上海光源Canted光束線安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計

朱周俠 龔培榮

上海光源Canted光束線安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計

朱周俠 龔培榮

（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 張江園區(qū) 上海 201204）

上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)光束線站安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的目的是在光束線站運行期間，一旦出現(xiàn)緊急情況，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)會及時關(guān)閉活動光子擋光器或通知儲存環(huán)控制系統(tǒng)剔除電子束流，以保障實驗人員的人身安全及光束線站的設(shè)備安全。在SSRF第一條Canted光束線安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計過程中，通過分析Canted光束線與常規(guī)插入件光束線在布局與安全聯(lián)鎖要求方面的區(qū)別，實現(xiàn)了Canted前端的設(shè)備聯(lián)鎖控制要求，并提出了利用束線仲裁信號實現(xiàn)兩條光束線和諧相處的設(shè)計方法，最終完成了兩條光束線的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的安裝調(diào)試及其驗收。Canted光束線安全聯(lián)鎖系統(tǒng)自2013年7月投入試運行以來運行正常，為光束線和實驗站的正常調(diào)試提供了保障。

前端區(qū)，Canted光束線，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，設(shè)備控制層

近年來，為了增加第三代同步輻射裝置中插入件光束線的數(shù)量，采用了將兩個插入件光源呈一定夾角級聯(lián)后放置于同一個直線節(jié)，然后用光學(xué)方法將光束引出至各自實驗站的方法[1]，這樣的兩條光束線稱之為Canted光束線。因此Canted光束線的前端區(qū)是一個級聯(lián)插入件公用前端區(qū)，兩條光束線共用大部分前端區(qū)和部分光束線的設(shè)備，最大程度地利用了光源和光束線空間，所以光束線的布局非常復(fù)雜和緊湊。與常規(guī)的插入件光束線安全聯(lián)鎖系統(tǒng)相比，Canted光束線的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)有其特殊的控制邏輯。

上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)第一條Canted光束線由復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)光束線(BL19U1)和生物小角散射光束線(BL19U2)組成，兩條光束線在水平方向呈6 mrad的夾角引出至兩實驗站。Canted光束線安全聯(lián)鎖系統(tǒng)包括前端區(qū)聯(lián)鎖控制、人身安全聯(lián)鎖保護和光束線設(shè)備保護三個子系統(tǒng)，為了方便信號的傳輸、存儲及系統(tǒng)維護，三個子系統(tǒng)采用了相似的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，均融合了設(shè)備控制層(Programmable Logic Controller, PLC)技術(shù)、觸摸屏技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行設(shè)計制造，并遵循關(guān)鍵部件雙信號判斷、失效即保護和冗余控制的光束線站建設(shè)原則，以解決系統(tǒng)信號的可靠性和穩(wěn)定性問題，實現(xiàn)平均無故障間隔時間(Mean Time Between Failures, MTBF) 1 000 h以上的設(shè)計目標。

1 Canted前端區(qū)聯(lián)鎖控制子系統(tǒng)

前端區(qū)位于儲存環(huán)隧道鋸齒墻內(nèi)，是連接儲存環(huán)與光束線的紐帶，其主要功能包括同步光束的尺寸限制、高熱負載吸收、光學(xué)元件的安全保護和真空保護等[2]。沿光束方向，Canted前端區(qū)的設(shè)備布局如圖1所示，依次為真空閥門1(V1)、前置光闌(Pre-Mask, PreM)、活動光子擋光器1(Photon Shutter 1, PS1)、分光光闌(Mask)、真空閥門2 (V2)、快閥(Fast Closing System, FCS)、熒光靶(Fluorescence Screen, FS)、光束位置探測器(X-ray Beam Position Monitor, XBPM)、活動光子擋光器2(PS2-1、PS2-2)、真空閥門3(V3-1、V3-2)，即大部分設(shè)備為兩條光束線共用，僅活動光子擋光器2(PS2)和真空閥門3(V3)獨用。其中，PS1只能承受彎鐵同步光的照射，PS2能承受插入件發(fā)出的同步輻射光的照射。

圖1 Canted 前端區(qū)設(shè)備布局示意圖Fig.1 Layout sketch of Canted front end.

