本文完成了ADS 注入器Ⅰ真空測(cè)量系統(tǒng)及其相關(guān)設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了測(cè)量方法、控制邏輯、設(shè)備組成及通訊協(xié)議，分析了PLC 閥門控制器工作模式及控制流程。測(cè)量和采集真空系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，包括皮拉尼、冷規(guī)信號(hào)的采集和冷規(guī)電節(jié)點(diǎn)0/1 信號(hào)采集，分子泵和離子泵等的狀態(tài)信號(hào)。

　　通過(guò)分析系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)電磁場(chǎng)對(duì)于真空冷規(guī)的測(cè)量有較大的干擾。因此，對(duì)于需要與冷規(guī)信號(hào)一起聯(lián)鎖控制的真空系統(tǒng)，需考慮該干擾造成的影響。本文采用的相鄰兩個(gè)冷規(guī)信號(hào)聯(lián)鎖的方案，在一定程度上可避免強(qiáng)電磁場(chǎng)帶來(lái)的信號(hào)干擾引起的系統(tǒng)保護(hù)。

　　ADS(Accelerator Driven Sub-critical system)是指加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)，是以加速器產(chǎn)生的高能強(qiáng)流質(zhì)子束轟擊靶核如鉛等，產(chǎn)生散裂中子作為外源中子驅(qū)動(dòng)和維持次臨界堆運(yùn)行，既可大幅降低核廢料的放射性危害實(shí)現(xiàn)核廢料的最少化處置，同時(shí)還有能量輸出可提高核資源的利用率。

　　ADS 注入器Ⅰ是ADS 系統(tǒng)的前段加速器部分，利用超導(dǎo)腔技術(shù)產(chǎn)生加速嬗變系統(tǒng)所需的質(zhì)子。主要由離子源、RFQ、輸運(yùn)線MEBT、spoke 超導(dǎo)腔、垃圾桶組成。各個(gè)部分真空設(shè)計(jì)指標(biāo)為：

　　* 離子源：動(dòng)態(tài)真空度為1.3×10^-3 Pa

　　* 低能輸運(yùn)線：動(dòng)態(tài)真空度為1.3×10^-3 Pa

　　* RFQ：動(dòng)態(tài)真空度為1×10^-5 Pa

　　* 中能輸運(yùn)線：動(dòng)態(tài)真空度為1×10^-4 Pa

　　* 超導(dǎo)腔：動(dòng)態(tài)真空度為1×10^-7 Pa

　　* 質(zhì)譜分析：系統(tǒng)內(nèi)無(wú)污染跡象。

1、真空測(cè)量與控制系統(tǒng)組成

　　1.1、硬件組成

　　如圖1 ADS 注入器Ⅰ真空抽氣系統(tǒng)由機(jī)械泵、分子泵、離子泵、電磁氣動(dòng)插板閥及相應(yīng)的真空管道組成。由于RFQ 段緊臨離子源，出氣量大，真空梯度接近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此采用了分子泵機(jī)組與離子泵組合抽氣的方式。在運(yùn)行階段依據(jù)實(shí)際情況，可同時(shí)開(kāi)啟兩種泵，也可通過(guò)分子泵旁邊的插板閥將分子泵斷開(kāi)，由離子泵單獨(dú)抽氣。

圖1 ADS 注入器I 真空系統(tǒng)示意圖

　　真空測(cè)量由Pirani 電阻規(guī)、冷規(guī)、四極質(zhì)譜儀組成；Pirani 電阻規(guī)測(cè)量范圍為2.7×10^-1~1.2×10⁺⁴ Pa；冷規(guī)測(cè)量范圍為2.7×10^-8~6.5×10^-1 Pa；四極質(zhì)譜儀測(cè)量質(zhì)荷比在1~100 之間的氣體分子。在抽氣初期階段僅啟動(dòng)機(jī)械泵抽氣，真空度較低，無(wú)法啟動(dòng)冷規(guī)。由Pirani 電阻規(guī)測(cè)量系統(tǒng)真空度，待機(jī)械泵將系統(tǒng)真空度抽至1.0×10^-1 Pa 左右，這時(shí)啟動(dòng)分子泵。這樣既保證了分子泵的安全啟動(dòng)，又可在冷規(guī)無(wú)法啟動(dòng)，而且閥門控制器無(wú)法聯(lián)鎖控制閥門時(shí)保證閥門兩端的壓力可測(cè)量，避免閥門打開(kāi)時(shí)由于閥門兩端壓差過(guò)大而損壞閥門。

　　設(shè)備控制器分別為機(jī)械泵電源控制器、分子泵電源控制器、離子泵電源、PLC 閥門控制器、937B 真空計(jì)。其中非標(biāo)件機(jī)械泵控制器和閥門控制器是自主設(shè)計(jì)完成。

　　1.2、測(cè)量與控制邏輯結(jié)構(gòu)

