閆 平，趙 瀟，張國光

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引言

某檢測倉庫用于進行移動式車輛檢查系統(tǒng)的測試。因為是移動式系統(tǒng)，因此采用電子感應(yīng)加速器作為發(fā)射源，其在檢測的過程中會發(fā)射2～7.5 MeV的高能射線。由于電子加速器在工作時會產(chǎn)生一定的射線輻射，為避免在實驗過程中有其他無關(guān)人員誤入而對其人身安全造成傷害，因此依照我國輻射安全的相關(guān)條例與規(guī)范[1]，需要設(shè)計一套穩(wěn)定可靠的安全聯(lián)鎖自檢系統(tǒng)。

PLC能快速響應(yīng)各指標反饋，且抗干擾能力強，具有安全穩(wěn)定等特點，因此整個系統(tǒng)圍繞PLC為核心進行設(shè)計開發(fā)。該項目在設(shè)計中采用PLC作為主控制器，實現(xiàn)門機聯(lián)鎖、劑量檢測設(shè)備聯(lián)鎖，還包括聲光報警系統(tǒng)以及緊急逃逸系統(tǒng)[2]。

如圖1所示，該檢測倉庫的東側(cè)是自帶屏蔽的墻壁。西側(cè)的墻壁是辦公室與測試倉庫共同使用。在此設(shè)計中，除了移動式車輛檢測的操作間之外，測試倉庫的其他所有區(qū)域視為整體控制區(qū)，在控制區(qū)的東西側(cè)分別有一個出入口。東出入口為運輸設(shè)備出口，西出入口為日常辦公實驗人員出入通道。移動式車輛停泊位置如圖所示。測試場地在實驗過程中，可能會發(fā)生以下安全隱患：實驗場地東西兩側(cè)的門沒有關(guān)閉前即開始實驗，可能造成外部人員誤入而受到輻射；在出束前測試倉庫中未清理實驗無關(guān)人員，在出束時會對其造成輻射傷害；由于出束方向是由西向東發(fā)射，若西側(cè)屏蔽防護出現(xiàn)問題造成射線泄漏，會對實驗人員的人身安全造成威脅等其他安全隱患?？傊?，該安全聯(lián)鎖裝置的目的為杜絕所有會對人身安全造成威脅的隱患，避免造成重大的輻射事故[3]。

圖1 特定庫檢測大廳平面圖

圖2 聯(lián)鎖系統(tǒng)流程圖

1 聯(lián)鎖系統(tǒng)控制電路構(gòu)成

聯(lián)鎖系統(tǒng)主要包括3個部分：巡更聯(lián)鎖系統(tǒng)、劑量聯(lián)鎖系統(tǒng)以及門聯(lián)鎖系統(tǒng)。如圖2所示，流程主要分為3個階段：（1）自然狀態(tài)，此時所有巡更點的指示燈熄滅，門吸斷電處于開放狀態(tài)，警示燈全部處于熄滅狀態(tài)，所有允許出束的開關(guān)均處于關(guān)閉狀態(tài)；（2）清場狀態(tài)，當按下巡更點1時進入此狀態(tài)，在此狀態(tài)時，準備出束的燈亮起，所用巡更點的蜂鳴器響起，門吸上電，可通過門禁開關(guān)從西側(cè)門進出，待巡檢人員依次點亮巡更點，當全部點亮后，等待準備出束；（3）出束狀態(tài)，此時正在出束的紅色指示燈亮起，門吸上電，外界及控制區(qū)內(nèi)的操作人員無法通過門禁開關(guān)將門打開，允許出束的開關(guān)均處于開啟狀態(tài)，待試驗結(jié)束，停止出束，結(jié)束出束狀態(tài)。

如圖3所示，根據(jù)測試倉庫的空間位置，對其設(shè)計了4個巡更點，保證巡視時沒有死角，每個巡更點配置1個巡更顯示燈，1個巡更按鈕，1個急停按鈕及1個蜂鳴器。巡檢人員需從巡更點1開始按下按鈕，并依此點亮巡更點2、3、4，當按下巡更4的按鈕后，蜂鳴器停止響鈴，進入準備出束狀態(tài)。在出束狀態(tài)下，按下任意巡更點急停按鈕，則停止出束。在停止出束后，西側(cè)的門磁會打開，滯留人員通過此門離開測試倉庫。

