北京同步辐射装置4B7B软X射线光束线站(X射线能量为0.05~1.6 keV)由前端区、光束线和实验站3部分组成。实验站主要为科研院所及高校用户提供计量标定实验和轻元素近边吸收谱实验的科学平台。X射线近边吸收谱学实验用于测试C、N、O等非金属轻元素K-edge和Cu、Fe、Co、Ni等金属元素的L-edge的近边吸收谱^[1]，计量标定实验主要应用于二极管精密标定等实验^[2]，处于超高真空状态下的光束线光学器件的作用是调制并获得能量单色化的软X射线光斑。光束线下游安装电磁插板阀用于隔断下游用户实验站与光束线的连通。

4B7B软X射线用户实验站包括做元素近边吸收谱学的样品室腔体(简称谱学样品室)和用于标定二极管等精密元件的计量标定靶室，均用真空管道和电磁插板阀连接，图 1(a)为实验站现场图，1(b)为实验站示意图。谱学样品室的上游安装电磁插板阀1，标定计量靶室上游安装电磁插板阀2，分别用来隔断上游的光束线和谱学样品室。用户按常规方式做吸收谱学实验时(下游电磁插板阀2始终保持关闭)需手动关闭电磁插板阀1电源以切断光束线与用户实验站的连通，再向腔体充入氮气恢复常压后将样品送入腔体中，后打开气动角阀并用机械泵对腔体抽真空，当真空度达到一定程度后，手动开启分子泵，使样品室达到更高的真空度。用户观察谱学样品室真空计，当示数显示真空度达到5×10^-6 Pa或更高时，手动打开电磁插板阀1，谱学样品室和上游的光束线设备连通，即可开始实验。实验结束后，用户关闭电磁插板阀1，切断光束线与实验站的连通后，再进行循环换样操作。当进行计量标定实验时，电磁插板阀1始终保持开启状态，谱学样品室内始终保持超高真空环境。用户控制计量标定样品室和谱学样品室之间的电磁插板阀2的开闭可掌握计量标定靶室和谱学样品室的通断。用户在标定靶室进行换样的操作与谱学样品室步骤相同，但此类繁琐的手动控制易造成真空事故。用户实验时操作不规范或长时间实验后进入疲劳状态，则容易出现以下操作问题：

1) 当用户在样品室进行换样前忘记关闭电磁插板阀，未隔断实验站样品室与上游设备的连通，手动打开放气阀后进入腔体的氮气因巨大的压差冲向上游光束线和储存环，造成严重的实验事故。

2) 当用户更换样品完毕后，需要对实验站样品室腔体抽真空，用户通过观察真空计示数判断腔体真空情况，若因用户疏忽、真空计数据出现漂移或因信号失真产生故障，导致用户错误认为样品室真空度已经达到许用范围，提前开启电磁插板阀也会导致破坏上游光学设备的真空环境或造成严重事故。

