同位素電磁分離器離子源控制系統的研制

(中國原子能科學研究院，北京 102413)

0 引言

由于同位素的應用發展迅速、重要性與日俱增，同位素的應用從研究非常小的基本粒子，到非常大的行星和爆炸恒星；從研究很新的納米技術，到非常古老的地質學；從人類自身的食品安全、醫療服務，到與人類息息相關的環境科學、生態科學都能找到。因此，發展同位素技術成為促進科技進步、實現經濟繁榮、改善人身健康、保證國家安全不可或缺的重要舉措[1]。在同位素中，穩定同位素不僅是多種放射性同位素的生產起點原料，本身也是重要的研究、診斷工具和特殊材料，有著比放射性同位素更為廣泛、更加獨特的用途。涉及人身安全的項目，要盡可能使用穩定同位素，而非放射性同位素。

同位素電磁分離器EMIS-170是我國唯一一臺大型同位素電磁分離器，是濃縮生產具有重要軍用、民用價值的高豐度穩定同位素的關鍵裝置，已分離了29種元素的135種同位素。是獲得星載銣鐘所需的高豐度的銣同位素，微型鎳電池核心材料高豐度的62Ni，高精度堿金屬磁力儀核心材料高豐度K等軍用穩定同位素唯一可行的方法。

為滿足我國對高豐度穩定同位素的重大需求，打破部分特種同位素的國際壟斷和技術封鎖，必須提升同位素電磁分離器技術能力和工藝水平。自2011年開始，中國原子能科學研究院開展了同位素電磁分離器綜合技術改造項目，2016年完成了對該設施的綜合技術改造，同位素電磁分離器控制系統是此次改造項目的5個重點系統之一[2]。

同位素電磁分離器建于20世紀60年代，一些設備及系統已落后，系統存在著自動化程度低、所有設備均需手動操作、值班人員勞動強度大、操作易出錯、運行參數調節精度低、生產過程無法集中監控的問題，影響了同位素的生產運行，存在安全隱患。尤其是在控制方面，原有同位素電磁分離器采用了落后的電氣控制方式，這種控制方式連線多、結構復雜、體積大、功耗大、靈活性差、可擴展性差、可維護性差，原有的電源調節方式通過旋鈕進行調節，調節精度低。

同位素電磁分離器控制系統控制對象主要包括：離子源系統、接收器系統、真空系統、冷卻系統、安全防護系統等。主要介紹同位素電磁分離器離子源控制系統。

研制的新離子源控制系統通過計算機監測同位素電磁分離器離子源的運行參數，提供必要的連鎖保護功能，防止操作員的誤操作，根據模擬信號、開關量信號監測顯示報警狀態，定時記錄離子源系統的參數并打印。

離子源控制系統中電源種類多，如何選取電源控制接口與控制系統連接，且要保證控制對象的響應時間和控制精度，對電源控制系統的結構和軟件設計提出了嚴峻的要求。在同位素電磁分離器中，高壓區域離子源打火是不可避免的，打火放電產生的電磁干擾影響設備和控制系統的正常工作甚至損壞，必須采取有效的措施消除影響，保證高壓區域附近電源設備和控制系統穩定可靠的工作。

1 離子源概述

離子源是使中性原子或分子電離，并從中引出離子束流的裝置，是同位素電磁分離器系統的核心部件，其性能直接影響到電磁分離器的產能和濃縮豐度。離子源的性能主要體現在引出束流的品質，包括束流強度、束流穩定度等。

目前，中國原子能科學研究院的同位素電磁分離器，使用的離子源類型是Calutron型中溫離子源屬弧放電離子源(如圖1所示)，該離子源系統主要包括：汽化放電裝置、引出電極、高壓絕緣與支撐結構、防打火裝置、水冷裝置等，它能產生大部分元素的離子，束流大，聚焦好，能在強電磁場、高真空、高溫度、帶電離子轟擊和腐蝕氣體包圍下，可靠長期進行。從某種意義上講，它決定了分離器性能[3]。

圖1 同位素電磁分離器用離子源

離子源控制系統主要用于控制與離子源連接的各高低壓電源，就需要考慮高壓打火等對控制系統的影響。控制系統的安全穩定直接影響離子源的性能。

2 離子源的工作原理

離子源為產生束流的裝置，離子源示意圖見圖2。其工作原理為：原料裝在坩堝(7)中，經加熱爐筒(9)加熱氣化后，通過蒸汽分配室(11)(即船形板)和分配板進入放電室(10)的放電區；加熱燈絲(3)發射電子轟擊陰極(4)，陰極發射的電子被電場加速和磁場約束，穿過電子窗(5)進入放電室并與氣體分子發生碰撞電離，形成弧放電等離子體；離子經引出三電極系統(UA加速極電壓、UF聚焦極電壓和地電極(1)稱為三電極系統)引出，形成具有一定能量和形狀的離子束。

1.接地電極; 2.聚焦電極;3.燈絲;4.陰極;5.電子窗;6.離子引出縫;7.坩堝;8.熱反射屏; 9.加熱爐筒; 10.弧放電室; 11.蒸汽分配室;UA:加速電壓;UF:聚焦電壓。圖2 同位素電磁分離器離子源結構圖

