袁 駿，何志軍，張 偉

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)核工業(yè)的發(fā)展，核技術(shù)被應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，由此不可避免地產(chǎn)生了大量亟待檢測(cè)、管理的核廢料和核廢物[1]。對(duì)此，我國(guó)制定了放射性廢物管理的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了放射性廢物的產(chǎn)生、收集、預(yù)處理、處理、整備與貯存等各個(gè)階段的管理目標(biāo)和基本要求[2]。因此，在處理、處置之前，對(duì)核廢物的檢測(cè)和分類(lèi)顯得尤為必要[3]。

放射性廢物經(jīng)過(guò)一系列的處理后，形成密封包裝的廢物桶。廢物桶產(chǎn)生后通常不再進(jìn)行取樣分析，只能采用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，以得到核素及活度信息[4-5]。因此，廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀是核廢物產(chǎn)生單位必須配備的重要設(shè)備之一。廢物桶無(wú)損檢測(cè)間處于高放射性環(huán)境，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀控制系統(tǒng)缺少冗余設(shè)計(jì)。當(dāng)廢物桶處于無(wú)損檢測(cè)間時(shí)，工作人員無(wú)法進(jìn)入檢測(cè)間。這對(duì)廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀控制系統(tǒng)的可靠性和高效性設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

本文開(kāi)發(fā)了一種基于冗余可編程序邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)和以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)的廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用2套PLC，實(shí)現(xiàn)控制器的一主一備同時(shí)運(yùn)行；通過(guò)軟件編程，實(shí)現(xiàn)雙控制器的冗余切換；結(jié)合伺服運(yùn)動(dòng)控制、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)，提升了控制系統(tǒng)的可靠性和高效性，有效避免了由于控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障而引起的安全事故。

1 廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀組成及功能

以某乏燃料后處理廠為例。廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀包括測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)和探測(cè)器組件2部分。測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)由輥道傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)臺(tái)平移機(jī)構(gòu)組成。探測(cè)器組件由探測(cè)器升降機(jī)構(gòu)、探測(cè)器平移機(jī)構(gòu)和準(zhǔn)直孔開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)組成。廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以上機(jī)構(gòu)的六軸協(xié)調(diào)控制，高效、可靠地完成整個(gè)檢測(cè)工藝流程。廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀組成及功能如表1所示。

表1 廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀組成及功能

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1硬件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀控制系統(tǒng)硬件部分主要由上位機(jī)、下位機(jī)、輸入/輸出(input/output，I/O)模塊、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行及檢測(cè)機(jī)構(gòu)組成。

上位機(jī)用于系統(tǒng)控制指令設(shè)定和運(yùn)行可視化監(jiān)控等。廢物桶檢測(cè)時(shí)，操作員借助上位機(jī)實(shí)現(xiàn)與PLC的信息交互。上位機(jī)界面下發(fā)操作員的指令和系統(tǒng)參數(shù)，并顯示設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行的三維動(dòng)畫(huà)。

下位機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的控制器。廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀控制系統(tǒng)屬于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。下位機(jī)選用倍福公司的PLC。該控制器可同時(shí)對(duì)6根運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行控制，滿足設(shè)備需求。此外，下位機(jī)采用冗余PLC設(shè)計(jì)，一主一備獨(dú)立運(yùn)行。PLC冗余控制技術(shù)是提高控制系統(tǒng)可靠性的有效方法和主要措施[6-7]，能夠使控制系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)不受局部單一故障的影響，實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)工作，從而達(dá)到提高控制系統(tǒng)可靠性和降低失效率的目的。

I/O模塊用于遠(yuǎn)程收集與輸出信號(hào)。收集的信號(hào)包括行程開(kāi)關(guān)、傳感器和第三方設(shè)備信號(hào)。輸出的信號(hào)包括指示燈和第三方設(shè)備信號(hào)。

控制系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)圖Fig.1 Overall architecture diagram of the control system hardware

驅(qū)動(dòng)執(zhí)行及檢測(cè)機(jī)構(gòu)主要包括伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、行程開(kāi)關(guān)和傳感器等設(shè)備。PLC通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接，并控制其動(dòng)作和接收其反饋信息；PLC通過(guò)I/O模塊與檢測(cè)機(jī)構(gòu)連接，并收集和輸出相關(guān)信號(hào)。

2.2 冗余PLC控制器的設(shè)計(jì)

2臺(tái)PLC通過(guò)以太網(wǎng)連接，交互信號(hào)，實(shí)現(xiàn)冗余。2臺(tái)PLC的型號(hào)和運(yùn)行程序一致，供電來(lái)自不同的開(kāi)關(guān)電源，保證了2臺(tái)PLC能夠可靠、穩(wěn)定地同步運(yùn)行。2臺(tái)PLC再分別通過(guò)交換機(jī)與上位機(jī)和工業(yè)總線各從站連接，獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)連接，互不影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)上位機(jī)信息交互和工業(yè)總線各從站控制的網(wǎng)絡(luò)冗余。

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)中采用了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)這2種通信方式。其中:上位機(jī)與下位機(jī)、主控制器與備控制器之間采用以太網(wǎng)通信；下位機(jī)與I/O模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器之間采用以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)(ethernet control automation technology，EtherCAT)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信。EtherCAT工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的100 Mbit/s傳輸速度保證了控制系統(tǒng)的高效性[8]。上位機(jī)自帶2個(gè)網(wǎng)口。下位機(jī)自帶2個(gè)網(wǎng)口，搭配EtherCAT工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線擴(kuò)展模塊的1個(gè)網(wǎng)口。交換機(jī)自帶8個(gè)網(wǎng)口，均滿足廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)要求。

