在線同位素分離器監控系統的研制

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。該裝置具有設備眾多、布局零散、分布電位不同、高壓區域具有強電磁干擾及強放射性的特點。受控設備主要由真空系統、電源系統、水冷系統、束流診斷系統及安全聯鎖系統構成，依照該裝置設備的布局特點和技術要求，監控系統采用基于PLC框架下的分布式控制系統(DCS)方案，分為現場控制層、中間層和操作層3部分。現場控制層實現本地設備的實時監控，控制方式主要有通信接口、模擬量及數字量3種控制接口。操作層是控制室的工作站終端，控制室工作站和現場PLC通過工業以太網實現數據交換，實時監測設備工作狀態。本文介紹受控設備的特點、監控系統的基本結構、受控設備的控制方式、安全聯鎖和抗干擾設計、圖形化監控軟件設計、數據存儲方式及運行情況。

1 ISOL裝置系統組成

該裝置利用100 MeV、200 μA回旋加速器[2]產生的質子束與靶材料相互作用，使靶材料中蒸發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的實驗研究。ISOL裝置[3]的布局如圖1所示，主要由靶源系統、電荷交換系統、預分析系統、主分析系統、偏轉系統、低能束流線、束流診斷單元、真空系統等組成。靶源系統工作在高輻射的環境中，需單獨的靶源維護系統對其進行相應的安裝維護操作。

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，其設備分布在不同的工作電位上。其中靶源間、預分析段和電源間是高壓區域且輻射劑量大，轉換段以后是地電位區域。

2 ISOL監控系統總體布局

ISOL裝置主要由靶源系統、預分析段、轉換段、主分析段、爬升段、低能核素廳以及串列注入部分組成，依據設備的布局和特點，設計的ISOL監控系統構架如圖2所示。

監控系統現場設備控制選用西門子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、束流診斷系統、電荷交換系統等設備。現場控制柜選用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現場總線實現數據交換，提高控制系統的可靠性。設備運行時，高壓平臺及周邊由于存在高壓打火放電，產生的電磁干擾和地線波動會影響控制系統和設備的正常工作。因此，必須采取措施保證設備的穩定工作。

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

圖2 ISOL監控系統構架Fig.2 Structure principle diagram of ISOL control system

地電位沿束流線分布的設備采用4個控制機柜實現現場設備的監控，每個控制柜采用1個CPU317-2DP主CPU和若干擴展機架構成。控制室設置1個控制機柜，用于300 kV高壓電源及相關設備的安全聯鎖。主分析段和控制室距離較遠，在主分析段控制柜設置1臺6個電口和1個光口的工業以太網交換機，轉換段、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，實現電位隔離且提高了抗干擾能力。

3 監控系統硬件及接口

根據ISOL裝置的技術要求，選擇合適的控制接口即可滿足控制系統的實時性且兼顧通用性。控制對象主要由離子源系統、真空系統、透鏡和導向系統、束流診斷系統、分析磁鐵和磁場測量系統、水冷系統等組成。圖3為ISOL監控系統控制對象接口框圖，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的總線接口，且考慮通信接口接入設備的數量保證實時性；2) 因現場打火干擾的影響[6-8]，選擇具有隔離功能的模塊，開關量采用繼電器隔離，模擬量和通信接口采用隔離和浪涌抑制措施確保設備的可靠性。

3.1 離子源控制

在350 kV高壓平臺受控設備中，陰極和靶加熱穩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量組合的控制方式。此柜體采用配電、控制、設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，增強了系統的穩定性。

3.2 預分析段控制

該束流線的設備種類繁多，控制方式多樣，設備包括真空系統、束流診斷系統[9-11]、電荷交換系統、透鏡和導向電源、預分析磁鐵電源等。真空系統控制采用真空控制箱，用于控制干泵、閥門、真空設備供電等，開關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。透鏡和導向電源采用模擬接口控制，為消除束流色散和保證高質量分辨率要求，采用正負電源同時輸出且保證對稱性好于0.1%的技術指標。由于電源內部器件的非線性，采用模擬接口控制且通過軟件編程修正的方法實現電源的高對稱性。

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

圖3 ISOL監控系統控制對象接口框圖Fig.3 Control object interface framework of ISOL control system

預分析磁鐵使用高穩定度(10 ppm)、低紋波和高分辨的穩流電源產生高穩定和高分辨率磁場，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，分別用于轉換段、主分析段、爬升段、低能核素廳束流線設備的控制，各控制柜之間通過工業以太網電口連接，控制柜內部主機架和擴展機架之間采用Profibus現場總線通信。