圖3 特定庫安全聯(lián)鎖系統(tǒng)分布圖

劑量聯(lián)鎖包括3個檢測倉庫劑量儀以及安裝在移動式車輛檢查系統(tǒng)操作間內(nèi)的1個劑量儀。其劑量儀的作用是實時監(jiān)測X、γ的環(huán)境劑量。如圖3所示，在檢測倉庫的3個劑量儀分別安裝在西側(cè)墻壁及西北角墻壁上，其作用分別為檢測圖2中西側(cè)的兩個辦公室附近的輻射劑量以及西側(cè)電磁門口附近的環(huán)境實時劑量，操作室內(nèi)的探測儀則是實時監(jiān)控實驗測試人員附近的環(huán)境劑量。當環(huán)境劑量超過閾值劑量儀開始報警，安裝在西側(cè)墻壁的劑量儀的位置即為控制區(qū)的邊界位置，它的劑量當量率應(yīng)在2.5 μSv/h以下；操作間內(nèi)的實驗人員的環(huán)境劑量當量率1.0 μSv/h以下[4]。實驗過程中，如果4個劑量儀中的任何一個超過預(yù)定閾值，則出束狀態(tài)立刻停止，需要排查泄漏處才能重新開始實驗。

門聯(lián)鎖包括東側(cè)倉庫門以及西側(cè)實驗人員進出通道的門。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，檢測倉庫的控制區(qū)需要門鎖及安全聯(lián)鎖裝置[5]，其目的為控制實驗測試時無關(guān)人員的進出，若在實驗時有控制區(qū)之外的人員進入，則會進入停止出束狀態(tài)，以保證人員的相關(guān)安全，避免發(fā)生輻射事故[6]。東側(cè)的倉庫門為平時運輸貨物的通道，為高4 m的對扇鐵門，因此不會經(jīng)常開啟，且在內(nèi)部將其鎖住，在鐵門兩側(cè)安裝一對紅外對射傳感器，用于檢測東門的開閉狀態(tài)，當鐵門遮擋紅外對射，則會出現(xiàn)開門反饋信號，使其無法進入出束狀態(tài)；當出束狀態(tài)時接收到反饋信號，則立刻停止出束。

為應(yīng)對緊急情況的發(fā)生，西門配備1個急停按鈕，當按下急停按鈕后，會停止出束狀態(tài)，門吸失電而打開，相關(guān)人員通過西門離開控制區(qū)。在西門外部配有2盞指示燈，分別為代表清場狀態(tài)的黃色指示燈以及代表正在出束的紅色指示燈。當巡更之前上面2盞燈均不點亮，當按下巡更按鈕1后，門磁加電，黃色指示燈亮起；當開始出束后，黃色指示燈熄滅，紅色指示燈亮起。

2 安全聯(lián)鎖系統(tǒng)控制電路設(shè)計

2.1 PLC

PLC作為控制電路中的“大腦”[7]，在控制系統(tǒng)中起著十分重要的作用，無論是巡更聯(lián)鎖、劑量聯(lián)鎖還是門聯(lián)鎖都要通過PLC發(fā)送開關(guān)信號信號，該套安全聯(lián)鎖裝置的PLC端口設(shè)計如圖4所示，總共采用了26個輸入端口以及18個輸出端口，輸入端口主要包括巡更信號的輸入，劑量信號的輸入，東西門及操作間關(guān)門信號的輸入，各位置急停按鈕信號的輸入；輸出端口主要包括實驗設(shè)備繼電器的通斷，巡更燈的亮滅輸出及蜂鳴器輸出，東西門急停及供電的輸出，其PLC主要實現(xiàn)的作用是接收包括劑量儀、門禁、巡更系統(tǒng)發(fā)送的反饋信號，并經(jīng)過處理想相應(yīng)設(shè)備輸出動作指令。

2.2 巡更聯(lián)鎖系統(tǒng)