实验站常规运行时，用户对真空保护措施只能通过观察判断真空度示数和单一手动控制电磁插板阀电源开关决定各腔室通断，这种方式虽控制简单、操作方便却容易因用户疏忽造成事故。为保证真空安全和用户控制简便，应优化设计更先进的联锁保护系统。在同步辐射领域内，李裕熊等^[3]介绍了合肥国家同步辐射光源中成功投入运用的人身安全联锁保护系统。周洪军等^[4]将快阀、门阀和压力传感器(真空计电离规)联锁保护的控制系统开展性能测试，成功防止在束线薄窗破裂或实验站发生重大事故时造成大气直接冲入储存环的真空事故。刘群等^[5]设计了以真空计联锁脉冲放气阀为主的光束线真空保护系统并成功应用在合肥国家同步辐射实验室光电子能谱光束线站。李纪堂^[6]研究在EPICS系统环境下建立PLC集中控制网络，通过在光束线和前端区多处安装的真空规监测保护束线真空安全，建立真空泄露后集中快阀保护和慢阀保护的机制，并拓展开发人身安全连锁保护系统控制系统的功能。周银贵等^[7]设计了合肥国家同步辐射实验室U7站联动真空联锁保护控制系统，将真空计与快阀联锁，成功保护光束线真空安全。祁斌川等^[8]设计了基于PLC用EPICS程序控制的真空联锁保护系统，将快阀与真空计联锁以确保真空稳定。这套系统在上海深紫外自由电子激光装置成功应用并证明该联锁系统的稳定性和可靠性。朱周侠和龚培荣^[9]提出束线仲裁信号与标准的PLC分布式控制系统相结合的方法，设计上海光源第一条Canted光束线站的前端区安全联锁保护子系统、人身安全联锁保护子系统和光束线设备保护系统。为了方便用户操作，为该系统配置高性能和多功能的人机交互触摸屏界面(human machine interface，HMI)。实验人员可通过HMI随时查询线站的设备工况、运行状态及报警提示等重要信息。Liao等^[10]介绍了台湾同步辐射光源为防止出现各种事故对加速器组件造成损坏而设计的设备全面保护系统(multiple protective structure，MPS)。MPS可以收集来自前端区真空系统的联锁指令决策和执行请求。MPS具有自检的功能并包括慢速执行(带有嵌入式EPICS IOC的基于PLC的系统，响应时间小于8 ms)和快速执行(基于事故发送的计时系统，响应时间小于5 ms)保护系统功能，全面保护系统安装并试运行后，证明系统应用的可靠性和稳定性。Chuang等^[11]介绍了台湾同步辐射光源6条光束线站前端区已建成的基于EPICS通讯的超高真空联锁保护系统。系统使用NI compact RIO 9030作为主控制器，采用LabVIEW编程，利用PLC控制前端区的闸阀设备，遵循TCP/IP协议，有效保证前端区机械设备和安全联锁系统运行的可靠稳定性，并利用YOKOGAWA FAM3品牌的PLC作为冗余系统监控NI cRIO9030主控制器状态，提高真空安全稳定性。于春蕾等^[12]为上海光源软X射线自由电子激光装置设计了以PLC为核心、网络总线为架构，采用嵌入式技术和工控机的方法实现上位监控功能的分布式联锁保护系统，实现了真空、水冷、和人身安全等系统保护的功能，并通过搭建EPICS控制系统实现SXFEL联锁保护系统的远程控制。马应林等^[13]介绍了高能同步辐射光源(high energy photon source, HEPS)加速器设计的辐射安全联锁系统。系统以PLC为核心，辅用EPICS软件开发监控平台，具有灵活稳定的优势，既能保证安全联锁系统本身的独立稳定和安全运行，也能将相关数据共享至加速器控制网络。刘群等^[14]基于IOC与模块化PLC的技术方法为合肥同步辐射光源两条光束线站(软X射线磁性圆二色线和苏大能源材料线)设计应用了真空安全联锁控制系统，并提出未来更多光束线站共用一套安全联锁控制系统和光束线站硬件集中化管理的方案。控制系统包括EPICS层、控制层、终端设备层，控制层选用西门子产品S7-300模块化PLC，实现集中控制，设备层是光束线站的各类超高真空阀、真空计和水、气压等各类外部设备和传感器。这套真空联锁保护系统有效降低硬件成本，提高控制系统的可靠性、安全性和可扩展性。除同步辐射领域外，黄子滪等^[15]基于EPICS系统为能源化学研究大型实验装置FELiChEM的加速器装置设计联锁保护系统，包括IOC层、Profinet IO(PLC)控制层和目标设备层，覆盖设备保护系统和人身安全保护系统。经过系统调试后将系统响应时间从100 ms的设计预期缩短至2.144 ms，表明系统响应性能高，同时具有良好的灵活性。康明涛等^[16]设计了CSNS加速器真空控制系统，用PLC将闸板阀与分子泵、离子泵和真空计联锁控制，帮助工作人员安全控制和保护真空。

