在线同位素分离器监控系统的研制

马瑞刚，崔保群，马鹰俊，唐 兵，陈立华，黄青华，马 燮

(中国原子能科学研究院 核物理研究所，北京 102413)

HI-13串列加速器升级工程放射性核素装置在线同位素分离器(ISOL)是一台具有高质量分辨率[1]的物理实验装置，能够提供多种能量(100～300 keV)、强度为106～1011s-1的短寿命放射性同位素。该装置具有设备众多、布局零散、分布电位不同、高压区域具有强电磁干扰及强放射性的特点。受控设备主要由真空系统、电源系统、水冷系统、束流诊断系统及安全联锁系统构成，依照该装置设备的布局特点和技术要求，监控系统采用基于PLC框架下的分布式控制系统(DCS)方案，分为现场控制层、中间层和操作层3部分。现场控制层实现本地设备的实时监控，控制方式主要有通信接口、模拟量及数字量3种控制接口。操作层是控制室的工作站终端，控制室工作站和现场PLC通过工业以太网实现数据交换，实时监测设备工作状态。本文介绍受控设备的特点、监控系统的基本结构、受控设备的控制方式、安全联锁和抗干扰设计、图形化监控软件设计、数据存储方式及运行情况。

1 ISOL装置系统组成

该装置利用100 MeV、200 μA回旋加速器[2]产生的质子束与靶材料相互作用，使靶材料中蒸发出短寿命放射性核素，然后由离子源引出约30 keV离子束通过分析磁铁筛选出所需的放射性核素，放射性离子束通过二次加速和分析后，注入到物理终端进行相关的实验研究。ISOL装置[3]的布局如图1所示，主要由靶源系统、电荷交换系统、预分析系统、主分析系统、偏转系统、低能束流线、束流诊断单元、真空系统等组成。靶源系统工作在高辐射的环境中，需单独的靶源维护系统对其进行相应的安装维护操作。

ISOL装置由3个不同的电位组成，分别为350 kV平台、300 kV平台和地电位，其设备分布在不同的工作电位上。其中靶源间、预分析段和电源间是高压区域且辐射剂量大，转换段以后是地电位区域。

2 ISOL监控系统总体布局

ISOL装置主要由靶源系统、预分析段、转换段、主分析段、爬升段、低能核素厅以及串列注入部分组成，依据设备的布局和特点，设计的ISOL监控系统构架如图2所示。

监控系统现场设备控制选用西门子S300系列PLC作为控制的核心部件，其中350 kV高压平台主要由阳极电源、靶加热电源、中间电极电源、磁场电源及温度测量模块组成，选用西门子CPU315-2DP CPU和若干扩展模块组成控制机柜；300 kV高压平台主要包括透镜电源、分析磁铁电源、真空系统、束流诊断系统、电荷交换系统等设备。现场控制柜选用CPU317-2DP和CPU315-2DP 2个CPU模块作为核心控制部件，主CPU机架和扩展机架采用Profibus现场总线实现数据交换，提高控制系统的可靠性。设备运行时，高压平台及周边由于存在高压打火放电，产生的电磁干扰和地线波动会影响控制系统和设备的正常工作。因此，必须采取措施保证设备的稳定工作。

图1 ISOL装置的布局Fig.1 Layout diagram of ISOL equipment

图2 ISOL监控系统构架Fig.2 Structure principle diagram of ISOL control system

地电位沿束流线分布的设备采用4个控制机柜实现现场设备的监控，每个控制柜采用1个CPU317-2DP主CPU和若干扩展机架构成。控制室设置1个控制机柜，用于300 kV高压电源及相关设备的安全联锁。主分析段和控制室距离较远，在主分析段控制柜设置1台6个电口和1个光口的工业以太网交换机，转换段、爬升段和低能核素厅通过电口连接到主分析段控制柜交换机，交换机的光口通过1根光纤连接到控制室，350 kV平台和300 kV平台使用2根光纤连接到控制室，实现电位隔离且提高了抗干扰能力。

