馬瑞剛，崔保群，馬鷹俊，唐 兵，陳立華，黃青華，馬 燮

(中國原子能科學(xué)研究院 核物理研究所，北京 102413)

HI-13串列加速器升級工程放射性核素裝置在線同位素分離器(ISOL)是一臺具有高質(zhì)量分辨率[1]的物理實驗裝置，能夠提供多種能量(100～300 keV)、強度為106～1011s-1的短壽命放射性同位素。該裝置具有設(shè)備眾多、布局零散、分布電位不同、高壓區(qū)域具有強電磁干擾及強放射性的特點。受控設(shè)備主要由真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、束流診斷系統(tǒng)及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)構(gòu)成，依照該裝置設(shè)備的布局特點和技術(shù)要求，監(jiān)控系統(tǒng)采用基于PLC框架下的分布式控制系統(tǒng)(DCS)方案，分為現(xiàn)場控制層、中間層和操作層3部分?，F(xiàn)場控制層實現(xiàn)本地設(shè)備的實時監(jiān)控，控制方式主要有通信接口、模擬量及數(shù)字量3種控制接口。操作層是控制室的工作站終端，控制室工作站和現(xiàn)場PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，實時監(jiān)測設(shè)備工作狀態(tài)。本文介紹受控設(shè)備的特點、監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、受控設(shè)備的控制方式、安全聯(lián)鎖和抗干擾設(shè)計、圖形化監(jiān)控軟件設(shè)計、數(shù)據(jù)存儲方式及運行情況。

1 ISOL裝置系統(tǒng)組成

該裝置利用100 MeV、200 μA回旋加速器[2]產(chǎn)生的質(zhì)子束與靶材料相互作用，使靶材料中蒸發(fā)出短壽命放射性核素，然后由離子源引出約30 keV離子束通過分析磁鐵篩選出所需的放射性核素，放射性離子束通過二次加速和分析后，注入到物理終端進行相關(guān)的實驗研究。ISOL裝置[3]的布局如圖1所示，主要由靶源系統(tǒng)、電荷交換系統(tǒng)、預(yù)分析系統(tǒng)、主分析系統(tǒng)、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、低能束流線、束流診斷單元、真空系統(tǒng)等組成。靶源系統(tǒng)工作在高輻射的環(huán)境中，需單獨的靶源維護系統(tǒng)對其進行相應(yīng)的安裝維護操作。

ISOL裝置由3個不同的電位組成，分別為350 kV平臺、300 kV平臺和地電位，其設(shè)備分布在不同的工作電位上。其中靶源間、預(yù)分析段和電源間是高壓區(qū)域且輻射劑量大，轉(zhuǎn)換段以后是地電位區(qū)域。

2 ISOL監(jiān)控系統(tǒng)總體布局

ISOL裝置主要由靶源系統(tǒng)、預(yù)分析段、轉(zhuǎn)換段、主分析段、爬升段、低能核素廳以及串列注入部分組成，依據(jù)設(shè)備的布局和特點，設(shè)計的ISOL監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。

監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備控制選用西門子S300系列PLC作為控制的核心部件，其中350 kV高壓平臺主要由陽極電源、靶加熱電源、中間電極電源、磁場電源及溫度測量模塊組成，選用西門子CPU315-2DP CPU和若干擴展模塊組成控制機柜；300 kV高壓平臺主要包括透鏡電源、分析磁鐵電源、真空系統(tǒng)、束流診斷系統(tǒng)、電荷交換系統(tǒng)等設(shè)備?，F(xiàn)場控制柜選用CPU317-2DP和CPU315-2DP 2個CPU模塊作為核心控制部件，主CPU機架和擴展機架采用Profibus現(xiàn)場總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，提高控制系統(tǒng)的可靠性。設(shè)備運行時，高壓平臺及周邊由于存在高壓打火放電，產(chǎn)生的電磁干擾和地線波動會影響控制系統(tǒng)和設(shè)備的正常工作。因此，必須采取措施保證設(shè)備的穩(wěn)定工作。