综上所述，基于EPICS环境下利用PLC集中控制闸阀开闭以确保设备和真空安全是一种能有效实现真空保护功能的联锁控制方式，是一种安全可靠的先进技术，具有广泛的成熟运行范例，更多适用于大规模和多功能的集成化控制需求和场景。本文设计目标是为BSRF的一条软X射线光束线站的用户实验站进行真空联锁保护优化设计，旨在为用户换样时确保实验站真空安全的基础上，提高用户操作的便捷性和可靠性。BSRF同步辐射实验站当前未大规模应用EPICS联控模式，因此相比基于EPICS控制系统下实现PLC集中控制模式，采用继电器联锁控制的方式设计真空联锁保护系统的技术方案具有工程成本低、改造规模小、设计周期短、设计目标性强和用户操作便捷等优势，更适用于BSRF单一实验站联锁系统优化改造的场景。

1 计量标定靶室真空联锁保护系统设计

用户进行计量标定实验时，上游谱学样品室内保持超高真空(约7×10^-7 Pa)状态，谱学样品室与光束线之间的电磁插板阀始终保持打开的状态，只需利用真空计控制谱学样品室下游的电磁插板阀2的开闭就能满足靶室的真空联锁保护。相比于电磁插板阀电源直接连接在主电路上，靶室联锁保护电路的创新点有：

1) 在主电路中串联交流接触器的主触点形成联锁控制电路。控制电路中串联真空计真空继电器的常开触点，真空度满足许用条件时真空继电器常开触点闭合，为打开电磁插板阀提供充分条件。

2) 把手动控制关闭真空计电离规的常规功能升级为电控关闭(此功能将不在电路原理图中标出)，并将其与真空计内的真空继电器常开触点共同连接到控制电路中的常闭按钮上。当用户按下常闭按钮时，交流接触器线圈失电并同时外控关闭电离规和电磁插板阀，提高用户操作便捷性。

这种联锁保护系统属于半自动模式，因为实验站的放气阀门结构已固定。靶室的外部安装了抽放真空手动阀连接腔体与泵组波纹管，每次更换样品时无需停泵，只需手动将抽放真空的阀门关闭再将腔体恢复常压即可更换样品。更换完毕后再将抽放真空阀门手动缓慢开启，使泵组对靶室抽真空。若改成自动控制抽放气体，需对阀门结构重新设计改造，利用电机控制闸阀的开闭。理论上采用电控技术开闭抽放真空手动阀门更先进，自动化程度更高。但是考虑改造成本高、设计周期长、校核任务繁重、技术要求高和改造规模大等因素，软X射线光学组决定对原有设备的结构不进行大规模改造。只需引进高性能真空计，将真空计与电磁插板阀用电气元件联锁控制可保证真空安全，具有低成本、优化周期短，设计任务简单等优点。

1.1 设备与电气元件

4B7B软X射线光束线站能量较低，用户实验站无需考虑大规模集成人身和设备安全联锁保护系统，只需对实验站单一真空腔体设计安全联锁保护系统。因此不必使用PLC集成控制，本文将采用继电器控制电路方法进行优化设计，所需电气元件和设备如表 1所示。

主电路熔断器起短路保护作用，热继电器起过载保护作用^[17]。电气控制机柜可以避免电气元件暴露在实验站造成漏电、短路等工作故障。根据实验站布局规划，电气控制机柜体积最大不得超过400 mm×250 mm×810 mm，并安装4个福马GD-60F型脚轮供推动，内部包含真空计和电气元件群组(断路器、熔断器、热继电器和交流接触器)，柜面显示真空计控制面板、常开和常闭按钮，控制机柜结构如图 2所示，图 2 (b)工程图长度单位为mm。

真空计对设计联锁保护电路起至关重要的作用。计量标定靶室在进行标定实验时真空度约1×10^-4 Pa以上，故将腔室许用真空度区域设定为5×10^-4 Pa以上。真空计制造商主要生产压阻真空计、电阻真空计、冷阴级电离真空计、热阴极电离真空计和复合真空计等产品。冷阴极电离真空计产品利用潘宁放电原理测量腔体真空度，相比热阴极电离真空计，冷阴极电离真空计具有使用寿命长、电离规管不易损坏、测量范围宽等优点。冷阴极电离真空计ZDL-14A型真空度测量范围是1.0×10^-1~1.0×10^-5 Pa，但在联锁保护系统中真空计示数容易漂移。ZDL-14C型真空计如图 3(b)所示，测量真空度范围为1.0×10^-1~1.0×10^-4 Pa，容易超出真空度监测上限，不满足靶室真空度许用条件。ZDL-14型冷阴极真空计如图 3(a)所示，测量真空度范围1.0×10^-1~1.0×10^-7 Pa可以实现真空度区域控制，符合真空范围要求。但ZDL-14型真空计与联锁保护电路搭配进行设计存在技术困难且成本较高，ZDL-14V01型冷阴极电离真空计是ZDL14型升级版，如图 3(c)所示。其真空度测量有效范围为1.0×10^-1~5.0×10^-6 Pa，电控方式可选择区域控制且带有掉电记忆功能，测量精度高，具有模拟输出、电离规外控等扩展功能。