3 监控系统硬件及接口

根据ISOL装置的技术要求，选择合适的控制接口即可满足控制系统的实时性且兼顾通用性。控制对象主要由离子源系统、真空系统、透镜和导向系统、束流诊断系统、分析磁铁和磁场测量系统、水冷系统等组成。图3为ISOL监控系统控制对象接口框图，控制对象接口[4-5]选择基于以下考虑：1) 通信接口按照控制对象接口标准选择相应的总线接口，且考虑通信接口接入设备的数量保证实时性；2) 因现场打火干扰的影响[6-8]，选择具有隔离功能的模块，开关量采用继电器隔离，模拟量和通信接口采用隔离和浪涌抑制措施确保设备的可靠性。

3.1 离子源控制

在350 kV高压平台受控设备中，阴极和靶加热稳功率程控电源采用西门子RS232隔离通信模块控制，中间电极电源和磁场电源采用模拟量和开关量组合的控制方式。此柜体采用配电、控制、设备一体化的配置模式，采取屏蔽、隔离和保护线路的防护措施，增强了系统的稳定性。

3.2 预分析段控制

该束流线的设备种类繁多，控制方式多样，设备包括真空系统、束流诊断系统[9-11]、电荷交换系统、透镜和导向电源、预分析磁铁电源等。真空系统控制采用真空控制箱，用于控制干泵、阀门、真空设备供电等，开关量和模拟量采用隔离措施，分子泵和真空计控制采用RS485通信接口。透镜和导向电源采用模拟接口控制，为消除束流色散和保证高质量分辨率要求，采用正负电源同时输出且保证对称性好于0.1%的技术指标。由于电源内部器件的非线性，采用模拟接口控制且通过软件编程修正的方法实现电源的高对称性。

束流诊断系统是由法拉第筒控制和测量、发射度测量、放射性束流鉴别等组成[12]，它是通过开关量、模拟量和RS485通信接口相组合的控制方式，按照规定的控制流程通过软件编程实现的一套复杂的控制方法。

图3 ISOL监控系统控制对象接口框图Fig.3 Control object interface framework of ISOL control system

预分析磁铁使用高稳定度(10 ppm)、低纹波和高分辨的稳流电源产生高稳定和高分辨率磁场，使用核磁共振仪测量磁场，通过磁场选出需要的在线放射性核束。因它们的特殊性，选用通信接口控制且提高系统的抗干扰能力。

3.3 地电位束流线控制

地电位束流线由4个控制机柜组成，分别用于转换段、主分析段、爬升段、低能核素厅束流线设备的控制，各控制柜之间通过工业以太网电口连接，控制柜内部主机架和扩展机架之间采用Profibus现场总线通信。

控制室放置1个控制柜主要用于+300 kV和-300 kV高压电源控制且实现和回旋加速器的安全联锁。+300 kV高压电源采用带光纤隔离的RS422通信接口，-300 kV高压电源采用电隔离且加装了浪涌抑制电路的RS232通信接口，此措施进一步增强了控制系统的抗干扰能力。

4 监控系统软件设计

现场控制PLC采用SIMATIC STEP 7 V5.3开发应用程序，使用SIMATIC WinCC V6.0图形组态软件开发上位机监控界面。现场PLC在线监控设备运行状态且实时发送到控制室工作站，即使工作站出现故障也不影响设备的正常运行。控制室工作站采用图形化交互式的控制界面，控制界面实时显示真空设备的工作状态，泵、阀门采用双击鼠标的方式控制开启和停止，且设置联锁功能防止误操作。

在电源控制界面中，电源采用双击电源图标弹出电源界面的控制方式，对电源进行各种操作，如不需显示，可关闭电源控制界面，仅显示关注的电源。在通信接口编程时，为提高设备的响应时间，下位机控制程序采用定时中断的控制方式且设置优先级。

在线放射性核束的筛选需设置不同的高分辨率稳定磁场，由于磁铁的磁滞现象，增加了在线调束的难度。在现场PLC编程时，磁铁电源输出电流与核磁共振仪测量的磁场采用闭环控制且采用复杂的算法。程序根据设定的目标磁场，自行调整磁铁的励磁电流，最终实现目标磁场，选出需要的在线放射性核束，极大地提高了调束效率和精度。数据存储采用Excel表格的存储方式，在进行实验时，软件将所有设备的工作参数以0.5 s的时间间隔实时存储，以便在实验过程中出现故障时，通过查找备份的实验数据分析原因和确定故障点。

