錦屏深地強流高壓加速器控制系統的研制

馬瑞剛，崔保群，李愛玲，陳立華，馬鷹俊，唐 兵，王云峰，黃青華，連 鋼，柳衛平，武 啟，王鵬鵬

(1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.中國科學院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

核天體物理是核物理和天體物理相結合的跨學科研究領域，它主要研究元素的起源及核過程如何影響宇宙中恒星的進化和滅亡。為了滿足核天體物理實驗需求，我們利用低能高穩定強流高壓加速器裝置，在低本底實驗環境下(錦屏深地實驗室)，采取直接物理測量的方法，開展相關的核天體物理實驗研究。該強流高壓加速器[1-2]由中國原子能科學研究院核物理研究所加速器物理組開展后加速段的設計和建造工作，中國科學院近代物理研究所開展電子回旋共振(ECR)離子源和低能傳輸部分的研究工作。該強流高壓加速器引出能量為70～400 keV，束流強度為10 mA(Max)，束流傳輸效率大于90%，束流能量波動小于0.1%。控制系統采用遠程控制，具有安全聯鎖系統。本文介紹錦屏深地強流高壓加速器自動控制系統的基本結構、控制軟件和安全聯鎖設計；在加速器運行過程中高壓打火產生的強干擾影響下，控制系統和相關設備如何正常運行；以及在調試和實驗過程中遇到的問題。

1 加速器設備布局和特點

圖1 加速器設備分布Fig.1 Accelerator equipment layout

強流高壓加速器的設備分布如圖1所示，主要由ECR離子源、螺線管、分析磁鐵、強流加速管、三單元聚焦透鏡、束流測量單元及真空系統等構成。強流高壓加速器的束流線沿50 kV高壓臺架、350 kV高壓臺架和地電位分布。高壓加速器裝置中的ECR離子源和強流加速管運行時，不可避免地引起高壓打火放電現象，高壓打火產生的強電磁干擾和供電系統的波動嚴重影響高壓加速器運行的可靠性。因此，在高壓平臺和外圍區域極其惡劣的工作環境下，高壓加速器控制系統和相關設備的選型、設計、集成都需有特殊的要求。

2 控制系統結構

根據錦屏深地強流高壓加速器設備分布情況和自有特點，控制系統硬件結構采用基于可編程邏輯控制器(PLC)的分布式以太網控制系統?？刂葡到y下位機選擇經過實驗驗證的、可靠性高的PLC，PLC主機架和擴展機架之間采用PROFIBUS現場總線實現數據交換，現場控制層和操作層采用工業以太網完成數據通信。同時，控制系統和設備接地采用特殊的設計，供電系統采用多級保護措施，進一步加強控制系統和設備的抗干擾能力和穩定性?？刂葡到y軟件采用基于EPICS客戶端/服務器模式的分布式控制框架，由客戶端的操作員接口模塊OPI、服務器上的輸入/輸出控制模塊IOC和通道訪問模塊CA組成。圖2為控制系統結構，OPI與IOC通過基于CA協議的局域網連接，EPICS/CA支持TCP/IP協議。高壓平臺設置1臺服務器、1套S300PLC控制器和串口服務器等相關設備，地電位設置1套S300PLC控制器，控制室設置1臺服務器和2臺工作站，用于設備的監控。高電位和地電位通過1對工業級以太網交換機實現電位隔離和數據交換。高壓平臺選用1套S300PLC實現微波機、高壓引出電源、真空計、真空插板閥等設備的監控；采用1臺串口服務器對螺線管電源、分析磁鐵電源以及束流測量系統中電機的控制。

地電位S300PLC控制器用于地電位現場設備的控制。其中，磁透鏡和分析磁鐵電源采用RS485遠程通信接口滿足高穩定度和高分辨率的控制要求，加速管抑制高壓電源和導向電源,使用S300PLC模擬量模塊實現電源的監控。真空系統通過1臺真空控制箱完成閥門、干泵的監控及真空設備的供電，具有本地/遠程切換功能。束流測量單元使用S300PLC模擬量模塊和開關量模塊遠距離監測束流強度等相關信息。

3 開發軟件選取

常用的控制系統組態軟件主要有EPICS系統、西門子WinCC和Intellution公司的iFix自動化監控組態軟件[3-7]，EPICS系統是實驗物理和工業控制系統，具有分布式控制系統的標準模型，具有可移植性、可互換性、可裁減性及可重用性等特點；經過大量實踐證明，EPICS還具有運行穩定、系統結構靈活、開放性和可擴展性好、國際交流協作方便等優勢。因此，該強流高壓加速器選用EPICS系統實現上位機應用程序的開發。EPICS視窗環境為用戶提供了豐富的軟件開發工具，EPICS Base工具模塊中有通道訪問函數庫CA clients/server Lib、靜態和動態數據庫訪問程序DB Access Routines等工具；EPICS Extension模塊提供了圖形人機界面開發工具MEDM/EDM、故障報警管理軟件ALH、歷史數據存檔工具Channel Archiver等；此外，還嵌入了第三方應用軟件，如C語言編譯器(Gcc)、面向對象的腳本語言(Python)、軟件版本一致性管理工具(CVS)等。