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和回旋加速器的安全聯鎖。+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的抗干擾能力。

4 監控系統軟件設計

現場控制PLC采用SIMATIC STEP 7 V5.3開發應用程序，使用SIMATIC WinCC V6.0圖形組態軟件開發上位機監控界面。現場PLC在線監控設備運行狀態且實時發送到控制室工作站，即使工作站出現故障也不影響設備的正常運行。控制室工作站采用圖形化交互式的控制界面，控制界面實時顯示真空設備的工作狀態，泵、閥門采用雙擊鼠標的方式控制開啟和停止，且設置聯鎖功能防止誤操作。

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，可關閉電源控制界面，僅顯示關注的電源。在通信接口編程時，為提高設備的響應時間，下位機控制程序采用定時中斷的控制方式且設置優先級。

在線放射性核束的篩選需設置不同的高分辨率穩定磁場，由于磁鐵的磁滯現象，增加了在線調束的難度。在現場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控制且采用復雜的算法。程序根據設定的目標磁場，自行調整磁鐵的勵磁電流，最終實現目標磁場，選出需要的在線放射性核束，極大地提高了調束效率和精度。數據存儲采用Excel表格的存儲方式，在進行實驗時，軟件將所有設備的工作參數以0.5 s的時間間隔實時存儲，以便在實驗過程中出現故障時，通過查找備份的實驗數據分析原因和確定故障點。

5 安全和抗干擾設計

ISOL靶源需要回旋加速器提供質子束打靶，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，需設計2套安全聯鎖系統。

ISOL裝置和回旋加速器由真空聯鎖和供束聯鎖組成，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。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提供質子束且給出供束狀態顯示。靶源模塊溫度開關、靶源模塊底板溫度開關、初級模塊溫度開關、加速管前端法蘭溫度開關任何1個過溫，均會自動切斷束流。同時，在控制室設置急停開關。即使控制系統發生故障或發生緊急情況，可通過急停開關切斷束流。

ISOL裝置和串列加速器的聯鎖有調試、低能段出束、束流注入3種工作模式，按要求設計1臺聯鎖控制箱，控制對象主要有前端法拉第筒、法拉第筒、插板閥、束流塞；在調試模式工作時，前端法拉第筒為放下狀態，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閉狀態不能動作；在束流注入模式工作時，受控對象在允許的條件下，可打開和關閉。在設備異常時，法拉第筒、束流塞和插板閥自動關閉。

300 kV加速高壓電源聯鎖采用硬件和軟件相結合的控制方式實現雙重聯鎖，確保人員安全，電源間高壓防護門、預分析段屏蔽門和高壓電源采用硬聯鎖，采用行程開關相串聯的方式接入高壓電源的Interlock安全聯鎖端子。電源間屏蔽門、預分析段屏蔽門和PLC電源控制系統采用軟件聯鎖。雙重聯鎖保證任何安全門打開，高壓電源自動切斷高壓輸出。磁鐵電源和磁鐵構成完備的安全聯鎖，磁鐵電源可通過磁鐵的冷卻水出口的流量開關和磁鐵線圈上的溫度開關判斷冷卻系統的工作狀態，確保磁鐵安全。控制室的工作站通過以太網與現場PLC通信實現磁鐵電源控制和監測磁鐵電源的工作狀態。

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

為提高ISOL控制系統和設備的可靠性，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的影響，屏蔽可減少和消除強電磁干擾對控制系統的影響，控制系統和設備間的控制線均采用屏蔽多芯線。圖4為監控系統接地原理圖，設備采用單點接地的方式，為降低集膚效應的影響，接地線選用多股銅線。PLC控制系統和設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，確保控制系統和設備穩定可靠地工作。

6 結論

ISOL對加速高壓電源和磁鐵電源監控采用通信接口，保證高穩定度和高分辨率的技術指標。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。位于高壓區域和周邊的設備工作環境較惡劣，在高壓打火時有強電磁干擾和地線波動，為減少監控系統和相關設備的損壞，監控系統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 監控系統接地原理圖Fig.4 Crounding diagram of control system

ISOL裝置在2014年10完成高質量分辨率測試，2015年2月與HI-13串列加速器完成聯合調試，2015年4月完成首次38K放射性核素產生，2018年6月完成連續300 h的短壽命20Na放射性核素物理實驗。ISOL監控系統在實驗過程中，沒有因為高壓打火造成控制系統失效或設備損壞，且在實驗過程中根據實際情況對控制軟件進行了完善和優化，該裝置的監控系統運行穩定可靠。