小型壓制去污噴灑機控制系統(tǒng)設(shè)計

, ,吳中,

(61489部隊，河南 洛陽 471023)

0 引言

核武庫、核電站等重要場所因襲擊或事故出現(xiàn)核泄漏、核擴散等突發(fā)事件時，需要立即采取措施，防止核污染的蔓延[1]。核應(yīng)急[2]壓制去污的目的就是通過有效措施，快速實現(xiàn)事故中沾染人員、設(shè)備和物資的放射性污染消除，控制高輻射放射性污染大面積擴散，并最終實現(xiàn)現(xiàn)場污染的控制和消除，恢復(fù)環(huán)境安全[3]。壓制去污噴灑機/車是用于核應(yīng)急救援的專用特種設(shè)備，它可將壓制去污劑噴灑在介質(zhì)表面，有效壓制、吸附包埋放射性顆粒并形成具有一定機械力學(xué)性能的膜體[4]，可有效抑制放射性污染物隨近地表空氣傳播，為救援人員及設(shè)備的進入開辟快速通道。

在實際應(yīng)用中，核應(yīng)急壓制去污噴灑車以作業(yè)面積大、范圍廣、效率高等優(yōu)點在綜合處置演練中取得了良好的效果[5]。但是，對于狹窄區(qū)域如人行便道、洞庫、坑道、體育場館、建筑物內(nèi)部地面和墻壁等小范圍內(nèi)的壓制去污則顯得無能為力。為此，研制了一種小型壓制去污噴灑機，填補了原有系統(tǒng)的功能缺失。本文主要對該噴灑機的控制系統(tǒng)設(shè)計進行詳細闡述。

1 總體結(jié)構(gòu)及原理

1.1 系統(tǒng)工作原理

噴灑機基本工作原理是通過專用泵將特種材料噴灑到指定區(qū)域，實現(xiàn)核事故現(xiàn)場的放射性沉降物和氣溶膠的快速壓制和固定。模擬汽車工作原理，對噴灑機進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，選用汽油機作為能量輸出設(shè)備，并在泵的連接端安裝離合器，實現(xiàn)了作業(yè)過程的流暢控制，工作原理如圖1所示。該裝備的使用需要兩名操作人員配合完成，第一操作員負責(zé)控制系統(tǒng)操作和噴灑機行駛，第二操作員負責(zé)現(xiàn)場作業(yè)。整個作業(yè)過程可分為作業(yè)準備、噴灑作業(yè)、撤收裝備、清洗入庫4個過程。

圖1 噴灑機工作原理

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

噴灑機總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括：料箱、陶瓷柱塞泵、汽油機、控制面板、高壓膠管及絞盤等。料箱上部設(shè)置有進料口，用于加注液料，在接近料箱頂部和底部的位置安裝有液位傳感器，可監(jiān)測液料使用情況，并提供報警信息。選用陶瓷柱塞泵為噴灑泵，該泵適用于輸送具有一定粘度的流體，設(shè)備磨損小、使用時間長、便于清洗和保養(yǎng)。汽油機為噴灑作業(yè)提供動力，使用皮帶與陶瓷柱塞泵連接，為方便操作及監(jiān)視，對汽油機啟?？刂坪蜖顟B(tài)反饋進行了改造，使用控制面板的觸控屏代替汽油機啟動鑰匙，實現(xiàn)了機械控制向電氣控制的轉(zhuǎn)換?？刂泼姘鍍?nèi)嵌在箱體上，對作業(yè)過程進行集中監(jiān)視與控制。高壓膠管及絞盤用于噴灑管路的快速展開與回收，可顯著縮短作業(yè)準備時間，大幅提升作業(yè)效率，膠管頭部安裝有快速接頭，作業(yè)時直接與噴槍連接。

圖2 噴灑機總體結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

噴灑機系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有多個被控對象，對控制邏輯和控制可靠性有較高要求，因此本系統(tǒng)采用PLC與觸控屏相結(jié)合的控制方式?？刂葡到y(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)除了PLC和觸控屏外，還包括繼電器模塊和外圍部件。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)中，觸控屏選用深圳步科公司的MT5323T為上位機，與PLC使用RS485通信接口連接，按Modbus RTU協(xié)議通信[6]。該觸控屏顯示尺寸5.7＂，32-bit 520 MHz RISC CPU，16 M FLASH+32 MSDRAM存儲空間， 2個COM通信口。PLC選用一種集成型小型板式PLC，型號為FX1S-14MR，共有14個點，其中8個輸入點、6個繼電器輸出點。繼電器模塊帶有4路輸出，輸出模式為24 V，10 A，用于增強PLC的輸出驅(qū)動能力[7]。外圍部件包括：液位傳感器、信號采集模塊、供電電源和開關(guān)等。液位傳感器選用鴨嘴式浮球開關(guān)，適用于一定粘度流體的液位監(jiān)測，是一種結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠的液位控制器件，信號采集模塊是專門為汽油機狀態(tài)采集設(shè)計的模塊?？刂葡到y(tǒng)硬件設(shè)計中，關(guān)鍵工作是汽油機啟停控制、汽油機狀態(tài)采集和總體線路設(shè)計。

