蔡 軍，徐 杰，黃文博，王建華，李長園

（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800）

電子輻照實驗裝置是中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（Thoriumbased Molten Salt Reactor Nuclear Energy System，簡稱TMSR）戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項建設(shè)的一臺用于反應(yīng)堆設(shè)備及電纜材料β輻照實驗研究的電子輻照加速器，由地那米電子加速器及束下系統(tǒng)組成，最大電子能量1.5 MeV，流強10 mA［1］。當實驗裝置進行β輻照實驗時，輻照大廳內(nèi)電子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生電離輻射，如果此時人員誤入該高輻射區(qū)域，將對人員造成輻照傷害。因此，有必要根據(jù)國家核與輻射安全相關(guān)標準規(guī)范建立輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，以保護人員的輻射安全。

隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)從繼電器和計算機控制發(fā)展為更穩(wěn)定、可靠的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）技術(shù)［2-7］。近年來，上海光源、中子物理實驗裝置及高能同步輻射光源等輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)采用了冗余的PLC控制器，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性［8-10］。本文結(jié)合已有設(shè)計與實踐經(jīng)驗，采用高可靠的冗余PLC控制器技術(shù)完成電子輻照實驗裝置輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計，避免在實驗裝置運行時發(fā)生人員輻照事故，確保人身輻射安全。

1 設(shè)計依據(jù)

輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)不僅需要遵守弱電系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范，還需滿足國家輻射安全相關(guān)標準規(guī)范的要求。進行系統(tǒng)設(shè)計時，必須考慮最優(yōu)切斷、失效安全、硬件可靠、縱深防御、自我巡檢及以人為本等設(shè)計原則［11,12］。

（1）最優(yōu)切斷：輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)在加速器的控制系統(tǒng)中具有最高權(quán)力，能優(yōu)先切斷加速器束流。

（2）失效安全：當系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備、連接線路發(fā)生故障或失效時，輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)能避免出現(xiàn)失控性后果，可以采取措施保障預(yù)定的安全狀態(tài)。

（3）縱深防御：充分考慮并合理設(shè)置聯(lián)鎖措施，實現(xiàn)多重冗余保護，具有相互獨立性。

（4）硬件可靠：關(guān)鍵聯(lián)鎖信號盡可能采用硬件設(shè)備提供，盡量減少規(guī)章制度等管理措施。

（5）自我巡檢：關(guān)鍵設(shè)備具有可自檢性和可測試性，對故障問題進行自動記錄。

（6）以人為本：聯(lián)鎖控制邏輯簡潔合理，人機交互性好，便于運行操作及檢修維護。

2 系統(tǒng)組成

輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)由PLC控制器、搜索清場按鈕、緊急停機按鈕、警燈警鈴和鑰匙裝置等現(xiàn)場設(shè)備及監(jiān)控主機組成，以冗余PLC控制器為核心，通過邏輯控制程序的設(shè)計實現(xiàn)對搜索清場按鈕、緊急停機按鈕、警燈警鈴、鑰匙裝置、門限位開關(guān)及加速器機器聯(lián)鎖控制器、高頻高壓和電子槍高壓觸發(fā)控制器等的聯(lián)鎖控制，如圖1所示。當輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)建立完成后，將向機器聯(lián)鎖控制器發(fā)送允許開機信號，此時實驗裝置可以開機運行，同時機器聯(lián)鎖控制器將實驗裝置的運行狀態(tài)反饋給輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)建立后，如果發(fā)生緊急停機按鈕被按下、門限位開關(guān)被打開等聯(lián)鎖事件，輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)會切斷高頻高壓和電子槍高壓觸發(fā)控制器，并向機器聯(lián)鎖控制器發(fā)送切斷運行的信號，從而優(yōu)先切斷輻射源。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 System composition diagram

