CARR儀器中子活化分析自動控制系統(tǒng)設(shè)計

姚永剛1，肖才錦1，唐嬋娟2，王興華2，金象春1，華龍1，王平生1，倪邦發(fā)1

(1.中國原子能科學(xué)研究院 核物理研究所，北京102413；

2.成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川 成都610059)

摘要：在中國先進研究堆設(shè)計了一套新的儀器中子活化分析自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由輻照管道、樣品架、樣品轉(zhuǎn)換器、傳輸裝置和3套可同時連續(xù)24 h工作的HPGe探測器組成。測量盒內(nèi)裝有無線射頻識別(RFID)電子標(biāo)簽，對樣品進行實時跟蹤和定位。壓縮空氣作為樣品傳輸動力。系統(tǒng)由組態(tài)王Kingview6.55、可編程邏輯控制器(PLC)控制，可實現(xiàn)批量樣品輻照、冷卻、測量等一體化控制。

關(guān)鍵詞：中國先進研究堆；儀器中子活化分析；樣品轉(zhuǎn)換器；自動測量

中圖分類號：O657.4 文獻標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-04-24;修回日期：2015-06-09

基金項目：CARR基地建設(shè)項目資助(17ZYGC-201401)；IAEA-CRP資助項目(IAEA F1.20.25/CRP1888，17284)

作者簡介：姚永剛(1985—)，男，山西曲沃人，博士研究生，粒子物理與原子核物理專業(yè)

doi：10.7538/yzk.2015.49.11.2102

Design of INAA Automatic Control System at CARR

YAO Yong-gang1, XIAO Cai-jin1, TANG Chan-juan2, WANG Xing-hua2,

JIN Xiang-chun1, HUA Long1, WANG Ping-sheng1, NI Bang-fa1

(1.ChinaInstituteofAtomicEnergy,P.O.Box275-50,Beijing102413,China;

2.CollegeofNuclearTechnologyandAutomationEngineering,

ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China)

Abstract:A new instrument neutron activation analysis (INAA) automatic control system has been designed at China Advanced Research Reactor (CARR). The automation system is mainly composed of irradiation channels, sample holder, sample exchanger, sample driving system and three sets of HPGe spectrometers which can run simultaneously for 24 h. The sample rabbit contains radio frequency identification (RFID) electronic label used for identifying and tracing the sample route or location. The compressed air was used as sample driving force. The system was controlled by Kingview6.55 and the programmable logic controller (PLC), with which the integrated control for the batch sample irradiation, cooling and measurement can be realized.

Key words：CARR; INAA; sample exchanger; automatic measurement

中國先進研究堆(CARR)是一座高性能、多用途的研究堆，熱功率為60 MW，滿功率時堆芯反射層中的總熱中子注量率為8×1014cm-2·s-1，為我國儀器中子活化分析(INAA)的高靈敏度和高準(zhǔn)確度提供了平臺。近年來，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，INAA已趨向全自動化方式[1-8]。20世紀(jì)90年代末，本實驗室建立了一套自動活化分析系統(tǒng)[9]。本工作在原有的基礎(chǔ)上使用PLC和組態(tài)王Kingview工業(yè)控制技術(shù)，根據(jù)CARR活化分析的特點設(shè)計全新的INAA自動控制系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

CARR儀器中子活化分析自動控制系統(tǒng)主要由反應(yīng)堆輻照孔道、樣品傳輸裝置、樣品冷卻/分裝、樣品轉(zhuǎn)換器、可編程邏輯控制器和測量系統(tǒng)等組成，圖1為CARR自動活化分析輻照測量示意圖。

整個系統(tǒng)由組態(tài)王Kingview6.55軟件進行控制。執(zhí)行器件主要是PLC、電機驅(qū)動裝置、光電/光纖傳感器、電磁閥、氣缸、RFID電子標(biāo)簽等。工作流程包括樣品傳輸、輻照、冷卻、樣品分裝和排隊測量；系統(tǒng)可使3套探測器(圖1中的1#、2#、3#)同時測量，并可根據(jù)被測樣品的放射性活度自動調(diào)節(jié)測量架位[10]；樣品盒內(nèi)的RFID電子標(biāo)簽通過讀卡器將標(biāo)簽號與樣品測量譜信息一同存入計算機。系統(tǒng)安裝有無線報警模塊，若測量系統(tǒng)發(fā)生故障或測量中斷，無線模塊將以短信方式自動給管理員發(fā)送報警信息。

圖1　CARR自動活化分析輻照測量示意圖 Fig.1　Schematic diagram of INAA automatic measurement at CARR

1.1樣品盒及RFID電子標(biāo)簽

樣品盒分輻照盒和測量盒，其中長時間輻照盒為鋁材質(zhì)；短時間輻照盒為鋁或聚酰亞胺材料。測量盒材料為聚脂/聚碳酸脂，盒上貼有電子標(biāo)簽。通過讀卡器可設(shè)置或讀取電子標(biāo)簽的編號。電子標(biāo)簽的使用保證了樣品與測量譜數(shù)據(jù)的一致性，提高了系統(tǒng)測量的可靠性。

1.2樣品進樣器

樣品進樣器由樣品架(圖2)和進樣氣動裝置組成。樣品架由10個帶孔的長方體夾組成，每個樣品夾可容納20個樣品。在樣品測量過程中，樣品依次垂直下落，當(dāng)一個樣品測量完成后，將從夾子頂部返回排隊。當(dāng)一個夾子樣品全部測量完成后，樣品架自動向前移動一個位置，進行下一個夾子的樣品測量。

