ADS注入器Ⅰ真空測量與控制系統研制

　　本文完成了ADS 注入器Ⅰ真空測量系統及其相關(guān)設備控制系統的設計，詳細闡述了測量方法、控制邏輯、設備組成及通訊協(xié)議，分析了PLC 閥門(mén)控制器工作模式及控制流程。測量和采集真空系統的實(shí)時(shí)狀態(tài)，包括皮拉尼、冷規信號的采集和冷規電節點(diǎn)0/1 信號采集，分子泵和離子泵等的狀態(tài)信號。

　　通過(guò)分析系統實(shí)際運行情況，發(fā)現強電磁場(chǎng)對于真空冷規的測量有較大的干擾。因此，對于需要與冷規信號一起聯(lián)鎖控制的真空系統，需考慮該干擾造成的影響。本文采用的相鄰兩個(gè)冷規信號聯(lián)鎖的方案，在一定程度上可避免強電磁場(chǎng)帶來(lái)的信號干擾引起的系統保護。

　　ADS(Accelerator Driven Sub-critical system)是指加速器驅動(dòng)次臨界系統，是以加速器產(chǎn)生的高能強流質(zhì)子束轟擊靶核如鉛等，產(chǎn)生散裂中子作為外源中子驅動(dòng)和維持次臨界堆運行，既可大幅降低核廢料的放射性危害實(shí)現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 系統的前段加速器部分，利用超導腔技術(shù)產(chǎn)生加速嬗變系統所需的質(zhì)子。主要由離子源、RFQ、輸運線(xiàn)MEBT、spoke 超導腔、垃圾桶組成。各個(gè)部分真空設計指標為：

　　* 離子源：動(dòng)態(tài)真空度為1.3×10^-3 Pa

　　* 低能輸運線(xiàn)：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

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

　　* 超導腔：動(dòng)態(tài)真空度為1×10^-7 Pa

　　* 質(zhì)譜分析：系統內無(wú)污染跡象。

1、真空測量與控制系統組成

　　1.1、硬件組成

　　如圖1 ADS 注入器Ⅰ真空抽氣系統由機械泵、分子泵、離子泵、電磁氣動(dòng)插板閥及相應的真空管道組成。由于RFQ 段緊臨離子源，出氣量大，真空梯度接近兩個(gè)數量級，因此采用了分子泵機組與離子泵組合抽氣的方式。在運行階段依據實(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)，由離子泵單獨抽氣。

圖1 ADS 注入器I 真空系統示意圖

　　真空測量由Pirani 電阻規、冷規、四極質(zhì)譜儀組成；Pirani 電阻規測量范圍為2.7×10^-1~1.2×10⁺⁴ Pa；冷規測量范圍為2.7×10^-8~6.5×10^-1 Pa；四極質(zhì)譜儀測量質(zhì)荷比在1~100 之間的氣體分子。在抽氣初期階段僅啟動(dòng)機械泵抽氣，真空度較低，無(wú)法啟動(dòng)冷規。由Pirani 電阻規測量系統真空度，待機械泵將系統真空度抽至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)，又可在冷規無(wú)法啟動(dòng)，而且閥門(mén)控制器無(wú)法聯(lián)鎖控制閥門(mén)時(shí)保證閥門(mén)兩端的壓力可測量，避免閥門(mén)打開(kāi)時(shí)由于閥門(mén)兩端壓差過(guò)大而損壞閥門(mén)。

　　設備控制器分別為機械泵電源控制器、分子泵電源控制器、離子泵電源、PLC 閥門(mén)控制器、937B 真空計。其中非標件機械泵控制器和閥門(mén)控制器是自主設計完成。

　　1.2、測量與控制邏輯結構

　　如圖2 所示為ADS 注入器Ⅰ真空系統控制結構圖。真空計(MKS 937B)采集并控制Pirani 電阻規與冷規，并將冷規的0/1 繼電器狀態(tài)發(fā)送給PLC閥門(mén)控制器；同時(shí)與中控進(jìn)行通訊交互。在注入器運行時(shí)禁止工作人員進(jìn)入隧道，所以將機械泵遠程控制。其控制電源由隧道外電源廳提供，避免從隧道內取電，提高系統的可靠性。為節省成本將機械泵控制電源的軟件控制部分集成在了PLC閥門(mén)控制器中。PLC 閥門(mén)控制器通過(guò)冷規繼電器狀態(tài)信號判斷真空變化，控制七臺氣動(dòng)插板閥，并將閥門(mén)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�？刂葡到y通訊協(xié)議設計為，各控制器及真空計均通過(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)議將數據打包發(fā)送至中控。

圖2 ADS 注入器Ⅰ真空控制系統結構圖

　　1.3、真空計繼電器觸發(fā)點(diǎn)

　　真空計繼電器觸發(fā)點(diǎn)是閥門(mén)控制器控制閥門(mén)開(kāi)關(guān)的主要依據。如圖3 真空計繼電器工作狀態(tài)選擇‘BELOW’模式，當系統壓強低于‘設置點(diǎn)’時(shí)繼電器閉合，表示真空變好，壓強高于‘遲滯’時(shí)繼電器斷開(kāi)，表示真空變差。真空計默認的‘遲滯’壓力值為1.2 倍的‘設置點(diǎn)’壓力值，兩者均可調。真空計繼電器狀態(tài)發(fā)送到PLC 閥門(mén)控制器用來(lái)判斷閥門(mén)兩端的真空狀態(tài)，以連鎖控制閥門(mén)開(kāi)關(guān)。

圖3 真空計繼電器觸點(diǎn)工作點(diǎn)設置曲線(xiàn)