5 安全和抗干扰设计

ISOL靶源需要回旋加速器提供质子束打靶，离子引出分析后的在线同位素注入串列加速器加速，提供给物理实验终端。因此，需设计2套安全联锁系统。

ISOL装置和回旋加速器由真空联锁和供束联锁组成，当ISOL初级模块真空度好于3×10-3Pa，向回旋加速器提供真空度好的触点信号，当回旋加速器束线真空具备条件时，可打开回旋加速器和ISOL靶源间的最末端真空阀门，同时给出ISOL真空阀门的状态。当具备供束条件时，ISOL给出回旋加速器允许供束请求(触点信号)，在回旋加速器具备供束条件时，给ISOL提供质子束且给出供束状态显示。靶源模块温度开关、靶源模块底板温度开关、初级模块温度开关、加速管前端法兰温度开关任何1个过温，均会自动切断束流。同时，在控制室设置急停开关。即使控制系统发生故障或发生紧急情况，可通过急停开关切断束流。

ISOL装置和串列加速器的联锁有调试、低能段出束、束流注入3种工作模式，按要求设计1台联锁控制箱，控制对象主要有前端法拉第筒、法拉第筒、插板阀、束流塞；在调试模式工作时，前端法拉第筒为放下状态，法拉第筒、束流塞和插板阀允许动作。在低能段出束模式工作时，束流塞和插板阀处于关闭状态不能动作；在束流注入模式工作时，受控对象在允许的条件下，可打开和关闭。在设备异常时，法拉第筒、束流塞和插板阀自动关闭。

300 kV加速高压电源联锁采用硬件和软件相结合的控制方式实现双重联锁，确保人员安全，电源间高压防护门、预分析段屏蔽门和高压电源采用硬联锁，采用行程开关相串联的方式接入高压电源的Interlock安全联锁端子。电源间屏蔽门、预分析段屏蔽门和PLC电源控制系统采用软件联锁。双重联锁保证任何安全门打开，高压电源自动切断高压输出。磁铁电源和磁铁构成完备的安全联锁，磁铁电源可通过磁铁的冷却水出口的流量开关和磁铁线圈上的温度开关判断冷却系统的工作状态，确保磁铁安全。控制室的工作站通过以太网与现场PLC通信实现磁铁电源控制和监测磁铁电源的工作状态。

处于高压区域的ISOL监控系统和设备，在靶源工作时，电极脏等原因引起高压打火现象，不可避免地在高压区域产生电磁干扰和地电位波动，造成控制系统和受控设备的损坏。必须采取措施减小和消除干扰[5-6]的影响，保证设备稳定可靠地工作。

为提高ISOL控制系统和设备的可靠性，高压平台的配电柜输入端加装浪涌保护器作为一级保护，PLC控制机柜采用屏蔽机柜，供电输入加入二级浪涌保护器降低干扰脉冲的影响，进一步消除供电对控制系统的影响，屏蔽可减少和消除强电磁干扰对控制系统的影响，控制系统和设备间的控制线均采用屏蔽多芯线。图4为监控系统接地原理图，设备采用单点接地的方式，为降低集肤效应的影响，接地线选用多股铜线。PLC控制系统和设备之间加装合适的瞬变抑制二极管限制突变高压的影响。通过采取上述措施，确保控制系统和设备稳定可靠地工作。

6 结论

ISOL对加速高压电源和磁铁电源监控采用通信接口，保证高稳定度和高分辨率的技术指标。透镜电源要求高对称性正负输出，采用软件修正的控制方法保证高对称性指标。位于高压区域和周边的设备工作环境较恶劣，在高压打火时有强电磁干扰和地线波动，为减少监控系统和相关设备的损坏，监控系统和供电采取了隔离和增加保护器件的措施，采用单点接地方式且选用合适的接地线。

图4 监控系统接地原理图Fig.4 Crounding diagram of control system

ISOL装置在2014年10完成高质量分辨率测试，2015年2月与HI-13串列加速器完成联合调试，2015年4月完成首次38K放射性核素产生，2018年6月完成连续300 h的短寿命20Na放射性核素物理实验。ISOL监控系统在实验过程中，没有因为高压打火造成控制系统失效或设备损坏，且在实验过程中根据实际情况对控制软件进行了完善和优化，该装置的监控系统运行稳定可靠。