2.1 汽油機啟?？刂圃O(shè)計

研究汽油機啟動鑰匙接線原理及啟停操作可知，汽油機啟停由兩個過程組成，即啟動和停止。汽油機啟動時，需要將啟動線與啟動電源(12 V DC)持續(xù)連接，直到汽油機正常運轉(zhuǎn)，方可將啟動線斷開。汽油機停止時，只需將停止線與汽油機外殼(外殼與啟動電源負極短接)連接。

2.2 汽油機狀態(tài)信號采集電路設(shè)計

汽油機狀態(tài)在噴灑機作業(yè)中具有重要作用。首先，汽油機啟動過程中，它可以用來判斷汽油機是否啟動成功，并自動斷開啟動回路，保護啟動電源；其次，為避免汽油機帶大負載啟動造成故障，離合器需要在汽油機正常運轉(zhuǎn)后吸合，汽油機狀態(tài)是重要的判斷條件。最后，汽油機狀態(tài)可為操作人員指示設(shè)備工作狀態(tài)，有利于及時發(fā)現(xiàn)運行故障，并采取緊急措施，還可作為后期無人化升級的重要依據(jù)。但是，汽油機本體并沒有狀態(tài)反饋信號，需要通過加裝傳感器或電路優(yōu)化等方法采集信號。噴灑機研制中，考慮了兩個方案。方案一：加裝傳感器，通過主動輪表轉(zhuǎn)速征汽油機工作狀態(tài)。但是，該方案需要在汽油機主動輪加裝轉(zhuǎn)速傳感器，對設(shè)備改裝工作量大，影響設(shè)備整體可靠性；方案二：根據(jù)汽油機啟動前后電參數(shù)變化表征汽油機狀態(tài)。改裝汽油機啟?？刂茣r，有一根棕色線未能使用，用萬用表測量可得到汽油機啟動前后其對地電壓有微小變化，經(jīng)多次測量，得到啟動后電壓升高0.5 V。經(jīng)分析汽油機電路結(jié)構(gòu)，得知該線為汽油機啟動電源反向充電線，汽油機啟動后帶動充電裝置運轉(zhuǎn)產(chǎn)生反向充電電壓，該電壓比啟動電源工作電壓要高一些。根據(jù)此原理，設(shè)計了汽油機狀態(tài)信號采集電路，如圖4所示。

圖4 汽油機狀態(tài)信號采集電路

LM339為增益不可調(diào)運算放大器，每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端[8]。兩個輸入端電壓差別大于10 mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，LM339常用在弱信號檢測場合。LM339內(nèi)部裝有4個獨立的電壓比較器，該電壓比較器有以下特點：1)失調(diào)電壓小，典型值為2 mV；2)對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬； 3)共模范圍大；4)差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；5)輸出端電位可靈活方便地選用[9]。如圖5所示，使用5.1 K的電位器調(diào)整比較電壓精度和靈敏度，保證汽油機啟動前輸出管飽和，輸出端接低電位，輸出為低電平。汽油機啟動后輸出管截止，通過上拉電阻輸出一個高電平。將輸出信號接入板式PLC數(shù)字量輸入點，從而可以判斷汽油機運行狀態(tài)。

2.3 總體線路設(shè)計

總體線路設(shè)計以下位機為核心，將上位機與外圍部件連接起來，總體線路設(shè)計如圖5所示。其中，12 V電源為汽油機原裝啟動電源，24 V電源為控制系統(tǒng)供電電源，兩電源作共地處理。兩電源不宜用一塊電池+變壓器/逆變器代替，由于汽油機啟動電流大，共用電源將導(dǎo)致控制系統(tǒng)工作不穩(wěn)定[10]。開關(guān)和急停按鈕為機械按鈕，用于啟動控制系統(tǒng)和處理緊急事件。LED模塊用于監(jiān)視控制系統(tǒng)電源電量，并通過充電器補充電量。信號采集板與PLC分開設(shè)置，避免信號干擾。下位機控制盒選用航空接頭作為信號輸入輸出接口，電源線與信號線、通信線隔離設(shè)置，有效避免了線纜間的相互干擾。

圖5 總體線路設(shè)計

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件是整個作業(yè)過程的神經(jīng)中樞，它的先進與否直接決定了噴灑機智能化水平的高低，噴灑機的各種功能均在其統(tǒng)一協(xié)調(diào)下實現(xiàn)，控制系統(tǒng)的控制策略也決定了噴灑機的功能特點和可拓展性。按照功能需求和實際條件相結(jié)合的原則，本文設(shè)計的噴灑機控制系統(tǒng)的功能包括：電源監(jiān)視與控制、汽油機啟停和狀態(tài)檢測、噴灑泵啟停和調(diào)速控制、液料液位檢測、故障顯示與報警等。軟件設(shè)計主要包括以下兩部分：PLC控制程序和人機界面程序，系統(tǒng)程序流程如圖6所示。