Canted前端區(qū)聯(lián)鎖控制子系統(tǒng)通過監(jiān)測前端區(qū)設(shè)備的溫度、水流量和真空度來實施對設(shè)備的安全聯(lián)鎖保護和控制，屬于標準的分布式控制系統(tǒng)，它包括管理層(Operator Interface, OPI)、輸入輸出控制層(Input/Output Controller, IOC)和設(shè)備控制層PLC[3]，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該系統(tǒng)承擔著3個活動光子擋光器、1個安全光閘、1個熒光靶及4個真空閥門的開關(guān)控制，以及與儲存環(huán)控制系統(tǒng)、插入件控制系統(tǒng)、光束線設(shè)備保護子系統(tǒng)和人身安全聯(lián)鎖保護子系統(tǒng)進行信息傳遞的任務(wù)，以確保引出同步光至實驗站的過程中各設(shè)備的安全。

圖2 Canted前端區(qū)聯(lián)鎖控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of interlock control sub-system of the Canted front end at SSRF.

與常規(guī)的插入件前端相比，Canted前端區(qū)聯(lián)鎖控制子系統(tǒng)具有以下特點：

(1) 雙插入件的信號與PS1進行聯(lián)鎖：當任一插入件處于工作狀態(tài)時，如需關(guān)閉PS1，該系統(tǒng)需先向儲存環(huán)插入件控制系統(tǒng)發(fā)送信息，請求拉開插入件的磁隙，待兩個插入件的磁隙都拉開到位后，該系統(tǒng)才允許關(guān)閉PS1。

(2) 安全光閘1(Safety Shutter 1, SS1)的開關(guān)受PS2-1、PS2-2的制約：SS1能阻擋軔致輻射，但不能承受同步輻射光的照射，必須由PS2予以保護。SS1打開后，才能打開PS2-1和PS2-2；PS2-1、PS2-2均關(guān)閉到位后，才能關(guān)閉SS1。

(3) PS2與V3的聯(lián)鎖：即PS2-1與V3-1聯(lián)鎖，PS2-2與 V3-2聯(lián)鎖。打開V3-1后，才能打開PS2-1；關(guān)閉PS2-1后，才能關(guān)閉V3-1。PS2-2與 V3-2的聯(lián)鎖關(guān)系與之類似。

對于結(jié)構(gòu)布局迥異的光束線，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)除了具備可靠性、穩(wěn)定性外，廣泛適用性也是一個很重要的方面[4]。SSRF每年要接待大量的實驗用戶，很多用戶需要在多條光束線上開展實驗，為了方便用戶操作，Canted前端區(qū)聯(lián)鎖控制子系統(tǒng)的操作方法設(shè)計成與常規(guī)線站的基本相似，如該系統(tǒng)也配置了高性能、多功能的人機界面(Human Machine Interface, HMI)[5]，其觸摸屏的主界面如圖3所示，界面可顯示該子系統(tǒng)各種可能的狀態(tài)，實驗人員按下主界面上的各功能按鈕，屏幕上即跳出相應(yīng)的顯示界面，但工作模式切換界面(Set up page)僅授權(quán)用戶才能進入和操作。實驗人員可以隨時查詢前端區(qū)的設(shè)備狀態(tài)、運行情況及報警提示等重要信息。此外，設(shè)備的溫度、前端區(qū)真空、離子泵泵流等參數(shù)均以一定的掃描周期通過以太網(wǎng)存儲在光束線運行數(shù)據(jù)庫中，便于今后的數(shù)據(jù)查詢或故障診斷。

圖3 Canted前端區(qū)聯(lián)鎖控制子系統(tǒng)觸摸屏交互界面Fig.3 HMI of the Canted front end interlock sub-system at SSRF.

2 Canted人身安全聯(lián)鎖保護子系統(tǒng)

SSRF光束線人身安全聯(lián)鎖保護子系統(tǒng)一般由棚屋（由鉛等材料制造而成的具有輻射防護功能的屏蔽區(qū)域）、活動光子擋光器（可用于阻擋高功率X射線）、安全光閘（能夠阻擋軔致輻射等）和控制機柜等組成。人身安全聯(lián)鎖保護子系統(tǒng)的控制邏輯設(shè)計遵循“未關(guān)閉棚屋門則不允許開光閘，關(guān)閉光閘后才允許開棚屋門”的原則，并設(shè)置棚屋的搜索清場功能以確保實驗人員的人身安全。其中，光學(xué)棚屋的供光狀態(tài)與PS2、SS1的狀態(tài)聯(lián)鎖，實驗棚屋的供光狀態(tài)與SS2的狀態(tài)聯(lián)鎖。