3 離子源工作步驟

離子源的工作步驟如下：

1)先鍛煉，根據不同分離元素加磁場電源，加聚焦電壓UF，逐步升到UF=25 kV，停留5分鐘后，再加加速電壓UA，逐步提高到UA=35 kV，停留5分鐘；在UA+UF=35 kV+25 kV條件下停留5分鐘。

2)根據被分離元素的特點，把加速電壓UA和聚焦電壓UF調到分離時要求的數值。

3)根據被分離元素的特點，分配器電源功率加到給定數值。

4)坩堝電源電流要由小到大，根據試驗方案，逐步增加，直到啟弧。

5)啟弧后，調節加速電壓，使離子束移到接收器擋門上，對準口袋的位置。

6)調節聚焦電壓、弧放電電源電壓、分配器電流、燈絲電流、坩堝電流等參數，以便獲得最高品質的離子束。

4 系統硬件配置

離子源連接兩套高壓電源，分別為加速電源和聚焦電源，加速電源型號為進口電源HITek OLS10KC-403-11 A403-204 0.25 A/40 kV，聚焦電源為進口電源HITek OLS10KC-303-10 0.3 A/25 kV。磁場電源為進口電源FUG 100 V/500 A。四臺低壓電源包括燈絲電源210 A/12 V、分配器電源50 A/50 V、弧放電電源5 A/500 V、坩堝電源200 A/20 V。通過計算機控制系統精確調節各電源的參數，并提供必要的安全連鎖保護，使離子源順利引出離子束。

圖3 加速電源通訊接口

電源的技術參數是實現高質量分辨率的重要設備，加速電源穩定度要求好于±0.04%，本控和遠控的輸出電壓設定和顯示精度為1 V，輸出電流的顯示精度為1 mA。其通訊接口為RS422接口，接口中電源輸出電壓值為電壓信號0～10 V對應0～40 kV，誤差為±1%，電流輸出值為電壓信號0～10 V對應0～250 mA，誤差為±2%。

聚焦電源穩定度好于±1%，本控和遠控的輸出電壓設定和顯示精度為1 V，輸出電流的顯示精度為1 mA。其通訊接口為RS422接口，接口中電源輸出電壓為電壓信號0～10 V對應0～25 kV，誤差為±0.2%～±0.05%，電流輸出值為電壓信號0～10 V對應0～300 mA，誤差為±2%。

磁場電源的電流穩定度好于±0.02%，電流調節精度為0.1%，提供通訊RS232接口。電流的穩定度是根據離子束的位移不得超過質量色散的10%而確定的。為了減小高壓電源對控制信號的影響，磁場電源接口與PLC模塊之間通過光纖進行通訊。

離子源采用高溫氣體離子源，在加速電源和聚焦電源的作用下打火嚴重且不可避免。控制系統需要與加速電源、聚焦電源以及懸浮于高壓電源上的四臺低壓電源進行通訊，低壓電源通訊方式為四路RS485串口串聯與PLC模塊進行通訊，弧放電電流要專門的穩定裝置，通過控制燈絲加熱功率，使弧流穩定在±5%以內，其它低壓電源的穩定度為±1%。

在高壓支架內PLC模塊將采集到的在高電位上工作的低壓電源數據傳輸至低電位的PLC模塊，而低電位上的計算機遠程控制指令可由低電位上的PLC模塊發送傳輸至高電位的PLC模塊，再經由高電位的PLC模塊傳輸至處于高電位的低壓電源從而實現電源的遠程控制功能，為此需要進行高低壓之間的信號傳輸。高低壓信號傳輸解決方法是通過光電隔離接口和光纖與PLC模塊通訊[4]，根據系統結構傳輸距離，選擇OLM P11光模塊實現光電轉換的功能；由于傳輸距離屬于短距離傳輸，同時考慮到POF(塑料)光纖直徑較粗，對現場裝配的要求較低，便于安裝，因此采用型號為POF Standard Cable GP 980/1000的標準塑料光纖作為高壓信號傳輸線；光纖接頭采用BFOC接頭。該方法解決了高壓打火對控制系統的影響，控制系統一直運行穩定可靠。

圖4 高低壓信號傳輸示意圖

同位素電磁分離器設備龐大，設備眾多，為了適應工業大規模生產的要求，控制系統采用了集散控制系統(distributed control system，DCS)[5]。集散控制系統將整個工廠劃分為各個控制子系統，各控制子系統共同組成一個控制系統。這種將控制分散到各個生產現場的方式，不僅提高了整個系統的穩定性、可靠性、容錯能力，也提高了系統的靈活性。集中的管理有助于操作人員快速了解廠區的狀態，同時也方便于操作和管理相應設備。

根據工藝要求，系統整體采用一套西門子S7-300系列模塊，S7-300采用模塊化設計，在一塊機架底板上可安裝電源、CPU、I/O模板和通信處理器CP等模塊，系統通過工業以太網與上位機通訊[6]。