圖2 控制系統結構Fig.2 Control system structure

4 控制軟件設計

選用EPICS組態軟件開發上位機操作員監控軟件，采用圖形化交互式[8-9]控制界面，主要包括主控界面、真空系統控制界面、安全聯鎖設置控制界面、主加速高壓電源控制界面、離子源控制界面等。加速器控制主界面(圖3)包括電源監控界面、真空度顯示、報警和故障顯示、流量開關狀態顯示等，圖4為真空系統控制界面，窗口可實時監控真空設備的工作狀態，具有操作方便、顯示清晰的特點。下位機S300PLC完成現場設備的實時監控任務，采用STEP7 V5.3組態軟件開發現場設備控制程序，安全聯鎖采用軟件編程和硬聯鎖相結合的控制方式，確保監控設備的安全。

5 設備抗干擾設計

在強流高壓加速器運行時，惡劣的工作環境影響電氣設備的正常工作。對控制系統和受控設備必須采取有效的保護措施，確保設備運行的穩定性和可靠性。圖5為加速器設備供電原理圖，系統采用單點接地方式，高壓平臺和地電位分別設置2個接地匯流排，強流高壓加速器總配電柜增加浪涌保護器作為一級保護，真空柜配電箱和電源供電箱增加浪涌保護器作為二級防護，高壓平臺配電箱內增加浪涌保護器作為一級保護，控制系統機柜內增加浪涌保護器作為二級保護，電氣設備供電增加壓敏電阻和吸收電容等保護器件，確保設備的穩定性和可靠性。

西門子S300PLC控制系統的開關量和受控設備之間采用繼電器作為一級隔離，S300PLC控制器CPU單元與開關量模塊之間總線采用光電器件實現二級隔離；模擬量模塊和受控設備之間加裝瞬變抑制二極管作為一級保護，CPU單元和模擬量模塊之間采用光電隔離實現二級保護。采用上述的保護和隔離措施后，極大地提高了控制系統和受控設備在強干擾環境下運行的可靠性。

圖3 加速器控制主界面Fig.3 Main display window of accelerator control

圖4 真空系統控制界面Fig.4 Operation window of vaccum system

圖5 加速器設備供電原理Fig.5 Main power supply of accelerator equipment

6 安全聯鎖設計

在錦屏深地強流高壓加速器系統中，安全聯鎖設計影響整套設備的可靠性。因此，在真空系統和電氣設備之間設計1套完備的安全聯鎖系統至關重要。圖6為真空系統安全聯鎖界面，干泵、真空閥門和分子泵之間形成互鎖，如閥門DP2.1、EMV2.1&EMV2.2、GV2.1開啟后，當前級真空度達到設定真空度時，準許開啟分子泵，對分子泵起到保護作用。

圖7為設備聯鎖原理圖，電源、F筒、DCCT與水冷和溫度形成雙重互鎖；束流線中的插板閥、強流加速管溫度、高電位的F筒溫度和微波機之間構成互鎖關系，任何一個設備出現異常故障都需快速切斷束流，防止強流束造成設備損壞。

7 控制系統調試

控制系統的受控設備在離線條件下進行調試，保證每臺設備遠程操作運轉正常，離線調試完成后，進行在線實驗調試，確保控制系統的穩定性和可靠性。在線實驗調試過程中，最大的問題是高壓加速器打火經常引起離子源控制系統S300PLC停機或設備損壞[10-11]，如在400 keV、6 mA條件下進行實驗，出現微波機損壞和S300PLC控制系統停機問題。

圖6 真空系統安全聯鎖界面Fig.6 Safety interlock window of vaccum system

圖7 設備聯鎖原理Fig.7 Safety interlock window of equipment

根據微波機損壞的原因，對微波機控制部分采取隔離措施，供電部分加裝保護器件，防止脈沖尖峰電壓造成半導體功率器件的損壞，解決了微波機損壞問題。在加速器高壓打火時，現場PLC控制系統出現停機故障，通過PLC在線診斷系統查看故障碼，分析PLC故障停機的可能原因，編寫相應的故障處理程序，保證PLC控制系統報錯時采取相應的措施。同時，控制系統加裝高性能EMI濾波器，確?？刂葡到y穩定運行。

8 結論

根據錦屏深地強流高壓加速器的特點，設計了1套基于以太網的分布式控制系統，現場設備選用西門子S300PLC控制系統，采用EPICS系統開發上位機控制軟件。按照裝置的要求設計了1套完備的安全聯鎖系統，確保設備和人員的安全。通過不斷地分析和實驗驗證，解決了強流高壓加速器在運行時高壓打火對設備和控制系統運行造成的影響問題。目前，該強流高壓加速器已開展核天體物理實驗研究，累計運行時間超過3 500 h，運行穩定可靠。