经对比真空计型号的综合性能后，选用型号为ZDL-14V01白色涂装型真空计，由成都睿宝电子科技公司承担生产真空计、安全联锁保护电路和控制柜的制造装配任务。

1.2 靶室真空联锁保护电路原理与运行逻辑

联锁控制电路原理图如图 4所示，电路原理图显示为用户换样后准备抽真空前的状态。

当用户进行标定实验并准备打开腔体换样前，先手动关闭抽真空的阀门，泵组停止对靶室抽真空，再按下常闭按钮SB1使交流接触器KM1线圈失电，完成2个电学动作：1)ZDL-14V01型真空计电离规外控关闭，真空计不再计数，停止监测靶室真空度；2)主回路中KM1主触点断开，M1电磁插板阀2失电闭合，切断与上游谱学样品室的连通。用户按下常闭按钮SB1后电离规关闭，真空计停止计数，真空计内的真空继电器同时失电停止工作，控制回路中KM2常开触点恢复断开，即便腔体真空度满足真空许用条件，用户按下常开按钮SB2也无法开启电磁插板阀，只能手动开启电离规，当真空度示数优于5×10^-4 Pa时，真空继电器工作，KM2常开触点闭合，才能再次打开插板阀，起到保护真空的作用。按下常闭按钮SB1后，用户可关闭泵组抽腔室真空的阀门，将靶室恢复常压并换样，换样结束后再打开抽真空的阀门，泵组对靶室抽真空，并按下电离规开启按钮监测腔体真空度，观察真空示数满足许用真空条件时，真空继电器KM2工作，外控常开触点KM2闭合，为开启电磁插板阀提供必要条件(若真空度未达到许用条件时，真空继电器未工作，KM2常开触点保持断开，即便用户误按下常开按钮SB2，电磁插板阀也无法有效开启，起到保护上游设备真空环境的作用)。当真空度满足许用条件时，用户再按下常开按钮SB2，KM1线圈得电并完成2个电学动作：1)KM1线圈得电自锁，保持得电状态；2)主回路中KM1主触点闭合，M1电磁插板阀2得电开启，靶室与上游的谱学样品室之间保持连通状态，即可开始实验。当实验结束后，用户按下常闭按钮SB1进行换样操作。

1.3 真空联锁系统控制柜调试与运行

真空联锁保护系统控制柜落地后，光束线站工作人员对控制柜进行系统调试：先将机械泵和分子泵组依次开启，对靶室腔体抽真空，再打开控制柜总电源，如图 5(a)所示，将真空计外控开启的真空许用条件设置为优于5×10^-4 Pa，再手动按下电离规开启按钮，监测腔体真空度。当腔体内真空度劣于5×10^-4 Pa时，真空计内的真空继电器外控无法启动，即使按下常开按钮SB2，电磁插板阀也无法打开，实现有效的联锁保护，如图 5(b)所示。当真空度优于5×10^-4 Pa时，真空继电器外控启动工作，其常开触点闭合，为打开插板阀提供必要条件，如图 5(c)所示。此时按下常开按钮SB2，控制柜面板常开按钮变亮，插板阀同时打开，完成腔室连通，如图 5(d)所示。当实验结束后，按下常闭按钮SB1，电离规关闭，真空计停止计数，电磁插板阀同时失电闭合，切断两室连通，用户可关闭泵组进行换样，如图 5(e)所示。若想再打开插板阀，用户需恢复靶室真空后手动开启电离规，当真空度示数优于5×10^-4 Pa时，外控开启，手动按下常开按钮SB2，再次将插板阀开启，控制柜功能调试内容如表 2所示。