圖1 ISOL裝置的布局Fig.1 Layout diagram of ISOL equipment

圖2 ISOL監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架Fig.2 Structure principle diagram of ISOL control system

地電位沿束流線分布的設(shè)備采用4個控制機柜實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控，每個控制柜采用1個CPU317-2DP主CPU和若干擴展機架構(gòu)成?？刂剖以O(shè)置1個控制機柜，用于300 kV高壓電源及相關(guān)設(shè)備的安全聯(lián)鎖。主分析段和控制室距離較遠，在主分析段控制柜設(shè)置1臺6個電口和1個光口的工業(yè)以太網(wǎng)交換機，轉(zhuǎn)換段、爬升段和低能核素廳通過電口連接到主分析段控制柜交換機，交換機的光口通過1根光纖連接到控制室，350 kV平臺和300 kV平臺使用2根光纖連接到控制室，實現(xiàn)電位隔離且提高了抗干擾能力。

3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件及接口

根據(jù)ISOL裝置的技術(shù)要求，選擇合適的控制接口即可滿足控制系統(tǒng)的實時性且兼顧通用性?？刂茖ο笾饕呻x子源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、透鏡和導(dǎo)向系統(tǒng)、束流診斷系統(tǒng)、分析磁鐵和磁場測量系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等組成。圖3為ISOL監(jiān)控系統(tǒng)控制對象接口框圖，控制對象接口[4-5]選擇基于以下考慮：1) 通信接口按照控制對象接口標準選擇相應(yīng)的總線接口，且考慮通信接口接入設(shè)備的數(shù)量保證實時性；2) 因現(xiàn)場打火干擾的影響[6-8]，選擇具有隔離功能的模塊，開關(guān)量采用繼電器隔離，模擬量和通信接口采用隔離和浪涌抑制措施確保設(shè)備的可靠性。

3.1 離子源控制

在350 kV高壓平臺受控設(shè)備中，陰極和靶加熱穩(wěn)功率程控電源采用西門子RS232隔離通信模塊控制，中間電極電源和磁場電源采用模擬量和開關(guān)量組合的控制方式。此柜體采用配電、控制、設(shè)備一體化的配置模式，采取屏蔽、隔離和保護線路的防護措施，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 預(yù)分析段控制

該束流線的設(shè)備種類繁多，控制方式多樣，設(shè)備包括真空系統(tǒng)、束流診斷系統(tǒng)[9-11]、電荷交換系統(tǒng)、透鏡和導(dǎo)向電源、預(yù)分析磁鐵電源等。真空系統(tǒng)控制采用真空控制箱，用于控制干泵、閥門、真空設(shè)備供電等，開關(guān)量和模擬量采用隔離措施，分子泵和真空計控制采用RS485通信接口。透鏡和導(dǎo)向電源采用模擬接口控制，為消除束流色散和保證高質(zhì)量分辨率要求，采用正負電源同時輸出且保證對稱性好于0.1%的技術(shù)指標。由于電源內(nèi)部器件的非線性，采用模擬接口控制且通過軟件編程修正的方法實現(xiàn)電源的高對稱性。

束流診斷系統(tǒng)是由法拉第筒控制和測量、發(fā)射度測量、放射性束流鑒別等組成[12]，它是通過開關(guān)量、模擬量和RS485通信接口相組合的控制方式，按照規(guī)定的控制流程通過軟件編程實現(xiàn)的一套復(fù)雜的控制方法。

圖3 ISOL監(jiān)控系統(tǒng)控制對象接口框圖Fig.3 Control object interface framework of ISOL control system

預(yù)分析磁鐵使用高穩(wěn)定度(10 ppm)、低紋波和高分辨的穩(wěn)流電源產(chǎn)生高穩(wěn)定和高分辨率磁場，使用核磁共振儀測量磁場，通過磁場選出需要的在線放射性核束。因它們的特殊性，選用通信接口控制且提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

3.3 地電位束流線控制

地電位束流線由4個控制機柜組成，分別用于轉(zhuǎn)換段、主分析段、爬升段、低能核素廳束流線設(shè)備的控制，各控制柜之間通過工業(yè)以太網(wǎng)電口連接，控制柜內(nèi)部主機架和擴展機架之間采用Profibus現(xiàn)場總線通信。