2、PLC 閥門(mén)控制器

　　2.1、控制邏輯

　　如圖4 所示為PLC 閥門(mén)控制流程圖，該系統分手動(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(mén)；在自動(dòng)模式下只能聯(lián)鎖關(guān)閉閥門(mén)。圖4 中Pi 與Pj 分別表示閥門(mén)Vk 相鄰兩端的兩個(gè)真空計信號。在手動(dòng)模式下要打開(kāi)閥門(mén)Vk，則Pi 與Pj 必須同時(shí)為1 或同時(shí)為0，保證了閥門(mén)Vk 兩端壓力一致，避免閥門(mén)在較大的壓差下被打開(kāi)而損壞。為保證真空系統的安全可靠性，不管是哪種模式下，只要閥門(mén)Vk 兩端Pi 與Pj同時(shí)為0 則閥門(mén)關(guān)閉，真空變差區段被隔斷，保護相鄰區段真空以及如分子泵等真空設備免于暴露大氣。

圖4 PLC 閥門(mén)控制器控制流程圖

　　2.2、真空規聯(lián)鎖閥門(mén)的特點(diǎn)

　　閥門(mén)控制系統中采用兩個(gè)相鄰真空計聯(lián)鎖閥門(mén)，優(yōu)點(diǎn)如下：第一，保證打開(kāi)閥門(mén)時(shí)，閥門(mén)兩端的壓差小于閥門(mén)耐受的壓力范圍，避免閥門(mén)傳動(dòng)機構被損傷。第二，系統運行過(guò)程中存在較強的電磁干擾，冷規會(huì )受到干擾導致測量值波動(dòng)。干擾信號的特點(diǎn)是有毫秒級的峰值，該峰值往往大于真空計‘設置點(diǎn)’設定的值，應用單個(gè)真空計信號聯(lián)鎖閥門(mén)，會(huì )引起閥門(mén)頻繁關(guān)閉現象。如果是真空出氣引起的真空跳動(dòng)，相鄰兩個(gè)冷規信號會(huì )出現幾乎同時(shí)變化的現象，并且會(huì )持續幾秒甚至幾分鐘的時(shí)間。因此信號干擾引起的真空跳動(dòng)與實(shí)際系統出氣引起的真空跳動(dòng)區別明顯。所以采用兩個(gè)冷規信號聯(lián)鎖，在很大程度上避免了信號干擾引起的真空計繼電器誤動(dòng)作，保證系統正常運行。

　　2.3、控制軟件

　　1.PLC 程序

　　如圖5 為閥門(mén)V1 的PLC 控制程序，在手動(dòng)模式下，當閥門(mén)同時(shí)為1 或0 時(shí)，系統延時(shí)1s 打開(kāi)閥門(mén)，并將閥門(mén)狀態(tài)保存在寄存器中。為了保證閥門(mén)開(kāi)關(guān)的互聯(lián)鎖，此時(shí)將關(guān)閉按鈕寄存器強制復位。‘M_value2’記錄閥門(mén)兩端真空狀態(tài)為好即真空計繼電器狀態(tài)為1，‘M_value1’記錄閥門(mén)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(mén)被關(guān)閉，避免閥門(mén)打開(kāi)后，真空依然差即真空計信號均為0 時(shí)閥門(mén)被關(guān)閉。

圖5 閥門(mén)V1 PLC 控制程序

　　2.觸摸屏界面

　　如圖6 所示為PLC 閥門(mén)控制器觸摸屏控制界面，Pi 表示真空計狀態(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(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，信號由閥門(mén)反饋，綠色表示閥門(mén)開(kāi)狀態(tài)，紅色表示閥門(mén)關(guān)狀態(tài)；‘on’和‘off’按鈕用來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉閥門(mén)，并具有延時(shí)功能，避免誤操作；設計手動(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(mén)。

圖6 閥門(mén)控制器觸摸屏界面

　　2.4、系統實(shí)際運行性能分析

　　如圖7 所示為RFQ 老練時(shí)對應RFQ 段的真空度變化曲線(xiàn)，紅色曲線(xiàn)為P3 點(diǎn)的真空度，藍色為P2 點(diǎn)的真空度。在未加功率時(shí)真空度趨于穩定狀態(tài)，偶爾有短時(shí)間跳動(dòng)的現象，跳動(dòng)值約為5×10^-6 Pa，恢復時(shí)間約為5 min，并且P2 和P3 同時(shí)變化，說(shuō)明為系統放氣引起。在加載功率后，隨著(zhù)加載功率的大小不同，P2 和P3 值出現時(shí)間間隔為毫秒級的劇烈變化，其最大變化達3 個(gè)量級。這種情況與實(shí)際的真空放氣抽氣曲線(xiàn)相差較大，說(shuō)明是在加載功率的情況下，系統強烈的電磁場(chǎng)變化導致冷規內部異常放電，屬于外界干擾帶來(lái)的測量誤差。這種誤差給閥門(mén)聯(lián)鎖及其加速器系統功率聯(lián)鎖帶來(lái)嚴重的考驗，導致系統保護頻繁，老練進(jìn)度緩慢，在實(shí)際應用中應重視該現象的發(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(xiàn)

3、結語(yǔ)

　　ADS 注入器Ⅰ完成除超導腔、MEBT2、垃圾桶外的安裝調試工作，并已老練運行一個(gè)多月。真空控制系統未發(fā)生故障與邏輯錯誤，PLC 閥門(mén)控制器在各種工況下工作正常，能可靠關(guān)閉閥門(mén)。冷規在強電磁場(chǎng)的環(huán)境中工作，不可避免的會(huì )受到信號干擾。因此，與冷規信號一起聯(lián)鎖控制的系統，需考慮該信號干擾帶來(lái)的影響。本文采用的兩個(gè)冷規信號聯(lián)鎖的方案在一定程度上可避免這種干擾帶來(lái)的系統保護。