在联锁保护系统正常运行和电磁插板阀保持开启状态时，若发生真空泄露事故或用户准备换样前忘记按下常闭按钮SB1，直接关闭分子泵组造成真空度变差的异常情况，此时无需强制切断控制柜总电源。当真空度劣于5×10^-4 Pa时，外控断开，真空继电器常开触点KM2恢复断开，插板阀自动失电关闭，切断两室连通，如图 5(e)所示。用户不必手动干预，可自动实现真空联锁保护。为靶室抽真空的分子泵组自带真空计，可独立监测腔体真空度，如图 5(f)所示。用户按下控制柜的按钮之前可先将控制柜内的真空计与泵组自带的真空计示数做对比，若真空度示数无明显差异，则可正常使用控制柜，若两者示数差异较大，用户需及时联系线站工作人员进行维护，可有效防止联锁系统中真空计示数漂移，避免出现真空度失真的问题。

真空联锁保护系统控制柜经过多次调试后，通过试运行阶段，进入线上应用模式。从2021年10月起，联锁控制柜将长期投入北京同步辐射装置专用光运行工作中。

2 谱学样品室真空联锁保护系统设计

谱学样品室常规换样时，用户需进行繁琐的手动操作以确保真空安全：换样前先手动关闭电磁插板阀1切断光束线和谱学样品室之间连通，后依次手动关闭分子泵和机械泵气动角阀，停止对腔体抽真空，再手动打开放气阀将腔体恢复常压并进行换样。换样后，用户先手动开启机械泵角阀，再手动开启分子泵并打开真空计，真空度满足许用条件后，用户再手动打开电磁插板阀1。电磁插板阀电源按钮离泵组有一定距离，繁琐的手动操作和较远工作距离易使用户遗漏实验步骤造成真空事故。为确保真空安全，需将电磁插板阀、真空计和机械泵气动角阀三者联锁，用简单的控制按钮来替代繁琐的手动控制，可有效保证用户换样时腔体真空安全和提高用户换样便捷性。

2.1 设备与电气元件

谱学样品室抽真空的机械泵通过波纹管与腔体连接，机械泵始终保持通电状态。气动角阀的开闭决定机械泵是否对腔体抽真空，联锁控制目标为电磁插板阀1和机械泵气动角阀。设计联锁保护电路所需的电气元件和设备如表 3所示。

2.2 联锁保护电路运行原理

谱学样品室联锁保护电路原理图如图 6所示。用户换样完毕并准备抽真空时，按下常开按钮SB2使KM2线圈得电，完成3个电学动作：1)KM2线圈得电自锁；2)KM2线圈互锁，控制回路中KM2常开触点闭合，为开启电磁插板阀创造第1个保护条件(若腔体不抽真空KM1线圈无法得电，则电磁插板阀无法开启)；3)主回路中KM2主触点闭合，气动角阀开启后机械泵开始抽真空，机械泵稳定工作时，用户手动打开分子泵电源使腔体真空度达到更高程度，再开启真空计电离规监测腔室内真空度。当真空计示数满足许用真空度条件时，真空继电器KM3得电工作，控制回路中KM3常开触点闭合，为开启电磁阀创造第2个保护条件，形成“与”门逻辑电路。只有同时满足以上两项安全条件下，用户按下SB3常开按钮，KM1线圈才能得电，主回路中KM1主触点闭合，电磁插板阀1安全打开并即可开始实验。当用户结束实验并准备换样品时，先手动关闭分子泵，后按下常闭按钮SB1使KM2使失电并完成2个电学动作：1)主回路KM2主触点断开，机械泵气动角阀关闭，机械泵停止对腔体抽真空；2)控制回路中KM2常开触点断开，KM1线圈因互锁失电，主回路中KM1主触点恢复断开，M1电磁插板阀1闭合，切断上游光束线和实验站连通。用户将腔体恢复常压后可进行换样，安全联锁保护系统支持用户循环操作。

