锦屏深地强流高压加速器控制系统的研制

马瑞刚，崔保群，李爱玲，陈立华，马鹰俊，唐 兵，王云峰，黄青华，连 钢，柳卫平，武 启，王鹏鹏

(1.中国原子能科学研究院，北京 102413；2.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000)

核天体物理是核物理和天体物理相结合的跨学科研究领域，它主要研究元素的起源及核过程如何影响宇宙中恒星的进化和灭亡。为了满足核天体物理实验需求，我们利用低能高稳定强流高压加速器装置，在低本底实验环境下(锦屏深地实验室)，采取直接物理测量的方法，开展相关的核天体物理实验研究。该强流高压加速器[1-2]由中国原子能科学研究院核物理研究所加速器物理组开展后加速段的设计和建造工作，中国科学院近代物理研究所开展电子回旋共振(ECR)离子源和低能传输部分的研究工作。该强流高压加速器引出能量为70～400 keV，束流强度为10 mA(Max)，束流传输效率大于90%，束流能量波动小于0.1%。控制系统采用远程控制，具有安全联锁系统。本文介绍锦屏深地强流高压加速器自动控制系统的基本结构、控制软件和安全联锁设计；在加速器运行过程中高压打火产生的强干扰影响下，控制系统和相关设备如何正常运行；以及在调试和实验过程中遇到的问题。

1 加速器设备布局和特点

图1 加速器设备分布Fig.1 Accelerator equipment layout

强流高压加速器的设备分布如图1所示，主要由ECR离子源、螺线管、分析磁铁、强流加速管、三单元聚焦透镜、束流测量单元及真空系统等构成。强流高压加速器的束流线沿50 kV高压台架、350 kV高压台架和地电位分布。高压加速器装置中的ECR离子源和强流加速管运行时，不可避免地引起高压打火放电现象，高压打火产生的强电磁干扰和供电系统的波动严重影响高压加速器运行的可靠性。因此，在高压平台和外围区域极其恶劣的工作环境下，高压加速器控制系统和相关设备的选型、设计、集成都需有特殊的要求。

2 控制系统结构

根据锦屏深地强流高压加速器设备分布情况和自有特点，控制系统硬件结构采用基于可编程逻辑控制器(PLC)的分布式以太网控制系统。控制系统下位机选择经过实验验证的、可靠性高的PLC，PLC主机架和扩展机架之间采用PROFIBUS现场总线实现数据交换，现场控制层和操作层采用工业以太网完成数据通信。同时，控制系统和设备接地采用特殊的设计，供电系统采用多级保护措施，进一步加强控制系统和设备的抗干扰能力和稳定性。控制系统软件采用基于EPICS客户端/服务器模式的分布式控制框架，由客户端的操作员接口模块OPI、服务器上的输入/输出控制模块IOC和通道访问模块CA组成。图2为控制系统结构，OPI与IOC通过基于CA协议的局域网连接，EPICS/CA支持TCP/IP协议。高压平台设置1台服务器、1套S300PLC控制器和串口服务器等相关设备，地电位设置1套S300PLC控制器，控制室设置1台服务器和2台工作站，用于设备的监控。高电位和地电位通过1对工业级以太网交换机实现电位隔离和数据交换。高压平台选用1套S300PLC实现微波机、高压引出电源、真空计、真空插板阀等设备的监控；采用1台串口服务器对螺线管电源、分析磁铁电源以及束流测量系统中电机的控制。

地电位S300PLC控制器用于地电位现场设备的控制。其中，磁透镜和分析磁铁电源采用RS485远程通信接口满足高稳定度和高分辨率的控制要求，加速管抑制高压电源和导向电源,使用S300PLC模拟量模块实现电源的监控。真空系统通过1台真空控制箱完成阀门、干泵的监控及真空设备的供电，具有本地/远程切换功能。束流测量单元使用S300PLC模拟量模块和开关量模块远距离监测束流强度等相关信息。

3 开发软件选取

常用的控制系统组态软件主要有EPICS系统、西门子WinCC和Intellution公司的iFix自动化监控组态软件[3-7]，EPICS系统是实验物理和工业控制系统，具有分布式控制系统的标准模型，具有可移植性、可互换性、可裁减性及可重用性等特点；经过大量实践证明，EPICS还具有运行稳定、系统结构灵活、开放性和可扩展性好、国际交流协作方便等优势。因此，该强流高压加速器选用EPICS系统实现上位机应用程序的开发。EPICS视窗环境为用户提供了丰富的软件开发工具，EPICS Base工具模块中有通道访问函数库CA clients/server Lib、静态和动态数据库访问程序DB Access Routines等工具；EPICS Extension模块提供了图形人机界面开发工具MEDM/EDM、故障报警管理软件ALH、历史数据存档工具Channel Archiver等；此外，还嵌入了第三方应用软件，如C语言编译器(Gcc)、面向对象的脚本语言(Python)、软件版本一致性管理工具(CVS)等。

