同位素電磁分離器離子源控制系統(tǒng)的研制

(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

0 引言

由于同位素的應(yīng)用發(fā)展迅速、重要性與日俱增，同位素的應(yīng)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(shù)，到非常古老的地質(zhì)學(xué)；從人類自身的食品安全、醫(yī)療服務(wù)，到與人類息息相關(guān)的環(huán)境科學(xué)、生態(tài)科學(xué)都能找到。因此，發(fā)展同位素技術(shù)成為促進科技進步、實現(xiàn)經(jīng)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(wěn)定同位素不僅是多種放射性同位素的生產(chǎn)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(wěn)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(chǎn)具有重要軍用、民用價值的高豐度穩(wěn)定同位素的關(guān)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(wěn)定同位素唯一可行的方法。

為滿足我國對高豐度穩(wěn)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(shù)封鎖，必須提升同位素電磁分離器技術(shù)能力和工藝水平。自2011年開始，中國原子能科學(xué)研究院開展了同位素電磁分離器綜合技術(shù)改造項目，2016年完成了對該設(shè)施的綜合技術(shù)改造，同位素電磁分離器控制系統(tǒng)是此次改造項目的5個重點系統(tǒng)之一[2]。

同位素電磁分離器建于20世紀(jì)60年代，一些設(shè)備及系統(tǒng)已落后，系統(tǒng)存在著自動化程度低、所有設(shè)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(shù)調(diào)節(jié)精度低、生產(chǎn)過程無法集中監(jiān)控的問題，影響了同位素的生產(chǎn)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(jié)構(gòu)復(fù)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(diào)節(jié)方式通過旋鈕進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度低。

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

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

離子源控制系統(tǒng)中電源種類多，如何選取電源控制接口與控制系統(tǒng)連接，且要保證控制對象的響應(yīng)時間和控制精度，對電源控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計提出了嚴峻的要求。在同位素電磁分離器中，高壓區(qū)域離子源打火是不可避免的，打火放電產(chǎn)生的電磁干擾影響設(shè)備和控制系統(tǒng)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(qū)域附近電源設(shè)備和控制系統(tǒng)穩(wěn)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(tǒng)的核心部件，其性能直接影響到電磁分離器的產(chǎn)能和濃縮豐度。離子源的性能主要體現(xiàn)在引出束流的品質(zhì)，包括束流強度、束流穩(wěn)定度等。

目前，中國原子能科學(xué)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(tǒng)主要包括：汽化放電裝置、引出電極、高壓絕緣與支撐結(jié)構(gòu)、防打火裝置、水冷裝置等，它能產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)的影響。控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)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(chǎn)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(jīng)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(qū)；加熱燈絲(3)發(fā)射電子轟擊陰極(4)，陰極發(fā)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(fā)生碰撞電離，形成弧放電等離子體；離子經(jīng)引出三電極系統(tǒng)(UA加速極電壓、UF聚焦極電壓和地電極(1)稱為三電極系統(tǒng))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(jié)構(gòu)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(jù)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(jù)被分離元素的特點，把加速電壓UA和聚焦電壓UF調(diào)到分離時要求的數(shù)值。

3)根據(jù)被分離元素的特點，分配器電源功率加到給定數(shù)值。

4)坩堝電源電流要由小到大，根據(jù)試驗方案，逐步增加，直到啟弧。

5)啟弧后，調(diào)節(jié)加速電壓，使離子束移到接收器擋門上，對準(zhǔn)口袋的位置。

6)調(diào)節(jié)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(shù)，以便獲得最高品質(zhì)的離子束。

4 系統(tǒng)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(tǒng)精確調(diào)節(jié)各電源的參數(shù)，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(shù)參數(shù)是實現(xiàn)高質(zhì)量分辨率的重要設(shè)備，加速電源穩(wěn)定度要求好于±0.04%，本控和遠控的輸出電壓設(shè)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(yīng)0～40 kV，誤差為±1%，電流輸出值為電壓信號0～10 V對應(yīng)0～250 mA，誤差為±2%。

聚焦電源穩(wěn)定度好于±1%，本控和遠控的輸出電壓設(shè)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(yīng)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(yīng)0～300 mA，誤差為±2%。

磁場電源的電流穩(wěn)定度好于±0.02%，電流調(diào)節(jié)精度為0.1%，提供通訊RS232接口。電流的穩(wěn)定度是根據(jù)離子束的位移不得超過質(zhì)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?？刂葡到y(tǒng)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(lián)與PLC模塊進行通訊，弧放電電流要專門的穩(wěn)定裝置，通過控制燈絲加熱功率，使弧流穩(wěn)定在±5%以內(nèi)，其它低壓電源的穩(wěn)定度為±1%。