圖2　樣品架示意圖 Fig.2　Schematic diagram of sample holder

1.3樣品轉(zhuǎn)換器

樣品轉(zhuǎn)換器(圖3)是自動控制系統(tǒng)的一個重要部分，主要負責(zé)樣品的傳輸和定位。由6個樣品輸入/輸出管道、電機、傳感器和樣品移動倉、PLC及通信設(shè)備、氣缸和電磁閥等組成。

圖3　樣品轉(zhuǎn)換器 Fig.3　Sample exchanger

圖4　樣品轉(zhuǎn)換器控制連接圖 Fig.4　Control system diagram of sample exchanger

樣品轉(zhuǎn)換器控制連接圖如圖4所示，其工作原理是組態(tài)王Kingview通過設(shè)備(FX-485PC、FX-485ADP)與PLC進行通信下達控制命令，當(dāng)樣品倉移動到指定位置后由光電傳感器反饋電機位置信號給PLC，Kingview收到正確信號后控制樣品傳輸?shù)较鄳?yīng)HPGe探測器開始測量。樣品測量完成后反饋信號，并開始下一個樣品測量。其中控制系統(tǒng)由3種編程語言對不同設(shè)備進行控制，組態(tài)王專用語言編寫系統(tǒng)界面、控制算法、存儲設(shè)置參數(shù)等功能；在GX develper軟件中用梯形圖LAD方式編寫PLC通信和控制算法；過程設(shè)計語言(PDL)編寫電機控制接口算法。其中電機移動的精確度是設(shè)計的關(guān)鍵，位置校準(zhǔn)功能確保了電機每次上電后移動位置的準(zhǔn)確度。

1.4測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)包括3套HPGe探測器譜儀，每臺探測器上端設(shè)計了樣品架位自動調(diào)節(jié)裝置，由步進電機控制，根據(jù)樣品放射性測量死時間對樣品架位高度進行調(diào)節(jié)，同時設(shè)置了最低/最高架位限制。

樣品測量室內(nèi)部安裝有電子標(biāo)簽讀卡器，在測量樣品時讀取樣品盒內(nèi)的電子標(biāo)簽，以確保標(biāo)簽號碼與樣品測量譜名稱相對應(yīng)。另外，系統(tǒng)在樣品傳輸?shù)闹匾恢迷O(shè)有信號監(jiān)測，當(dāng)樣品未準(zhǔn)時到位時，無線報警裝置GRRS-MODEM將自動將預(yù)設(shè)的問題短信發(fā)給管理員或工作人員進行處理。

1.5軟件控制

除自動控制樣品測量外，系統(tǒng)增加了手動控制方式。系統(tǒng)控制界面左側(cè)第1列為手動進樣裝置電磁閥控制按鈕，樣品驅(qū)動裝置共有6個電磁閥控制樣品進樣和出樣，相對應(yīng)的指示燈代表每個電磁閥的開關(guān)狀態(tài)(ON/OFF)。界面中第2列圖標(biāo)為樣品轉(zhuǎn)換器跑兔電磁閥、氣缸電磁閥和電機位置控制按鈕。電機共有6個移動位置，其分別對應(yīng)進樣口、樣品倉和3個HPGe探測器樣品入口，每個位置都安裝光電傳感器監(jiān)測樣品到位情況。指示燈亮表示樣品到位或處于工作狀態(tài)。界面中還增加了視頻監(jiān)控界面，可通過遠程控制查看房間內(nèi)系統(tǒng)運行狀況。

2測試與討論

系統(tǒng)中，需采用重復(fù)精度高的光電接近傳感器，如重復(fù)精度為0.005 mm。電機歸零移動速度要慢，如0.1 m/s。在樣品傳輸中系統(tǒng)控制電磁閥開關(guān)時間與供氣氣壓和管道的長度有直接的關(guān)系，需反復(fù)調(diào)節(jié)測試才能確定。為了樣品傳輸通暢且當(dāng)傳輸距離較遠時，需增加氣源中間存儲罐。

樣品進樣裝置可同時容納200個樣品，控制簡單并能實現(xiàn)樣品排隊循環(huán)測量，減少了工作人員所受的輻射劑量。其中進樣管道和出樣管道固定在樣品架的中心，目的是減少電機的移動距離，降低了屏蔽空間和成本。

3總結(jié)

本文在CARR設(shè)計了一套新儀器中子活化分析自動控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)由組態(tài)王Kingview軟件進行自動控制，其特點如下。

1) 實現(xiàn)了批量樣品輻照、冷卻、測量一體化控制，進一步減少或避免對人體的輻射，提高了活化分析的安全性。

2) 測量系統(tǒng)包括3套HPGe探測器，可連續(xù)同時工作，提高了實驗室測量分析樣品的效率。

3) 在樣品測量架上安裝了架位自動調(diào)節(jié)裝置，減小了由放射性強度不同所帶來的不確定度，提高了樣品測量的準(zhǔn)確度。

4) 樣品跑兔盒上安裝有電子標(biāo)簽，可實現(xiàn)樣品跟蹤和定位以及樣品與測量譜數(shù)據(jù)一致性關(guān)聯(lián)，提高了系統(tǒng)測量的可靠性。

5) 進樣裝置能實現(xiàn)樣品排隊循環(huán)測量，減少了工作人員所受的輻射劑量。

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