錦屏深地強(qiáng)流高壓加速器控制系統(tǒng)的研制

馬瑞剛，崔保群，李愛(ài)玲，陳立華，馬鷹俊，唐 兵，王云峰，黃青華，連 鋼，柳衛(wèi)平，武 啟，王鵬鵬

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.中國(guó)科學(xué)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(jié)合的跨學(xué)科研究領(lǐng)域，它主要研究元素的起源及核過(guò)程如何影響宇宙中恒星的進(jìn)化和滅亡。為了滿足核天體物理實(shí)驗(yàn)需求，我們利用低能高穩(wěn)定強(qiáng)流高壓加速器裝置，在低本底實(shí)驗(yàn)環(huán)境下(錦屏深地實(shí)驗(yàn)室)，采取直接物理測(cè)量的方法，開(kāi)展相關(guān)的核天體物理實(shí)驗(yàn)研究。該強(qiáng)流高壓加速器[1-2]由中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理研究所加速器物理組開(kāi)展后加速段的設(shè)計(jì)和建造工作，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所開(kāi)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(qiáng)流高壓加速器引出能量為70～400 keV，束流強(qiáng)度為10 mA(Max)，束流傳輸效率大于90%，束流能量波動(dòng)小于0.1%?？刂葡到y(tǒng)采用遠(yuǎn)程控制，具有安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。本文介紹錦屏深地強(qiáng)流高壓加速器自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、控制軟件和安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)；在加速器運(yùn)行過(guò)程中高壓打火產(chǎn)生的強(qiáng)干擾影響下，控制系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)備如何正常運(yùn)行；以及在調(diào)試和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題。

1 加速器設(shè)備布局和特點(diǎn)

圖1 加速器設(shè)備分布Fig.1 Accelerator equipment layout

強(qiáng)流高壓加速器的設(shè)備分布如圖1所示，主要由ECR離子源、螺線管、分析磁鐵、強(qiáng)流加速管、三單元聚焦透鏡、束流測(cè)量單元及真空系統(tǒng)等構(gòu)成。強(qiáng)流高壓加速器的束流線沿50 kV高壓臺(tái)架、350 kV高壓臺(tái)架和地電位分布。高壓加速器裝置中的ECR離子源和強(qiáng)流加速管運(yùn)行時(shí)，不可避免地引起高壓打火放電現(xiàn)象，高壓打火產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾和供電系統(tǒng)的波動(dòng)嚴(yán)重影響高壓加速器運(yùn)行的可靠性。因此，在高壓平臺(tái)和外圍區(qū)域極其惡劣的工作環(huán)境下，高壓加速器控制系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)備的選型、設(shè)計(jì)、集成都需有特殊的要求。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)錦屏深地強(qiáng)流高壓加速器設(shè)備分布情況和自有特點(diǎn)，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)采用基于可編程邏輯控制器(PLC)的分布式以太網(wǎng)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)下位機(jī)選擇經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的、可靠性高的PLC，PLC主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架之間采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，現(xiàn)場(chǎng)控制層和操作層采用工業(yè)以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)通信。同時(shí)，控制系統(tǒng)和設(shè)備接地采用特殊的設(shè)計(jì)，供電系統(tǒng)采用多級(jí)保護(hù)措施，進(jìn)一步加強(qiáng)控制系統(tǒng)和設(shè)備的抗干擾能力和穩(wěn)定性?？刂葡到y(tǒng)軟件采用基于EPICS客戶端/服務(wù)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(wù)器上的輸入/輸出控制模塊IOC和通道訪問(wèn)模塊CA組成。圖2為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，OPI與IOC通過(guò)基于CA協(xié)議的局域網(wǎng)連接，EPICS/CA支持TCP/IP協(xié)議。高壓平臺(tái)設(shè)置1臺(tái)服務(wù)器、1套S300PLC控制器和串口服務(wù)器等相關(guān)設(shè)備，地電位設(shè)置1套S300PLC控制器，控制室設(shè)置1臺(tái)服務(wù)器和2臺(tái)工作站，用于設(shè)備的監(jiān)控。高電位和地電位通過(guò)1對(duì)工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)電位隔離和數(shù)據(jù)交換。高壓平臺(tái)選用1套S300PLC實(shí)現(xiàn)微波機(jī)、高壓引出電源、真空計(jì)、真空插板閥等設(shè)備的監(jiān)控；采用1臺(tái)串口服務(wù)器對(duì)螺線管電源、分析磁鐵電源以及束流測(cè)量系統(tǒng)中電機(jī)的控制。