　　如圖2 所示為ADS 注入器Ⅰ真空系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖。真空計(jì)(MKS 937B)采集并控制Pirani 電阻規(guī)與冷規(guī)，并將冷規(guī)的0/1 繼電器狀態(tài)發(fā)送給PLC閥門控制器；同時(shí)與中控進(jìn)行通訊交互。在注入器運(yùn)行時(shí)禁止工作人員進(jìn)入隧道，所以將機(jī)械泵遠(yuǎn)程控制。其控制電源由隧道外電源廳提供，避免從隧道內(nèi)取電，提高系統(tǒng)的可靠性。為節(jié)省成本將機(jī)械泵控制電源的軟件控制部分集成在了PLC閥門控制器中。PLC 閥門控制器通過(guò)冷規(guī)繼電器狀態(tài)信號(hào)判斷真空變化，控制七臺(tái)氣動(dòng)插板閥，并將閥門開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及真空狀態(tài)通過(guò)串口RS485/232方式發(fā)送至中控，控制邏輯詳見(jiàn)第2 節(jié)�？刂葡到y(tǒng)通訊協(xié)議設(shè)計(jì)為，各控制器及真空計(jì)均通過(guò)串口RS485/232 將其狀態(tài)發(fā)送至串口服務(wù)器，串口服務(wù)器通過(guò)TCP/IP 協(xié)議將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至中控。

圖2 ADS 注入器Ⅰ真空控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　1.3、真空計(jì)繼電器觸發(fā)點(diǎn)

　　真空計(jì)繼電器觸發(fā)點(diǎn)是閥門控制器控制閥門開(kāi)關(guān)的主要依據(jù)。如圖3 真空計(jì)繼電器工作狀態(tài)選擇‘BELOW’模式，當(dāng)系統(tǒng)壓強(qiáng)低于‘設(shè)置點(diǎn)’時(shí)繼電器閉合，表示真空變好，壓強(qiáng)高于‘遲滯’時(shí)繼電器斷開(kāi)，表示真空變差。真空計(jì)默認(rèn)的‘遲滯’壓力值為1.2 倍的‘設(shè)置點(diǎn)’壓力值，兩者均可調(diào)。真空計(jì)繼電器狀態(tài)發(fā)送到PLC 閥門控制器用來(lái)判斷閥門兩端的真空狀態(tài)，以連鎖控制閥門開(kāi)關(guān)。

圖3 真空計(jì)繼電器觸點(diǎn)工作點(diǎn)設(shè)置曲線

2、PLC 閥門控制器

　　2.1、控制邏輯

　　如圖4 所示為PLC 閥門控制流程圖，該系統(tǒng)分手動(dòng)與自動(dòng)兩種工作模式，自動(dòng)模式為控制器正常運(yùn)行時(shí)工作狀態(tài)。手動(dòng)模式下可以人為操作打開(kāi)或關(guān)閉閥門；在自動(dòng)模式下只能聯(lián)鎖關(guān)閉閥門。圖4 中Pi 與Pj 分別表示閥門Vk 相鄰兩端的兩個(gè)真空計(jì)信號(hào)。在手動(dòng)模式下要打開(kāi)閥門Vk，則Pi 與Pj 必須同時(shí)為1 或同時(shí)為0，保證了閥門Vk 兩端壓力一致，避免閥門在較大的壓差下被打開(kāi)而損壞。為保證真空系統(tǒng)的安全可靠性，不管是哪種模式下，只要閥門Vk 兩端Pi 與Pj同時(shí)為0 則閥門關(guān)閉，真空變差區(qū)段被隔斷，保護(hù)相鄰區(qū)段真空以及如分子泵等真空設(shè)備免于暴露大氣。

圖4 PLC 閥門控制器控制流程圖

　　2.2、真空規(guī)聯(lián)鎖閥門的特點(diǎn)

　　閥門控制系統(tǒng)中采用兩個(gè)相鄰真空計(jì)聯(lián)鎖閥門，優(yōu)點(diǎn)如下：第一，保證打開(kāi)閥門時(shí)，閥門兩端的壓差小于閥門耐受的壓力范圍，避免閥門傳動(dòng)機(jī)構(gòu)被損傷。第二，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中存在較強(qiáng)的電磁干擾，冷規(guī)會(huì)受到干擾導(dǎo)致測(cè)量值波動(dòng)。干擾信號(hào)的特點(diǎn)是有毫秒級(jí)的峰值，該峰值往往大于真空計(jì)‘設(shè)置點(diǎn)’設(shè)定的值，應(yīng)用單個(gè)真空計(jì)信號(hào)聯(lián)鎖閥門，會(huì)引起閥門頻繁關(guān)閉現(xiàn)象。如果是真空出氣引起的真空跳動(dòng)，相鄰兩個(gè)冷規(guī)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)幾乎同時(shí)變化的現(xiàn)象，并且會(huì)持續(xù)幾秒甚至幾分鐘的時(shí)間。因此信號(hào)干擾引起的真空跳動(dòng)與實(shí)際系統(tǒng)出氣引起的真空跳動(dòng)區(qū)別明顯。所以采用兩個(gè)冷規(guī)信號(hào)聯(lián)鎖，在很大程度上避免了信號(hào)干擾引起的真空計(jì)繼電器誤動(dòng)作，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