根據(jù)電子輻照實驗裝置的布局情況，按照國家輻射安全相關(guān)標準規(guī)范，將輻照大廳內(nèi)劃分為控制區(qū)，在實驗裝置運行時禁止人員進入。電子輻照實驗裝置輻射安全聯(lián)鎖設(shè)備的分布情況如圖2所示。PLC控制器位于控制室的控制機柜內(nèi)，負責對所有輻射安全聯(lián)鎖設(shè)備的信號進行控制。鑰匙裝置位于控制室的控制臺上，采用電磁控制方式，當加速器停機時才可以釋放聯(lián)鎖鑰匙，是聯(lián)鎖建立及加速器開機的必要設(shè)備。搜索清場按鈕和緊急停機按鈕位于輻照大廳內(nèi)，分別用于聯(lián)鎖建立前對滯留大廳內(nèi)人員的搜索清場及緊急情況下切斷加速器束流，這些按鈕帶有指示燈，便于滯留在輻照大廳內(nèi)的人員快速找到。門限位開關(guān)是防護門關(guān)閉狀態(tài)的信號確認設(shè)備，警燈警鈴以聲光報警的方式提醒人員注意輻射安全聯(lián)鎖狀態(tài)。

圖2 輻射安全聯(lián)鎖設(shè)備分布圖Fig.2 Distribution of radiation safety interlocking device

PLC控制器所采用的SIEMENS公司CPU模塊、IO模塊和通信接口模塊等，均是雙重設(shè)計的S7-412-5H熱備硬冗余系統(tǒng)，并采用冗余的通訊專用電纜與現(xiàn)場聯(lián)鎖設(shè)備、加速器機器聯(lián)鎖系統(tǒng)、高頻高壓和電子槍高壓觸發(fā)控制器進行聯(lián)鎖連接，如圖3所示。CPU模塊配置成主、備CPU，可以確保設(shè)備在發(fā)生故障時可以無擾動自動切換。PLC控制器的工作模式為冗余模式，主、備CPU同時處于RUN狀態(tài)，二者間采用專用電纜通信，保持事件同步程序執(zhí)行并互相檢查。主CPU發(fā)生故障或進入STOP狀態(tài)時，主、備CPU之間進行切換，切換時不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)信息丟失的問題，保證了系統(tǒng)的可靠性。此外，PLC控制器對所有聯(lián)鎖設(shè)備進行信號監(jiān)控，當任何聯(lián)鎖設(shè)備信號狀態(tài)出現(xiàn)異常時，都不能建立聯(lián)鎖或聯(lián)鎖建立時觸發(fā)聯(lián)鎖信號切斷實驗裝置的運行，這樣既確保了輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的有效性，又提高了系統(tǒng)的安全性。

圖3 冗余PLC控制器的線路連接示意圖Fig.3 Line connection of redundant PLC

3 聯(lián)鎖控制

3.1 控制流程

輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的建立是電子輻照實驗裝置開機的必備條件。在實驗裝置運行時，任何違反輻射安全的行為都會產(chǎn)生聯(lián)鎖信號，以切斷實驗裝置的運行，其控制流程圖如圖4所示。實驗裝置開機準備就緒時，值班運行人員進入實驗裝置輻照大廳內(nèi)，在規(guī)定時間內(nèi)按照設(shè)定的路線對滯留人員進行搜索清場。搜索清場過程中，緊急停機按鈕和緊急出門按鈕如被按下，都會引起搜索清場中斷，需要重新進行搜索清場。搜索清場完成后，關(guān)閉防護門，將聯(lián)鎖鑰匙在鑰匙盒上就位，并轉(zhuǎn)動聯(lián)鎖鑰匙，建立輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)將向機器聯(lián)鎖控制器輸出允許開機信號，禁止人員進入實驗裝置輻照大廳。在輻射安全聯(lián)鎖建立的過程中，警燈警鈴會持續(xù)報警，提醒滯留人員通過緊急停機按鈕或緊急出門按鈕阻止實驗裝置開機。在實驗裝置的運行期間，任何緊急停機按鈕及緊急出門按鈕被按下或防護門被打開等聯(lián)鎖事件的發(fā)生，都會切斷實驗裝置的運行，引起實驗裝置停機。