地電位S300PLC控制器用于地電位現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。其中，磁透鏡和分析磁鐵電源采用RS485遠(yuǎn)程通信接口滿足高穩(wěn)定度和高分辨率的控制要求，加速管抑制高壓電源和導(dǎo)向電源,使用S300PLC模擬量模塊實(shí)現(xiàn)電源的監(jiān)控。真空系統(tǒng)通過(guò)1臺(tái)真空控制箱完成閥門、干泵的監(jiān)控及真空設(shè)備的供電，具有本地/遠(yuǎn)程切換功能。束流測(cè)量單元使用S300PLC模擬量模塊和開(kāi)關(guān)量模塊遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)束流強(qiáng)度等相關(guān)信息。

3 開(kāi)發(fā)軟件選取

常用的控制系統(tǒng)組態(tài)軟件主要有EPICS系統(tǒng)、西門子WinCC和Intellution公司的iFix自動(dòng)化監(jiān)控組態(tài)軟件[3-7]，EPICS系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)物理和工業(yè)控制系統(tǒng)，具有分布式控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)模型，具有可移植性、可互換性、可裁減性及可重用性等特點(diǎn)；經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐證明，EPICS還具有運(yùn)行穩(wěn)定、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活、開(kāi)放性和可擴(kuò)展性好、國(guó)際交流協(xié)作方便等優(yōu)勢(shì)。因此，該強(qiáng)流高壓加速器選用EPICS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。EPICS視窗環(huán)境為用戶提供了豐富的軟件開(kāi)發(fā)工具，EPICS Base工具模塊中有通道訪問(wèn)函數(shù)庫(kù)CA clients/server Lib、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)程序DB Access Routines等工具；EPICS Extension模塊提供了圖形人機(jī)界面開(kāi)發(fā)工具M(jìn)EDM/EDM、故障報(bào)警管理軟件ALH、歷史數(shù)據(jù)存檔工具Channel Archiver等；此外，還嵌入了第三方應(yīng)用軟件，如C語(yǔ)言編譯器(Gcc)、面向?qū)ο蟮哪_本語(yǔ)言(Python)、軟件版本一致性管理工具(CVS)等。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Control system structure

4 控制軟件設(shè)計(jì)

選用EPICS組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)上位機(jī)操作員監(jiān)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(tǒng)控制界面、安全聯(lián)鎖設(shè)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(jiān)控界面、真空度顯示、報(bào)警和故障顯示、流量開(kāi)關(guān)狀態(tài)顯示等，圖4為真空系統(tǒng)控制界面，窗口可實(shí)時(shí)監(jiān)控真空設(shè)備的工作狀態(tài)，具有操作方便、顯示清晰的特點(diǎn)。下位機(jī)S300PLC完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控任務(wù)，采用STEP7 V5.3組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制程序，安全聯(lián)鎖采用軟件編程和硬聯(lián)鎖相結(jié)合的控制方式，確保監(jiān)控設(shè)備的安全。

5 設(shè)備抗干擾設(shè)計(jì)

在強(qiáng)流高壓加速器運(yùn)行時(shí)，惡劣的工作環(huán)境影響電氣設(shè)備的正常工作。對(duì)控制系統(tǒng)和受控設(shè)備必須采取有效的保護(hù)措施，確保設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。圖5為加速器設(shè)備供電原理圖，系統(tǒng)采用單點(diǎn)接地方式，高壓平臺(tái)和地電位分別設(shè)置2個(gè)接地匯流排，強(qiáng)流高壓加速器總配電柜增加浪涌保護(hù)器作為一級(jí)保護(hù)，真空柜配電箱和電源供電箱增加浪涌保護(hù)器作為二級(jí)防護(hù)，高壓平臺(tái)配電箱內(nèi)增加浪涌保護(hù)器作為一級(jí)保護(hù)，控制系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)增加浪涌保護(hù)器作為二級(jí)保護(hù)，電氣設(shè)備供電增加壓敏電阻和吸收電容等保護(hù)器件，確保設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