圖6 程序設(shè)計流程圖

3.1 PLC控制程序

PLC控制程序基于GX Developer軟件開發(fā)，采用模塊化編程思想，主要包括汽油機控制、離合控制、液位指示與報警控制等。為避免裝備作業(yè)過程中料箱振蕩造成液位誤報警，在控制中加入了時間延時，確?？刂茰蚀_可靠。同時，為建立與人機界面的狀態(tài)關(guān)聯(lián)，在液位動態(tài)顯示及報警中，用D0、D1兩個雙字節(jié)內(nèi)部變量作為靜態(tài)和動態(tài)的指示變量，按照邏輯運算結(jié)果分別將一定的數(shù)值賦值給D0、D1，并傳輸至上位機，用以控制液料報警，顯示液位動畫。

3.2 人機界面程序

人機界面程序在Kinco HMIware軟件環(huán)境下組態(tài)。Kinco HMIware組態(tài)編輯軟件是步科公司為MT4000/5000系列HMI開發(fā)的專用人機界面組態(tài)編輯軟件，具有控件齊全，界面制作精細的優(yōu)勢。通過將按鍵按鈕、狀態(tài)顯示控件、實體圖片等在開發(fā)環(huán)境中進行系統(tǒng)集成，分區(qū)規(guī)劃設(shè)置，完成操作界面組態(tài)。與PLC的通信不需要專門編制通信接口程序，可使用Kinco HMIware組態(tài)軟件直接進行通信鏈路搭建及參數(shù)設(shè)置，使用觸控屏的COM1口連接板式PLC進行數(shù)據(jù)通信。

系統(tǒng)操作界面由操作按鈕區(qū)、作業(yè)過程動態(tài)演示區(qū)、液位顯示及報警區(qū)三部分組成。操作按鈕區(qū)用于控制汽油機、噴灑泵啟停和緊急情況的急?？刂啤Ｗ鳂I(yè)過程動態(tài)演示區(qū)可模擬系統(tǒng)運行并動態(tài)顯示各個工作步驟下各組件的工作情況，方便操作人員觀察工序流程和檢查故障。液位顯示及報警區(qū)可直觀顯示液位情況，并以畫面置頂?shù)男问綇棾鰣缶瘜υ捒?，提醒操作人員及時采取措施，避免液位缺少及溢出。

4 試驗測試與分析

控制系統(tǒng)試驗測試的重點是設(shè)備工作的穩(wěn)定性、可靠性，采用單步執(zhí)行的方式對動作執(zhí)行、狀態(tài)顯示、動態(tài)作業(yè)指示、故障報警以及聯(lián)鎖控制等進行了試驗測試，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)運行測試結(jié)果

1)汽油機啟動。啟動前，【啟動】按鈕為激活狀態(tài)(綠色)。啟動成功后，【啟動】按鈕為鎖定狀態(tài)(灰色)，【汽油機狀態(tài)】指示燈由紅變綠，汽油機排煙動畫開始播放。如圖8(a)所示。

2)噴灑泵啟動。啟動前，【工作】按鈕為激活狀態(tài)(綠色)。啟動成功后，【工作】按鈕為鎖定狀態(tài)(紅色)，【噴灑泵狀態(tài)】指示燈由紅變綠，皮帶轉(zhuǎn)動動畫和噴槍噴射動畫開始播放，如圖8(b)所示。

3)液位報警。液料正常狀態(tài)下，液位顯示為綠色。液料不足情況下，液位顯示為灰色，并彈出報警窗口。如圖8(c)所示。液料添加即將溢出時，液位顯示為紅色，并彈出報警窗口。如圖8(d)所示。

4)緊急事件處理。為確保設(shè)備運行安全可靠，進行了緊急停機的冗余設(shè)計，分別在人機界面和操作面板上設(shè)置了軟、硬【急?！堪粹o，用于切斷所有動作，恢復(fù)到初始狀態(tài)。人機界面的【急?！堪粹o通過給PLC內(nèi)部地址位發(fā)送命令，清除所有執(zhí)行動作。操作面板上的機械急停按鈕用于觸控屏故障情況下，直接給PLC輸入端發(fā)送指令，停止所有執(zhí)行動作。

經(jīng)多次單步執(zhí)行動作測試及優(yōu)化，上述4類控制功能均能可靠完成。最后，進行了整機聯(lián)調(diào)聯(lián)試，系統(tǒng)啟停正常，功能

參數(shù)達到了設(shè)計要求。噴灑壓力穩(wěn)定(通過溢流控制，可將壓力保持在2 MPa)，狀態(tài)指示準確，具有噴灑均勻、高效、可靠性高、可維護性好、便于操作等優(yōu)點，達到了既經(jīng)濟又簡易的短流程工藝設(shè)計目的。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的小型壓制去污噴灑機控制系統(tǒng)，以板式PLC作為下位機進行設(shè)備控制，實現(xiàn)了汽油機、噴灑泵啟停控制，汽油機狀態(tài)信號采集，液位監(jiān)視與報警等功能。使用觸控屏作為操作終端，界面簡潔、操作簡單，實現(xiàn)了噴灑作業(yè)的可視化、自動化控制。這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、開發(fā)成本低，適合在短流程控制裝備中推廣。

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