　　2.3、控制軟件

　　1.PLC 程序

　　如圖5 為閥門V1 的PLC 控制程序，在手動(dòng)模式下，當(dāng)閥門同時(shí)為1 或0 時(shí)，系統(tǒng)延時(shí)1s 打開(kāi)閥門，并將閥門狀態(tài)保存在寄存器中。為了保證閥門開(kāi)關(guān)的互聯(lián)鎖，此時(shí)將關(guān)閉按鈕寄存器強(qiáng)制復(fù)位。‘M_value2’記錄閥門兩端真空狀態(tài)為好即真空計(jì)繼電器狀態(tài)為1，‘M_value1’記錄閥門被打開(kāi)時(shí)的狀態(tài)，是確保真空由好變差這個(gè)狀態(tài)時(shí)閥門被關(guān)閉，避免閥門打開(kāi)后，真空依然差即真空計(jì)信號(hào)均為0 時(shí)閥門被關(guān)閉。

圖5 閥門V1 PLC 控制程序

　　2.觸摸屏界面

　　如圖6 所示為PLC 閥門控制器觸摸屏控制界面，Pi 表示真空計(jì)狀態(tài)，真空變好時(shí)顯示綠色，真空變差時(shí)顯示紅色；Vk 表示閥門開(kāi)關(guān)狀態(tài)，信號(hào)由閥門反饋，綠色表示閥門開(kāi)狀態(tài)，紅色表示閥門關(guān)狀態(tài)；‘on’和‘off’按鈕用來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉閥門，并具有延時(shí)功能，避免誤操作；設(shè)計(jì)手動(dòng)/ 自動(dòng)兩種工作模式，兩種模式切換時(shí)需要密碼，防止沒(méi)有權(quán)限的人員誤操作，只有在手動(dòng)模式下才能由工作人員打開(kāi)或關(guān)閉閥門。

圖6 閥門控制器觸摸屏界面

　　2.4、系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行性能分析

　　如圖7 所示為RFQ 老練時(shí)對(duì)應(yīng)RFQ 段的真空度變化曲線，紅色曲線為P3 點(diǎn)的真空度，藍(lán)色為P2 點(diǎn)的真空度。在未加功率時(shí)真空度趨于穩(wěn)定狀態(tài)，偶爾有短時(shí)間跳動(dòng)的現(xiàn)象，跳動(dòng)值約為5×10^-6 Pa，恢復(fù)時(shí)間約為5 min，并且P2 和P3 同時(shí)變化，說(shuō)明為系統(tǒng)放氣引起。在加載功率后，隨著加載功率的大小不同，P2 和P3 值出現(xiàn)時(shí)間間隔為毫秒級(jí)的劇烈變化，其最大變化達(dá)3 個(gè)量級(jí)。這種情況與實(shí)際的真空放氣抽氣曲線相差較大，說(shuō)明是在加載功率的情況下，系統(tǒng)強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)變化導(dǎo)致冷規(guī)內(nèi)部異常放電，屬于外界干擾帶來(lái)的測(cè)量誤差。這種誤差給閥門聯(lián)鎖及其加速器系統(tǒng)功率聯(lián)鎖帶來(lái)嚴(yán)重的考驗(yàn)，導(dǎo)致系統(tǒng)保護(hù)頻繁，老練進(jìn)度緩慢，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)重視該現(xiàn)象的發(fā)生，以采取可行有效的防范措施。

圖7 RFQ 老練階段腔真空變化曲線

3、結(jié)語(yǔ)

　　ADS 注入器Ⅰ完成除超導(dǎo)腔、MEBT2、垃圾桶外的安裝調(diào)試工作，并已老練運(yùn)行一個(gè)多月。真空控制系統(tǒng)未發(fā)生故障與邏輯錯(cuò)誤，PLC 閥門控制器在各種工況下工作正常，能可靠關(guān)閉閥門。冷規(guī)在強(qiáng)電磁場(chǎng)的環(huán)境中工作，不可避免的會(huì)受到信號(hào)干擾。因此，與冷規(guī)信號(hào)一起聯(lián)鎖控制的系統(tǒng)，需考慮該信號(hào)干擾帶來(lái)的影響。本文采用的兩個(gè)冷規(guī)信號(hào)聯(lián)鎖的方案在一定程度上可避免這種干擾帶來(lái)的系統(tǒng)保護(hù)。