西門子S300PLC控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量和受控設(shè)備之間采用繼電器作為一級(jí)隔離，S300PLC控制器CPU單元與開(kāi)關(guān)量模塊之間總線采用光電器件實(shí)現(xiàn)二級(jí)隔離；模擬量模塊和受控設(shè)備之間加裝瞬變抑制二極管作為一級(jí)保護(hù)，CPU單元和模擬量模塊之間采用光電隔離實(shí)現(xiàn)二級(jí)保護(hù)。采用上述的保護(hù)和隔離措施后，極大地提高了控制系統(tǒng)和受控設(shè)備在強(qiáng)干擾環(huán)境下運(yùn)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(tǒng)控制界面Fig.4 Operation window of vaccum system

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

6 安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)

在錦屏深地強(qiáng)流高壓加速器系統(tǒng)中，安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)影響整套設(shè)備的可靠性。因此，在真空系統(tǒng)和電氣設(shè)備之間設(shè)計(jì)1套完備的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)至關(guān)重要。圖6為真空系統(tǒng)安全聯(lián)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(kāi)啟后，當(dāng)前級(jí)真空度達(dá)到設(shè)定真空度時(shí)，準(zhǔn)許開(kāi)啟分子泵，對(duì)分子泵起到保護(hù)作用。

圖7為設(shè)備聯(lián)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(qiáng)流加速管溫度、高電位的F筒溫度和微波機(jī)之間構(gòu)成互鎖關(guān)系，任何一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)異常故障都需快速切斷束流，防止強(qiáng)流束造成設(shè)備損壞。

7 控制系統(tǒng)調(diào)試

控制系統(tǒng)的受控設(shè)備在離線條件下進(jìn)行調(diào)試，保證每臺(tái)設(shè)備遠(yuǎn)程操作運(yùn)轉(zhuǎn)正常，離線調(diào)試完成后，進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)調(diào)試，確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在線實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中，最大的問(wèn)題是高壓加速器打火經(jīng)常引起離子源控制系統(tǒng)S300PLC停機(jī)或設(shè)備損壞[10-11]，如在400 keV、6 mA條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)微波機(jī)損壞和S300PLC控制系統(tǒng)停機(jī)問(wèn)題。

圖6 真空系統(tǒng)安全聯(lián)鎖界面Fig.6 Safety interlock window of vaccum system

圖7 設(shè)備聯(lián)鎖原理Fig.7 Safety interlock window of equipment

根據(jù)微波機(jī)損壞的原因，對(duì)微波機(jī)控制部分采取隔離措施，供電部分加裝保護(hù)器件，防止脈沖尖峰電壓造成半導(dǎo)體功率器件的損壞，解決了微波機(jī)損壞問(wèn)題。在加速器高壓打火時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)PLC控制系統(tǒng)出現(xiàn)停機(jī)故障，通過(guò)PLC在線診斷系統(tǒng)查看故障碼，分析PLC故障停機(jī)的可能原因，編寫相應(yīng)的故障處理程序，保證PLC控制系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)時(shí)采取相應(yīng)的措施。同時(shí)，控制系統(tǒng)加裝高性能EMI濾波器，確?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

8 結(jié)論

根據(jù)錦屏深地強(qiáng)流高壓加速器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了1套基于以太網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備選用西門子S300PLC控制系統(tǒng)，采用EPICS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)上位機(jī)控制軟件。按照裝置的要求設(shè)計(jì)了1套完備的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，確保設(shè)備和人員的安全。通過(guò)不斷地分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，解決了強(qiáng)流高壓加速器在運(yùn)行時(shí)高壓打火對(duì)設(shè)備和控制系統(tǒng)運(yùn)行造成的影響問(wèn)題。目前，該強(qiáng)流高壓加速器已開(kāi)展核天體物理實(shí)驗(yàn)研究，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)3 500 h，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。