2.3 小结

谱学样品室联锁保护电路将M2机械泵气动角阀与M1电磁插板阀1联锁，为打开电磁插板阀设置2个必要保护条件：1)只有按下常开按钮SB2时，M2气动角阀开启，机械泵对样品室抽真空，为电磁插板阀开启提供第一个充分条件，起到保护真空的效果。2)谱学样品室真空度未满足许用真空条件时，常开按钮SB3失效，即便用户误按下常开按钮SB3，电磁插板阀也无法有效开启，起到联锁保护效果。当真空度达到许用条件时，真空计外控开启，真空继电器KM3常开触点闭合，为电磁插板阀开启提供第2个充分条件。若谱学样品室真空泄露会造成真空度变差，当真空度未满足许用条件时，真空继电器KM3常开触点恢复断开，KM1线圈失电，M1电磁插板阀1失电闭合，切断与上游光束线的连通，KM2线圈保持得电状态，M2气动角阀保持开启，机械泵持续对腔体抽真空，保证真空度不会出现断崖式下降。实验结束后，用户只需按下常闭按钮SB1，就能同时完成关闭电磁插板阀1、角阀关闭和真空计电离规外控关闭的电学动作，简化了用户操作步骤并有效保护腔体的真空安全，当前谱学样品室联锁保护系统将计划落地。从谱学样品室联锁电路系统设计中可得出结论：联锁电路系统为同步辐射光束线站运行和安全保障起到重要作用，但要实现更多设备联锁保护和控制，则需设计和制造更加庞大复杂的继电器控制电路系统。同步辐射光束线站设备数量庞大，若设计联锁保护电路控制相对应的设备，需占用更多空间。为优化联锁控制电路，可采用集中布线和集成控制的方式，以更好规划空间布局并提高运行和维护效率。

3 联锁保护系统在HEPS的应用前景

联锁保护系统在同步辐射领域中不仅应用于用户实验站确保真空安全和用户操作安全，也可应用于保护光束线和前端区真空安全。中国科学院高能物理研究所承担建设国家大科学装置HEPS，软X射线光学组计划在2025年完成建设通用环境谱学线站(X射线能量初定2.1~7.8 keV)。联锁保护系统可应用在光束线站真空安全等模块。建设光束线站时需要在有限空间内布局大量电控和真空机械设备，继电器控制电路占用空间大、线路复杂、查线困难、维护成本高，需用PLC优化原继电器控制系统，形成控制模块，实现集中联锁控制。

在实验站真空保护方面，通用环境谱学线站的用户实验站可根据拟定实验步骤，如图 7所示。参考北京同步辐射装置的4B7B软X射线用户实验站真空联锁电路，可优化为更高性能的自动抽放真空联锁系统，代替常规的繁琐控制步骤并提高安全性和时效性。将传统继电器控制电路转化为可编程逻辑电路并与其他设备的控制电路通过PLC实现集中控制，形成实验用户、电脑控制端、PLC和实验站电气设备的控制与反馈。也可利用PLC编译自检功能寻找并修改电路程序错误，实现控制灵活性和安全性，可避免短路和过载等技术问题，降低运行故障率。以PLC集中控制为主的联锁控制电路不仅可用于用户实验站真空安全，还将广泛应用在同步辐射光束线站的前端区辐射防护、光束线光学器件真空安全、测量计数、电学信号控制与反馈和用户实验站控制优化等场景，形成高质量模块化的集中控制群，有助于同步辐射光束线站安全运行和高效维护。

4 总结

本文主要为避免科研用户在软X射线光束线站进行实验研究时破坏光束线站真空安全造成运行事故，针对用户实验站计量标定靶室和吸收谱学样品室设计继电器安全联锁保护系统。真空安全联锁保护控制柜经过多次调试和试运行阶段后通过内部验收，并于2021年10月正式投入软X射线光束线站的线上运行中。联锁保护系统确保了实验站真空安全，提高了用户实验操作便捷性和换样效率，为同步辐射光束线站的真空设备运行和维护积累优化经验。未来软X射线光学组将计划建设基于EPICS的PLC集中联锁控制系统，代替北京同步辐射装置运用的继电器联锁保护电路，应用在高能同步辐射光源光束线站的安全联锁保护系统中。