巡更聯(lián)鎖系統(tǒng)的控制核心器件是PLC，PLC選用的型號為三菱公司的FX3U-64MR，通過PLC控制4個巡更點。圖5所示為巡更點電路圖，指示燈及蜂鳴器供電線由直流電壓24 V供電，負極由蜂鳴器與指示燈公用，剩下兩條供電線分別對應(yīng)二者正極的直流24 V，由控制箱提供電壓。急停按鈕的信號線兩芯分別接急停的常開與常閉信號。常開端信號送入PLC輸入端，常閉信號與允許出束信號串聯(lián)，巡更按鈕的信號線則接入常開端，將信號送入PLC的輸入端。當按下巡更按鈕XG，其向PLC發(fā)出信號，再從PLC通過XG_H及XG_FM分別向指示燈及蜂鳴器發(fā)出信號，點亮該巡更點指示燈，因為蜂鳴器的作用是讓所有控制區(qū)的人員接收到清場的通知，因此當所有巡更點的按鈕均按下后，4個巡更點的蜂鳴器才停止響鈴。每個巡更點急停按鈕的常閉模塊進行串聯(lián)連接，常開模塊則并聯(lián)接入PLC中，當按下急停按鈕時通過XGJT_NO向PLC發(fā)送信號，PLC發(fā)出停止出束指令，進入清場狀態(tài)，該巡更點之后的巡更點指示燈全部熄滅，必須進行重新巡更后才能進入出束狀態(tài)。巡更按鍵以并聯(lián)的方式通過XG接入PLC中。

2.3 劑量聯(lián)鎖系統(tǒng)

劑量聯(lián)鎖的電路原理圖如圖6所示，劑量連鎖由劑量控制箱與劑量配電箱兩部分構(gòu)成，控制箱主要放置“硬”開關(guān)和中間繼電器等器件，該驅(qū)動信號不依靠PLC的邏輯運行，直接通過器件機械方式的開斷，這樣的好處是通斷迅速，使系統(tǒng)更加簡潔可靠，其由直流12 V直接進行供電，配電箱主要接收中間繼電器閉合后產(chǎn)生的信號，其工作流程為K_JL為4個中間繼電器，當劑量低于劑量閾值時信號會驅(qū)動中間繼電器使K_JL進行閉合，通過JL向PLC發(fā)送信號進行進一步出束，當劑量超過閾值時，會發(fā)生報警，其產(chǎn)生的信號會驅(qū)動中間繼電器將其斷開，對中間繼電器的常閉觸點進行串聯(lián)連接，然后再對包括巡更急停按鈕在內(nèi)的其他急停進行串聯(lián)，這樣保證任何一個常閉觸點斷開時，即任意劑量儀發(fā)生報警的情況下，均能停止出束狀態(tài)，保證操作人員的人身安全。同時無論在未出束狀態(tài)還是出束狀態(tài)，劑量儀的通電狀態(tài)都會得到實時監(jiān)測，對其信號進行實時采集以確保劑量儀處于監(jiān)測狀態(tài)，劑量儀會實時反饋此時的環(huán)境劑量。

圖4 PLC主體設(shè)計

圖5 巡更點電路圖

圖6 劑量儀電路圖

2.4 門聯(lián)鎖系統(tǒng)

門聯(lián)鎖主要分為兩個部分，第一部分是西側(cè)門的聯(lián)鎖，其西門及周邊器件的電路圖如圖7所示，西側(cè)安裝有清場指示燈和正在出束燈，其直接與市電220 V電壓連接，控制箱中分別接PLC控制輸出的中間繼電器；門禁開關(guān)按鈕的信號線與按鈕的常開模塊連接，接入PLC的輸入端，西門急停按鈕常開信號輸入PLC，常閉信號與允許出束信號串聯(lián)。門磁電源由直流24 V電源提供，開閉由PLC輸出端控制，門磁配合有門磁反饋，通過反饋檢測西側(cè)門開閉狀態(tài)。當按下第一個巡更按鈕后，PLC通過Y14端口向中間繼電器K5發(fā)出信號，此時中間繼電器K5的常開觸點變?yōu)殚]合狀態(tài)，黃色清場指示燈點亮，此時關(guān)門反饋信號通過LCK_W_FB輸入PLC中的X20端口，再從Y20端口輸出，通過LCK_W為西側(cè)門吸供電提供信號，該反饋信號與急停按鈕信號串聯(lián)，反饋信號是一個常閉信號，當出束時西門被打開，常閉信號變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，出束狀態(tài)被終止。