2.4 硬件選型清單

在廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工藝測(cè)量要求，完成了控制系統(tǒng)相關(guān)硬件選型。控制系統(tǒng)硬件的主要器件如下：上位機(jī)(型號(hào)DIAVH-PPC155100A)具有15英寸(1英寸=25.4 mm)顯示屏、2個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口、2個(gè)USB接口；下位機(jī)(型號(hào)CX2020-0125)具有4 GB內(nèi)存卡、40 GB的Cfast存儲(chǔ)卡；交換機(jī)(型號(hào)CU2008)具有8個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口；總線拓展模塊(型號(hào)EK1110)是EtherCAT工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線擴(kuò)展模塊，具有1個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口；數(shù)字量輸入模塊(型號(hào)EL1018)具有8路數(shù)字量輸入信號(hào)；數(shù)字量輸出模塊(型號(hào)EL2008)具有8路數(shù)字量輸出信號(hào)；模擬量輸入模塊(型號(hào)EL3152)具有2路4～20 mA模擬量輸入通道；伺服驅(qū)動(dòng)器(型號(hào)AX5106-0000-0200)額定輸出電流6 A，輸出峰值電流13 A。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)運(yùn)行檢測(cè)流程圖

廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)由上位機(jī)自動(dòng)加載工藝參數(shù)，控制設(shè)備完成廢物桶的無(wú)損檢測(cè)工藝流程。運(yùn)行檢測(cè)流程主要包括設(shè)備初始化、啟動(dòng)檢測(cè)、接收廢物桶、加載工藝參數(shù)、測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)作、探測(cè)器組件動(dòng)作、送出廢物桶和設(shè)備復(fù)位等步驟?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行檢測(cè)流程如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)運(yùn)行檢測(cè)流程圖Fig.2 Flowchart of control system operation detection

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀控制系統(tǒng)的下位機(jī)編程軟件使用倍福公司的基于Windows的控制和自動(dòng)化技術(shù)工程軟件(the windows control and automation technology 3， TwinCAT 3)。TwinCAT 3是以結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言(structured text，ST)為主、符合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，可在線/離線對(duì)PLC程序進(jìn)行修改，易于調(diào)試和維護(hù)。

下位機(jī)軟件采用模塊化編程方法，根據(jù)設(shè)備的功能和工藝的要求，將下位機(jī)程序分成了7個(gè)主要功能模塊，即調(diào)試運(yùn)行功能塊、手動(dòng)運(yùn)行功能塊、自動(dòng)運(yùn)行功能塊、故障復(fù)位功能塊、安全保護(hù)功能塊、冗余控制功能塊和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能塊。其中，每個(gè)功能塊又包括若干個(gè)子程序模塊，例如速度控制模塊、絕對(duì)位置控制模塊、編碼器零位設(shè)置模塊等。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀控制系統(tǒng)的上位機(jī)編程軟件使用易控公司的組態(tài)軟件，以標(biāo)準(zhǔn)c#語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言， 與下位機(jī)之間通過(guò)先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)協(xié)議(advanced design system，ADS)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備工藝參數(shù)和控制指令的下發(fā)，以及對(duì)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和狀態(tài)監(jiān)控。

除常規(guī)的二維流程圖和報(bào)警指示燈顯示畫(huà)面外，該上位機(jī)還開(kāi)發(fā)了三維動(dòng)畫(huà)實(shí)時(shí)顯示畫(huà)面，更加直觀、生動(dòng)地展示工藝檢測(cè)流程。

4 測(cè)試

樣機(jī)研制調(diào)試過(guò)程中，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的調(diào)試和大量的測(cè)試，分別對(duì)每根運(yùn)動(dòng)伺服軸的速度、加速度、減速度、比例、積分和微分參數(shù)進(jìn)行修正[9-11]，以保證每根運(yùn)動(dòng)伺服軸在負(fù)載工況下可以平順的完成動(dòng)作。以轉(zhuǎn)臺(tái)側(cè)搭載500 kg廢物桶、探測(cè)器組件側(cè)搭載探測(cè)儀器的測(cè)試工況為例，使轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)以18°/s和探測(cè)器平移電機(jī)以14 mm/s的速度正負(fù)連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。測(cè)試過(guò)程中對(duì)運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。運(yùn)動(dòng)曲線如圖3所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)曲線Fig.3 Motion curves

從圖3可知，2根軸在以上工況和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，位置偏差值微小，速度曲線平順，滿足廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀對(duì)控制系統(tǒng)的要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于冗余PLC的廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀控制系統(tǒng)。為保證廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀的可靠性和高效性，本文提出了一種基于冗余PLC和EtherCAT工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)的控制方案，重點(diǎn)介紹了設(shè)備的功能、控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)、硬件選型、工藝檢測(cè)流程、下位機(jī)PLC軟件設(shè)計(jì)、上位機(jī)畫(huà)面軟件設(shè)計(jì)等內(nèi)容。本控制系統(tǒng)已通過(guò)了相關(guān)課題的驗(yàn)收，可以滿足對(duì)于廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀可靠性和高效性的要求，彌補(bǔ)了現(xiàn)有國(guó)內(nèi)廢物桶無(wú)損檢測(cè)儀控制系統(tǒng)缺少冗余設(shè)計(jì)的空白，具備廣闊的工程應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。