3.2 聯(lián)鎖程序

根據(jù)聯(lián)鎖控制信號的類型及其執(zhí)行功能，輻射安全聯(lián)鎖程序采用SIEMENS公司自帶的STEP 7 V5.5標準程序進行編寫。電子輻照實驗裝置聯(lián)鎖控制信號主要為輸入及輸出信號，見表1。在冗余PLC控制器中所有的輸入及輸出信號都是一致的，為了確保防護門的關(guān)閉狀態(tài)，對于防護門的兩個限位開關(guān)分別取常開和常閉信號。

表1 輻射安全聯(lián)鎖主要輸入及輸出信號Table 1 Radiation safety interlocking input and out signal

圖4 輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)控制流程圖Fig.4 Radiation safety interlocking system control flow chart

聯(lián)鎖程序主要包括了OB1主程序循環(huán)模塊以及帶有錯誤診斷的OB組織模塊。OB1主程序循環(huán)模塊通過調(diào)用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、搜索清場、聯(lián)鎖建立、緊急停機及報警復(fù)位等5個FC功能模塊實現(xiàn)輻射安全聯(lián)鎖的控制流程。其中，搜索清場模塊主要依照搜索清場流程執(zhí)行搜索清場程序，在防護門關(guān)閉后采用保持型接通延時定時器S_ODTS實現(xiàn)對警燈警鈴的持續(xù)報警，在緊急停機按鈕、緊急出門按鈕被按下等中斷搜索清場過程的情形下，都會形成搜索復(fù)位信號，只有搜索復(fù)位完成后才能重新進行，其程序段如圖5所示。OB組織模塊主要是對PLC控制器中的CPU冗余故障、I/O冗余故障、定時錯誤、通訊錯誤、診斷中斷和編程錯誤等故障進行診斷，及時反饋故障診斷信息。

圖5 搜索清場程序段圖Fig.5 Logic diagram of searching procedure

3.3 監(jiān)控軟件

監(jiān)控軟件根據(jù)電子輻照實驗裝置輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場布局及聯(lián)鎖信號情況，采用WinCC V7.0進行設(shè)計與開發(fā)，運行在控制室的工業(yè)級計算機上。在監(jiān)控軟件上可以實時監(jiān)控輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)、聯(lián)鎖狀態(tài)、搜索清場狀態(tài)及加速器運行狀態(tài)等狀態(tài)信息，并且可以記錄與儲存聯(lián)鎖信息、急停事件和搜索清場等狀態(tài)信息，如圖6所示。在聯(lián)鎖設(shè)備發(fā)生故障時，監(jiān)控軟件還可以通過彈窗形式提醒工作人員，便于及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常狀態(tài)。此外，還采用C語言以腳本形式編寫聯(lián)鎖狀態(tài)轉(zhuǎn)換的動態(tài)鏈接，可以根據(jù)輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的狀態(tài)實現(xiàn)LED顯示屏狀態(tài)顯示信息的轉(zhuǎn)化。

4 結(jié)論

為了避免在電子輻照實驗裝置運行時發(fā)生人員輻照事故，根據(jù)國家核與輻射安全相關(guān)標準規(guī)范，需要建立一套可靠、穩(wěn)定的輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。本文采用了冗余的PLC控制器技術(shù)，增加了系統(tǒng)的可靠性，減少了故障的發(fā)生，并通過邏輯控制程序的設(shè)計實現(xiàn)了輻射安全聯(lián)鎖現(xiàn)場設(shè)備及機器聯(lián)鎖控制器、高頻高壓和電子槍高壓觸發(fā)控制器等設(shè)備的聯(lián)鎖控制，具備設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、搜索清場、聯(lián)鎖建立、緊急停機及報警復(fù)位等功能，滿足輻射安全的設(shè)計要求，確保了人身輻射安全。

圖6 上位機監(jiān)控軟件圖Fig.6 Upper computer monitoring software diagram