圖7 西側(cè)門禁電路圖

第二部分是東側(cè)門的聯(lián)鎖，因東側(cè)門是貨物運輸通道，不經(jīng)常打開，是一扇高4 m的對扇鐵門，因此采用一對紅外對射傳感器檢測東門的開閉狀態(tài)。該紅外感應(yīng)器由直流電源24 V直接提供，并引入PLC的輸入端以檢測紅外對射是否正常工作；紅外對射的信號線作為開關(guān)門的反饋信號經(jīng)變換接入PLC的輸入端；東門還配有一套急停按鈕，其中輸入端接入到PLC中，常閉信號與允許出束信號串聯(lián)。東門門禁電路圖如圖8所示，從圖中可以看出東門急停的常閉模塊與西門的急停開關(guān)的常閉開關(guān)串聯(lián)形成東西門門禁聯(lián)鎖，當拍下東門急停按鈕，信號通過JT_E_NO傳入PLC中停止出束；紅外對射接收信號通過LCK_E_FB進入PLC的X21輸入端，當東側(cè)鐵門遮擋紅外信號，常閉信號被斷開，PLC發(fā)射停止出束指令。

圖8 東側(cè)門禁電路圖

2.5 操作間控

操作間是整個控制區(qū)最重要的部分，其控制著加速器的出束與停止，同時由于操作人員需要長時間在操作間進行實驗，因此做好輻射防護措施是十分重要的。操作間的控制電路設(shè)計如圖9所示，操作間門安裝有一個微觸開關(guān)，其作為開關(guān)信號一端接入常開觸點，另一端接入PLC的輸入端；操作間還配有“清場完畢”及“結(jié)束出束”按鈕，當出束進行時，中間繼電器K6閉合，“正在出束”指示燈亮起，指示燈由直流24 V電源供電，接入PLC的輸出端口，當出束結(jié)束時按下“停止出束”按鈕，會通過STP傳入PLC的X24輸入端，PLC的輸出端會通過Y1或者Y2將設(shè)備接觸器進行斷電（具體關(guān)斷哪一個接觸器由實驗項目決定），同時Y15輸出端的K6出束繼電器斷開以及Y21的輸出端會是K7門吸繼電器斷開；為實時監(jiān)測操作間劑量當量，操作間還配有實時劑量檢測儀，其通過JL5接入PLC的輸入端X31，報警開關(guān)信號接入輸出端；操作間還配有電子感應(yīng)加速器允許出束信號線，其一端接入電源箱門控信號端，另一端接總控制箱內(nèi)“允許出束”的中間繼電器。

圖9 操作間電路圖

2.6 聯(lián)鎖系統(tǒng)調(diào)試與運行

以上電路設(shè)計完成后，由工作人員對總控制機柜、4個巡更箱、西門門吸、東門紅外線對射以及劑量儀進行制作及安裝，并對所有電路邏輯進行通斷測試，對PLC的輸入及輸出逐個進行調(diào)試確保PLC的指令能正常工作。施工完成后，對可能出現(xiàn)的如劑量超標、實驗中途東西門鎖被打開、實驗中途有滯留人員在試驗區(qū)等情況進行了模擬，并對所有位置的急停按鈕進行測試，經(jīng)調(diào)試，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)安全可靠，符合設(shè)計要求。目前系統(tǒng)已通過相關(guān)安檢部門驗收，后續(xù)運行無系統(tǒng)運行錯誤及硬件掉電動作的發(fā)生，有效地保障了實驗倉庫內(nèi)實驗人員的人身安全及其他工作人員的安全。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)某檢測倉庫的結(jié)構(gòu)特點及相關(guān)設(shè)施的特性，綜合在過去實驗中所發(fā)現(xiàn)的安全隱患，設(shè)計了全新的車輛檢查系統(tǒng)測試倉庫的安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，通過對各角落巡更系統(tǒng)、劑量檢測及門聯(lián)鎖的設(shè)計，能夠切實杜絕輻射安全事故的發(fā)生，該安全聯(lián)鎖系統(tǒng)簡單可靠，對關(guān)鍵設(shè)備進行冗余設(shè)計[8]，最大限度地保護了相關(guān)人員的安全，提高了實驗倉庫的安全性。