控制室放置1個控制柜主要用于+300 kV和-300 kV高壓電源控制且實現(xiàn)和回旋加速器的安全聯(lián)鎖。+300 kV高壓電源采用帶光纖隔離的RS422通信接口，-300 kV高壓電源采用電隔離且加裝了浪涌抑制電路的RS232通信接口，此措施進一步增強了控制系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

現(xiàn)場控制PLC采用SIMATIC STEP 7 V5.3開發(fā)應(yīng)用程序，使用SIMATIC WinCC V6.0圖形組態(tài)軟件開發(fā)上位機監(jiān)控界面?，F(xiàn)場PLC在線監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)且實時發(fā)送到控制室工作站，即使工作站出現(xiàn)故障也不影響設(shè)備的正常運行?？刂剖夜ぷ髡静捎脠D形化交互式的控制界面，控制界面實時顯示真空設(shè)備的工作狀態(tài)，泵、閥門采用雙擊鼠標的方式控制開啟和停止，且設(shè)置聯(lián)鎖功能防止誤操作。

在電源控制界面中，電源采用雙擊電源圖標彈出電源界面的控制方式，對電源進行各種操作，如不需顯示，可關(guān)閉電源控制界面，僅顯示關(guān)注的電源。在通信接口編程時，為提高設(shè)備的響應(yīng)時間，下位機控制程序采用定時中斷的控制方式且設(shè)置優(yōu)先級。

在線放射性核束的篩選需設(shè)置不同的高分辨率穩(wěn)定磁場，由于磁鐵的磁滯現(xiàn)象，增加了在線調(diào)束的難度。在現(xiàn)場PLC編程時，磁鐵電源輸出電流與核磁共振儀測量的磁場采用閉環(huán)控制且采用復(fù)雜的算法。程序根據(jù)設(shè)定的目標磁場，自行調(diào)整磁鐵的勵磁電流，最終實現(xiàn)目標磁場，選出需要的在線放射性核束，極大地提高了調(diào)束效率和精度。數(shù)據(jù)存儲采用Excel表格的存儲方式，在進行實驗時，軟件將所有設(shè)備的工作參數(shù)以0.5 s的時間間隔實時存儲，以便在實驗過程中出現(xiàn)故障時，通過查找備份的實驗數(shù)據(jù)分析原因和確定故障點。

5 安全和抗干擾設(shè)計

ISOL靶源需要回旋加速器提供質(zhì)子束打靶，離子引出分析后的在線同位素注入串列加速器加速，提供給物理實驗終端。因此，需設(shè)計2套安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。

ISOL裝置和回旋加速器由真空聯(lián)鎖和供束聯(lián)鎖組成，當ISOL初級模塊真空度好于3×10-3Pa，向回旋加速器提供真空度好的觸點信號，當回旋加速器束線真空具備條件時，可打開回旋加速器和ISOL靶源間的最末端真空閥門，同時給出ISOL真空閥門的狀態(tài)。當具備供束條件時，ISOL給出回旋加速器允許供束請求(觸點信號)，在回旋加速器具備供束條件時，給ISOL提供質(zhì)子束且給出供束狀態(tài)顯示。靶源模塊溫度開關(guān)、靶源模塊底板溫度開關(guān)、初級模塊溫度開關(guān)、加速管前端法蘭溫度開關(guān)任何1個過溫，均會自動切斷束流。同時，在控制室設(shè)置急停開關(guān)。即使控制系統(tǒng)發(fā)生故障或發(fā)生緊急情況，可通過急停開關(guān)切斷束流。