在高壓支架內(nèi)PLC模塊將采集到的在高電位上工作的低壓電源數(shù)據(jù)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(fā)送傳輸至高電位的PLC模塊，再經(jīng)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(xiàn)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(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳輸距離，選擇OLM P11光模塊實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)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(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)的影響，控制系統(tǒng)一直運行穩(wěn)定可靠。

圖4 高低壓信號傳輸示意圖

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

根據(jù)工藝要求，系統(tǒng)整體采用一套西門子S7-300系列模塊，S7-300采用模塊化設(shè)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(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機通訊[6]。

離子源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

圖5 離子源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過TIA博途軟件的設(shè)備視圖，按硬件實際安裝次序?qū)⒂布渲玫较鄳?yīng)的機架上，并對PLC硬件模塊的參數(shù)進行設(shè)置和修改。在項目視圖中，“添加新設(shè)備”，根據(jù)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(yīng)放置接口模塊(為了以后擴展預(yù)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(shè)備，建立HMI站，創(chuàng)建SIMATIC PC station作為上位機操作站，添加IE general及HMI_RT設(shè)備。

硬件配置是對PLC硬件系統(tǒng)的參數(shù)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(wǎng)PROFIBUS_1，地址為2。配置CP343-1的以太網(wǎng)接口連接到PN/IE_1，IP地址為192.168.250.01，子網(wǎng)掩碼設(shè)置為255.255.255.0。配置SIMATIC PC station 網(wǎng)絡(luò)接口連接到子網(wǎng)PN/IE_1，IP地址為192.168.250.02，子網(wǎng)掩碼設(shè)置為255.255.255.0[8]。其中CPU和上位機的IP地址必須同網(wǎng)段，子網(wǎng)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(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)塊中的符號地址，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)各設(shè)備對應(yīng)的PLC地址進行組態(tài)初始化，通過變量和動態(tài)元件交換輸入輸出數(shù)據(jù)和過程值[7]。

5 系統(tǒng)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(tài)平臺，各個設(shè)備的組態(tài)、配置和編程工作高度集成，各部分的數(shù)據(jù)集成并統(tǒng)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(tǒng)，對控制系統(tǒng)的調(diào)試周期、成本控制及自動化有很大幫助。

系統(tǒng)軟件平臺采用Windows7 Professional SP1操作系統(tǒng)，上位機采用西門子開發(fā)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(tǒng)要求；具有計算機的管理員權(quán)限；關(guān)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(quán)管理器，授權(quán)管理器可以傳遞、檢測、刪除授權(quán)[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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)內(nèi)容的16進制數(shù)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(tǒng)使用要求。

工程師站通過100 M Ethernet TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)對現(xiàn)場I/O監(jiān)控站的程序、組態(tài)、參數(shù)等進行設(shè)計、修改、開發(fā)并監(jiān)視運行，離子源控制系統(tǒng)的運行界面如圖6所示。在用戶組態(tài)畫面上，匯集和顯示離子源有關(guān)的運行信息，供操作人員據(jù)此對同位素分離器的運行工況進行監(jiān)視和控制等功能。

6 試驗結(jié)果與分析

離子源控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對各個電源的運行參數(shù)及狀態(tài)顯示，實現(xiàn)了對電源參數(shù)的精確調(diào)節(jié)、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(shù)，設(shè)計了電源參數(shù)存儲功能，數(shù)據(jù)存儲于SQL Sever數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)可以對采集數(shù)據(jù)進行自動記錄、查詢、分析、統(tǒng)計、打印等操作，所采集到的電源運行參數(shù)記錄如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)采集的離子源各電源參數(shù)記錄

一套完備的電源控制系統(tǒng)，安全連鎖對設(shè)備的保護和人員安全是必不可少的。離子源控制系統(tǒng)提供了必要的安全連鎖保護[10]，如：冷卻系統(tǒng)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(yīng)的處理流程。

離子源控制系統(tǒng)已無事故安全穩(wěn)定運行三年，本系統(tǒng)抗干擾能力強、編程安裝使用簡便、壽命長，對系統(tǒng)分散控制、集中管理操作，提高了離子源重要電參數(shù)的調(diào)節(jié)精度。

7 結(jié)論

國內(nèi)首次利用計算機對同位素電磁分離器的離子源系統(tǒng)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(shù)，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(tǒng)的安全性、可靠性，對于離子源電源參數(shù)調(diào)節(jié)精度的提高直接影響了分離器分離產(chǎn)品的豐度。