，安装有OMRON公司生产的E6A2增量型旋转编码器，编码器将信号传给PLC，实现转盘机构的jingque定位。
5. PLC的选型
根据系统的设计要求，选用OMRON公司生产的CPM2A小型机。CPM2A在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。CPM2A的CPU单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用问题，它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它OMRONPC和OMRON可编程终端的通信。这些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。
三 软件编程
1. 软件流程图
流程图是PLC程序设计的基础。只有设计出流程图，才可能顺利而便捷地编写出梯形图并写出语句表，终完成程序的设计。写出流程图非常关键也是程序设计要做的任务。依据四轴联动简易机械手的控制要求，绘制流程图如图2所示。
2. 程序部分
由于论文篇幅有限，这里只列出了开始两段程序，供读者参阅，见图3。
随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的气动机械手有气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。