ISOL裝置和串列加速器的聯(lián)鎖有調(diào)試、低能段出束、束流注入3種工作模式，按要求設(shè)計1臺聯(lián)鎖控制箱，控制對象主要有前端法拉第筒、法拉第筒、插板閥、束流塞；在調(diào)試模式工作時，前端法拉第筒為放下狀態(tài)，法拉第筒、束流塞和插板閥允許動作。在低能段出束模式工作時，束流塞和插板閥處于關(guān)閉狀態(tài)不能動作；在束流注入模式工作時，受控對象在允許的條件下，可打開和關(guān)閉。在設(shè)備異常時，法拉第筒、束流塞和插板閥自動關(guān)閉。

300 kV加速高壓電源聯(lián)鎖采用硬件和軟件相結(jié)合的控制方式實現(xiàn)雙重聯(lián)鎖，確保人員安全，電源間高壓防護門、預(yù)分析段屏蔽門和高壓電源采用硬聯(lián)鎖，采用行程開關(guān)相串聯(lián)的方式接入高壓電源的Interlock安全聯(lián)鎖端子。電源間屏蔽門、預(yù)分析段屏蔽門和PLC電源控制系統(tǒng)采用軟件聯(lián)鎖。雙重聯(lián)鎖保證任何安全門打開，高壓電源自動切斷高壓輸出。磁鐵電源和磁鐵構(gòu)成完備的安全聯(lián)鎖，磁鐵電源可通過磁鐵的冷卻水出口的流量開關(guān)和磁鐵線圈上的溫度開關(guān)判斷冷卻系統(tǒng)的工作狀態(tài)，確保磁鐵安全?？刂剖业墓ぷ髡就ㄟ^以太網(wǎng)與現(xiàn)場PLC通信實現(xiàn)磁鐵電源控制和監(jiān)測磁鐵電源的工作狀態(tài)。

處于高壓區(qū)域的ISOL監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)備，在靶源工作時，電極臟等原因引起高壓打火現(xiàn)象，不可避免地在高壓區(qū)域產(chǎn)生電磁干擾和地電位波動，造成控制系統(tǒng)和受控設(shè)備的損壞。必須采取措施減小和消除干擾[5-6]的影響，保證設(shè)備穩(wěn)定可靠地工作。

為提高ISOL控制系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性，高壓平臺的配電柜輸入端加裝浪涌保護器作為一級保護，PLC控制機柜采用屏蔽機柜，供電輸入加入二級浪涌保護器降低干擾脈沖的影響，進一步消除供電對控制系統(tǒng)的影響，屏蔽可減少和消除強電磁干擾對控制系統(tǒng)的影響，控制系統(tǒng)和設(shè)備間的控制線均采用屏蔽多芯線。圖4為監(jiān)控系統(tǒng)接地原理圖，設(shè)備采用單點接地的方式，為降低集膚效應(yīng)的影響，接地線選用多股銅線。PLC控制系統(tǒng)和設(shè)備之間加裝合適的瞬變抑制二極管限制突變高壓的影響。通過采取上述措施，確?？刂葡到y(tǒng)和設(shè)備穩(wěn)定可靠地工作。

6 結(jié)論

ISOL對加速高壓電源和磁鐵電源監(jiān)控采用通信接口，保證高穩(wěn)定度和高分辨率的技術(shù)指標。透鏡電源要求高對稱性正負輸出，采用軟件修正的控制方法保證高對稱性指標。位于高壓區(qū)域和周邊的設(shè)備工作環(huán)境較惡劣，在高壓打火時有強電磁干擾和地線波動，為減少監(jiān)控系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)備的損壞，監(jiān)控系統(tǒng)和供電采取了隔離和增加保護器件的措施，采用單點接地方式且選用合適的接地線。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)接地原理圖Fig.4 Crounding diagram of control system

ISOL裝置在2014年10完成高質(zhì)量分辨率測試，2015年2月與HI-13串列加速器完成聯(lián)合調(diào)試，2015年4月完成首次38K放射性核素產(chǎn)生，2018年6月完成連續(xù)300 h的短壽命20Na放射性核素物理實驗。ISOL監(jiān)控系統(tǒng)在實驗過程中，沒有因為高壓打火造成控制系統(tǒng)失效或設(shè)備損壞，且在實驗過程中根據(jù)實際情況對控制軟件進行了完善和優(yōu)化，該裝置的監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。