Canted光束線共用一個光學(xué)棚屋，有兩個獨立的實驗棚屋。當某條光束線需要進入光學(xué)棚屋進行設(shè)備檢修時，必須要考慮到對方的運行情況，不能隨意關(guān)閉光閘或打開光學(xué)棚屋門。為此，人身安全聯(lián)鎖保護子系統(tǒng)設(shè)置了束線仲裁信號，以實現(xiàn)其聯(lián)鎖要求。當仲裁信號無效時對方可做操作，否則，禁止操作；兩條光束線都有自己的束線仲裁信號，束線仲裁信號取自各條束線的光閘狀態(tài)組合，這樣既可以簡化安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計，又能方便地實現(xiàn)邏輯控制功能。即當各自的PS2和SS2都打開時，則視為束線仲裁信號有效，不能隨便關(guān)閉光閘或打開棚屋門；PS2打開且SS2關(guān)閉時，大多數(shù)為用戶換樣品時間，也應(yīng)該視為束線仲裁信號有效；PS2和SS2都關(guān)閉時，束線不用光，視為束線仲裁信號無效；而PS2關(guān)閉、SS2打開時，該束線也沒有用光，可視為束線仲裁信號無效。

為了確保人員安全，Canted光束線光學(xué)棚屋和實驗棚屋內(nèi)搜索點以及搜索路徑的設(shè)置都是經(jīng)過縝密考慮后決定的，既要方便搜索人員實施搜索，又要兼顧各個死角。搜索人員必須按照系統(tǒng)規(guī)定的路線依次按下各搜索按鈕，為了最大程度地起到清場作用，當每個搜索按鈕被按下時，會有不同頻率的報警聲響起。然后搜索人員可以按下關(guān)門按鈕，待棚屋門關(guān)閉到位后，報警聲音才停止，搜索過程完成。為了便于兩條光束線都能方便地實施搜索，Canted光束線的光學(xué)棚屋設(shè)置了三個搜索點和兩種搜索方式，搜索點示意圖如圖4所示。其中，F(xiàn)OE是公用的光學(xué)棚屋，EH1為BL19U1的實驗棚屋，EH2為BL19U2的實驗棚屋。若是BL19U1線站實施搜索，即選擇從前門2(Door 2)進出，則需先關(guān)閉后門(Door 3)和前門1(Door 1)，然后按照搜索順序S1→S3→S2進行搜索；若是BL19U2線站實施搜索，即選擇從后門(Door 3)進出，則需先關(guān)閉前門1和前門2，按照搜索順序S2→S3→S1進行搜索。如果不按照設(shè)定順序搜索，即使按下搜索按鈕也不起作用，屬無效操作。

圖4 Canted光束線光學(xué)棚屋搜索點示意圖Fig.4 Layout of search-button location in the FOE of the Canted beamline personal safety sub-system at SSRF.

3 Canted光束線設(shè)備保護系統(tǒng)

SSRF光束線設(shè)備保護系統(tǒng)的主要任務(wù)是負責光束線設(shè)備溫度、水流量、液氮冷卻系統(tǒng)的監(jiān)測、真空狀態(tài)監(jiān)測、真空閥門及熒光靶等的開關(guān)控制，并根據(jù)設(shè)定的控制邏輯對設(shè)備予以保護。因為Canted光束線布局緊湊，復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)光束線和生物小角散射光束線的共用真空腔體較多，如圖5所示，包括兩臺單色器、偏轉(zhuǎn)鏡和水平聚焦鏡等重要光學(xué)元件，因此該保護系統(tǒng)的難點是兩條光束線共用真空區(qū)間的聯(lián)鎖，涉及到的真空規(guī)和真空閥門數(shù)量較多，聯(lián)鎖關(guān)系較為復(fù)雜。如BL19U2光束線的真空規(guī)2(G2)既要與本光束線的V4-2與V5-2聯(lián)鎖，還要與BL19U1光束線的V4-1與V5-1聯(lián)鎖等。一旦共用真空區(qū)間內(nèi)的某個真空規(guī)監(jiān)測到真空度比設(shè)定的報警閾值差，光束線設(shè)備保護系統(tǒng)會報警并關(guān)掉與之聯(lián)動的所有閥門及活動光子擋光器2，以最大限度地保護光束線其它區(qū)間內(nèi)的真空，從而保證光束線設(shè)備的安全。