離子源控制系統結構設計如圖5所示。

圖5 離子源控制系統結構設計

通過TIA博途軟件的設備視圖，按硬件實際安裝次序將硬件配置到相應的機架上，并對PLC硬件模塊的參數進行設置和修改。在項目視圖中，“添加新設備”，根據實際需要配置中央機架，1號槽放置電源模塊PS 307 5A ，2號槽放置CPU模塊CPU 317-2DP ，3號槽應放置接口模塊(為了以后擴展預留)，4號槽放置CP 343-1 ，5號槽放置CP 340 RS232C ，6號槽放置CP340 RS422/485 ，7號槽放置CP341 RS422/485 ，8號槽-11號槽放置4塊AI 8*12BIT 。

在TIA博途軟件里添加新設備，建立HMI站，創建SIMATIC PC station作為上位機操作站，添加IE general及HMI_RT設備。

硬件配置是對PLC硬件系統的參數化過程，配置CPU模塊DP接口操作模式選擇主站，接口連接到子網PROFIBUS_1，地址為2。配置CP343-1的以太網接口連接到PN/IE_1，IP地址為192.168.250.01，子網掩碼設置為255.255.255.0。配置SIMATIC PC station 網絡接口連接到子網PN/IE_1，IP地址為192.168.250.02，子網掩碼設置為255.255.255.0[8]。其中CPU和上位機的IP地址必須同網段，子網掩碼必須相同。對這些信息進行編譯并下載到CPU模塊。

利用變量編輯器，直接訪問STEP7變量表，讀取輸入變量I、輸出變量Q和中間變量M的具體數據，以及數據塊中的符號地址，創建數據庫，并根據各設備對應的PLC地址進行組態初始化，通過變量和動態元件交換輸入輸出數據和過程值[7]。

5 系統軟件配置

西門子TIA(Totally Integrated Automation Portal)博途平臺是西門子公司推出的全集成自動化工程組態平臺，各個設備的組態、配置和編程工作高度集成，各部分的數據集成并統一管理，所有部件間的通訊集成配置和管理。因此，將TIA博途引入同位素電磁分離器控制系統，對控制系統的調試周期、成本控制及自動化有很大幫助。

系統軟件平臺采用Windows7 Professional SP1操作系統，上位機采用西門子開發軟件博途版本V13 SP1 Update 2，包括STEP 7 Professional 和 WinCC Professional，軟件安裝要求：PG/PC的硬件和軟件滿足系統要求；具有計算機的管理員權限；關閉所有正在運行的程序。在安裝TIA博途軟件時，可以選擇安裝授權管理器，授權管理器可以傳遞、檢測、刪除授權[9]。

與低壓電源的通訊采用Modbus ASCII 模式，接口RS-485，波特率9600 bps，7位數據，EVEN校驗，1位起始位，1位停止位，LRC校驗碼為從站地址至最后一個數據內容的16進制數疊加后的值的各位取反后再加1的值。四臺低壓電源通過一個RS485口進行通訊，為了保證通訊正常，對寫指令進行1 s延時，最終可滿足系統使用要求。

工程師站通過100 M Ethernet TCP/IP工業以太網對現場I/O監控站的程序、組態、參數等進行設計、修改、開發并監視運行，離子源控制系統的運行界面如圖6所示。在用戶組態畫面上，匯集和顯示離子源有關的運行信息，供操作人員據此對同位素分離器的運行工況進行監視和控制等功能。

6 試驗結果與分析

離子源控制系統實現了對各個電源的運行參數及狀態顯示，實現了對電源參數的精確調節、分配器電源的運行功率計算值及曲線顯示、加速電流及聚焦電流的曲線顯示功能。為保存該裝置在不同物理實驗時電源的工作參數，設計了電源參數存儲功能，數據存儲于SQL Sever數據庫中。系統可以對采集數據進行自動記錄、查詢、分析、統計、打印等操作，所采集到的電源運行參數記錄如圖7所示。

圖7 控制系統采集的離子源各電源參數記錄

一套完備的電源控制系統，安全連鎖對設備的保護和人員安全是必不可少的。離子源控制系統提供了必要的安全連鎖保護[10]，如：冷卻系統中給離子源法蘭冷卻缺水、離子源燈絲冷卻缺水、真空室真空低于使用要求[11]、加速電源電壓超過閾值，加速電源電流超過閾值、聚焦電源電壓超過閾值、聚焦電源電流超過閾值、低壓電源過壓、低壓電源過流等均有報警提示及相應的處理流程。

離子源控制系統已無事故安全穩定運行三年，本系統抗干擾能力強、編程安裝使用簡便、壽命長，對系統分散控制、集中管理操作，提高了離子源重要電參數的調節精度。

7 結論

國內首次利用計算機對同位素電磁分離器的離子源系統進行自動控制，解決了高低壓信號傳輸問題，操作人員在控制室通過計算機控制離子源的重要電源參數，改變原有手動旋鈕操作方式，降低操作人員勞動強度，降低了操作人員錯誤率，提高了系統的安全性、可靠性，對于離子源電源參數調節精度的提高直接影響了分離器分離產品的豐度。