图2 控制系统结构Fig.2 Control system structure

4 控制软件设计

选用EPICS组态软件开发上位机操作员监控软件，采用图形化交互式[8-9]控制界面，主要包括主控界面、真空系统控制界面、安全联锁设置控制界面、主加速高压电源控制界面、离子源控制界面等。加速器控制主界面(图3)包括电源监控界面、真空度显示、报警和故障显示、流量开关状态显示等，图4为真空系统控制界面，窗口可实时监控真空设备的工作状态，具有操作方便、显示清晰的特点。下位机S300PLC完成现场设备的实时监控任务，采用STEP7 V5.3组态软件开发现场设备控制程序，安全联锁采用软件编程和硬联锁相结合的控制方式，确保监控设备的安全。

5 设备抗干扰设计

在强流高压加速器运行时，恶劣的工作环境影响电气设备的正常工作。对控制系统和受控设备必须采取有效的保护措施，确保设备运行的稳定性和可靠性。图5为加速器设备供电原理图，系统采用单点接地方式，高压平台和地电位分别设置2个接地汇流排，强流高压加速器总配电柜增加浪涌保护器作为一级保护，真空柜配电箱和电源供电箱增加浪涌保护器作为二级防护，高压平台配电箱内增加浪涌保护器作为一级保护，控制系统机柜内增加浪涌保护器作为二级保护，电气设备供电增加压敏电阻和吸收电容等保护器件，确保设备的稳定性和可靠性。

西门子S300PLC控制系统的开关量和受控设备之间采用继电器作为一级隔离，S300PLC控制器CPU单元与开关量模块之间总线采用光电器件实现二级隔离；模拟量模块和受控设备之间加装瞬变抑制二极管作为一级保护，CPU单元和模拟量模块之间采用光电隔离实现二级保护。采用上述的保护和隔离措施后，极大地提高了控制系统和受控设备在强干扰环境下运行的可靠性。

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

图4 真空系统控制界面Fig.4 Operation window of vaccum system

图5 加速器设备供电原理Fig.5 Main power supply of accelerator equipment

6 安全联锁设计

在锦屏深地强流高压加速器系统中，安全联锁设计影响整套设备的可靠性。因此，在真空系统和电气设备之间设计1套完备的安全联锁系统至关重要。图6为真空系统安全联锁界面，干泵、真空阀门和分子泵之间形成互锁，如阀门DP2.1、EMV2.1&EMV2.2、GV2.1开启后，当前级真空度达到设定真空度时，准许开启分子泵，对分子泵起到保护作用。

图7为设备联锁原理图，电源、F筒、DCCT与水冷和温度形成双重互锁；束流线中的插板阀、强流加速管温度、高电位的F筒温度和微波机之间构成互锁关系，任何一个设备出现异常故障都需快速切断束流，防止强流束造成设备损坏。

7 控制系统调试

控制系统的受控设备在离线条件下进行调试，保证每台设备远程操作运转正常，离线调试完成后，进行在线实验调试，确保控制系统的稳定性和可靠性。在线实验调试过程中，最大的问题是高压加速器打火经常引起离子源控制系统S300PLC停机或设备损坏[10-11]，如在400 keV、6 mA条件下进行实验，出现微波机损坏和S300PLC控制系统停机问题。

图6 真空系统安全联锁界面Fig.6 Safety interlock window of vaccum system

图7 设备联锁原理Fig.7 Safety interlock window of equipment

根据微波机损坏的原因，对微波机控制部分采取隔离措施，供电部分加装保护器件，防止脉冲尖峰电压造成半导体功率器件的损坏，解决了微波机损坏问题。在加速器高压打火时，现场PLC控制系统出现停机故障，通过PLC在线诊断系统查看故障码，分析PLC故障停机的可能原因，编写相应的故障处理程序，保证PLC控制系统报错时采取相应的措施。同时，控制系统加装高性能EMI滤波器，确保控制系统稳定运行。

8 结论

根据锦屏深地强流高压加速器的特点，设计了1套基于以太网的分布式控制系统，现场设备选用西门子S300PLC控制系统，采用EPICS系统开发上位机控制软件。按照装置的要求设计了1套完备的安全联锁系统，确保设备和人员的安全。通过不断地分析和实验验证，解决了强流高压加速器在运行时高压打火对设备和控制系统运行造成的影响问题。目前，该强流高压加速器已开展核天体物理实验研究，累计运行时间超过3 500 h，运行稳定可靠。