圖5 Canted光束線共用腔體及其真空設(shè)備布局示意圖V4-V9：真空閥門，G2-G5：真空規(guī)，DCM1：BL19U1單色器，DCM2：BL19U2單色器，M1：共用偏轉(zhuǎn)鏡，M2：水平聚焦鏡Fig.5 Structure sketch of share vacuum chamber and correlative valve in Canted beamline of SSRF. V4-V9: vacuum valve, G2-G5: vacuum gauge, DCM1: BL19U1 double crystal monochromator, DCM2: BL19U2 double crystal monochromator, M1: deflecting mirror, M2: focus mirror

4 結(jié)語

SSRF第一條Canted光束線的特殊布局決定了其安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的特殊性與復(fù)雜性，該系統(tǒng)的設(shè)計需要綜合考慮各種情況：如前端區(qū)共用設(shè)備的控制問題；如何保證兩條光束線同時用光；光束線設(shè)備保護系統(tǒng)共用真空區(qū)間內(nèi)的聯(lián)鎖等。Canted光束線安全聯(lián)鎖系統(tǒng)于2013年7月通過內(nèi)部驗收，11月開始配合光束線進入大束流調(diào)光和光束線測試指標優(yōu)化階段，該光束線已于2014年5月通過專家組的測試驗收。Canted光束線安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的順利調(diào)試和驗收為復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)光束線、生物小角散射光束線能按計劃調(diào)光提供了基本保障。

在SSRF二期光束線站工程中，有多條光束線站采用了Canted結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，因此該Canted光束線安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗及運行情況對于SSRF線站工程的建設(shè)有極其重要的參考價值。

1 Berman L E, Allaire M, Chance M R, et al. Optics concept for a pair of undulator beamlines for MX[J]. Nuclear Instruments and Methods, 2011, A649: 131-135

2 金建峰, 劉學(xué), 吳冠原, 等. SSRF前端光子擋光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱應(yīng)力分析[J]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報, 2007, 37(10): 1231-1235

JIN Jianfeng, LIU Xue, WU Guanyuan, et al. Structure design and thermal stress analysis of photo shutter on SSRF front end[J]. Journal of University of Science and Technology of China, 2007, 37(10): 1231-1235

3 劉松強. 計算機控制系統(tǒng)的原理與方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2007: 8-10

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4 Matsushita T, Nakatani T, Ishizawa Y, et al. Beamline interlock system and rfBPM interlock system in SPring-8[J]. Nuclear Instruments and Methods, 2001, A467-468: 816-819

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CLCTP277

Design of the Canted beamline interlock system at SSRF

ZHU Zhouxia GONG Peirong
(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Zhangjiang Campus, Shanghai 201204, China)

Background:Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) is one of the third generation synchrotron radiation light sources in the world. Canted beamline which means two underlator are installed in one straight section is designed to increase the capacity of SSRF beamlines and thereof the interlock system for the canted beamline.Purpose:The aim of Canted beamline interlock system is to protect users and beamline components from the radiation of synchrotron light source, and ensure the Canted beamlines to run harmoniously.Methods:Based on Programmable Logic Controller (PLC), Canted beamline interlock system puts forward beamline arbitrary signals and two searching paths to solve a series of difficulties such as the interlock relationships of shared components and shared hutch area.Results:In case of emergency, Canted beamline interlock system closes the photon shutters or requests the storage control system to abort the stored electron beam to assure personal and beamline device safety according to preset interlock logic.Conclusion:The designed Canted beamline interlock system collaborates smoothly with other control systems and works well from July 2013 till now. The design methods presented here provides reference for the following Canted beamlines in phase-II beamlines project in the near future.

Front ends, Canted beamline, Safety interlock system, Programmable Logic Controller (PLC)

TP277

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.090102

國家自然科學(xué)基金的聯(lián)合基金項目(No.U1232115)資助

朱周俠，女，1977年出生，2003年于西安交通大學(xué)獲碩士學(xué)位，高級工程師，專業(yè)方向為光束線控制技術(shù)

2014-06-26，

2014-07-14