閆 平,趙 瀟,張國(guó)光
(中國(guó)原子能科學(xué)研究院,北京 102413)
某檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)用于進(jìn)行移動(dòng)式車輛檢查系統(tǒng)的測(cè)試。因?yàn)槭且苿?dòng)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(cè)的過(guò)程中會(huì)發(fā)射2~7.5 MeV的高能射線。由于電子加速器在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的射線輻射,為避免在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有其他無(wú)關(guān)人員誤入而對(duì)其人身安全造成傷害,因此依照我國(guó)輻射安全的相關(guān)條例與規(guī)范[1],需要設(shè)計(jì)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(biāo)反饋,且抗干擾能力強(qiáng),具有安全穩(wěn)定等特點(diǎn),因此整個(gè)系統(tǒng)圍繞PLC為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)中采用PLC作為主控制器,實(shí)現(xiàn)門機(jī)聯(lián)鎖、劑量檢測(cè)設(shè)備聯(lián)鎖,還包括聲光報(bào)警系統(tǒng)以及緊急逃逸系統(tǒng)[2]。
如圖1所示,該檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)的東側(cè)是自帶屏蔽的墻壁。西側(cè)的墻壁是辦公室與測(cè)試倉(cāng)庫(kù)共同使用。在此設(shè)計(jì)中,除了移動(dòng)式車輛檢測(cè)的操作間之外,測(cè)試倉(cāng)庫(kù)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(gè)出入口。東出入口為運(yùn)輸設(shè)備出口,西出入口為日常辦公實(shí)驗(yàn)人員出入通道。移動(dòng)式車輛停泊位置如圖所示。測(cè)試場(chǎng)地在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,可能會(huì)發(fā)生以下安全隱患:實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地東西兩側(cè)的門沒(méi)有關(guān)閉前即開(kāi)始實(shí)驗(yàn),可能造成外部人員誤入而受到輻射;在出束前測(cè)試倉(cāng)庫(kù)中未清理實(shí)驗(yàn)無(wú)關(guān)人員,在出束時(shí)會(huì)對(duì)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(hù)出現(xiàn)問(wèn)題造成射線泄漏,會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的人身安全造成威脅等其他安全隱患。總之,該安全聯(lián)鎖裝置的目的為杜絕所有會(huì)對(duì)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(kù)檢測(cè)大廳平面圖
圖2 聯(lián)鎖系統(tǒng)流程圖
聯(lián)鎖系統(tǒng)主要包括3個(gè)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(gè)階段:(1)自然狀態(tài),此時(shí)所有巡更點(diǎn)的指示燈熄滅,門吸斷電處于開(kāi)放狀態(tài),警示燈全部處于熄滅狀態(tài),所有允許出束的開(kāi)關(guān)均處于關(guān)閉狀態(tài);(2)清場(chǎng)狀態(tài),當(dāng)按下巡更點(diǎn)1時(shí)進(jìn)入此狀態(tài),在此狀態(tài)時(shí),準(zhǔn)備出束的燈亮起,所用巡更點(diǎn)的蜂鳴器響起,門吸上電,可通過(guò)門禁開(kāi)關(guān)從西側(cè)門進(jìn)出,待巡檢人員依次點(diǎn)亮巡更點(diǎn),當(dāng)全部點(diǎn)亮后,等待準(zhǔn)備出束;(3)出束狀態(tài),此時(shí)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(wú)法通過(guò)門禁開(kāi)關(guān)將門打開(kāi),允許出束的開(kāi)關(guān)均處于開(kāi)啟狀態(tài),待試驗(yàn)結(jié)束,停止出束,結(jié)束出束狀態(tài)。
如圖3所示,根據(jù)測(cè)試倉(cāng)庫(kù)的空間位置,對(duì)其設(shè)計(jì)了4個(gè)巡更點(diǎn),保證巡視時(shí)沒(méi)有死角,每個(gè)巡更點(diǎn)配置1個(gè)巡更顯示燈,1個(gè)巡更按鈕,1個(gè)急停按鈕及1個(gè)蜂鳴器。巡檢人員需從巡更點(diǎn)1開(kāi)始按下按鈕,并依此點(diǎn)亮巡更點(diǎn)2、3、4,當(dāng)按下巡更4的按鈕后,蜂鳴器停止響鈴,進(jìn)入準(zhǔn)備出束狀態(tài)。在出束狀態(tài)下,按下任意巡更點(diǎn)急停按鈕,則停止出束。在停止出束后,西側(cè)的門磁會(huì)打開(kāi),滯留人員通過(guò)此門離開(kāi)測(cè)試倉(cāng)庫(kù)。
圖3 特定庫(kù)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)分布圖
劑量聯(lián)鎖包括3個(gè)檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)劑量?jī)x以及安裝在移動(dòng)式車輛檢查系統(tǒng)操作間內(nèi)的1個(gè)劑量?jī)x。其劑量?jī)x的作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)X、γ的環(huán)境劑量。如圖3所示,在檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)的3個(gè)劑量?jī)x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(cè)圖2中西側(cè)的兩個(gè)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(shí)時(shí)劑量,操作室內(nèi)的探測(cè)儀則是實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)測(cè)試人員附近的環(huán)境劑量。當(dāng)環(huán)境劑量超過(guò)閾值劑量?jī)x開(kāi)始報(bào)警,安裝在西側(cè)墻壁的劑量?jī)x的位置即為控制區(qū)的邊界位置,它的劑量當(dāng)量率應(yīng)在2.5 μSv/h以下;操作間內(nèi)的實(shí)驗(yàn)人員的環(huán)境劑量當(dāng)量率1.0 μSv/h以下[4]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,如果4個(gè)劑量?jī)x中的任何一個(gè)超過(guò)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(kāi)始實(shí)驗(yàn)。
門聯(lián)鎖包括東側(cè)倉(cāng)庫(kù)門以及西側(cè)實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)出通道的門。根據(jù)相關(guān)規(guī)定,檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)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(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)無(wú)關(guān)人員的進(jìn)出,若在實(shí)驗(yàn)時(shí)有控制區(qū)之外的人員進(jìn)入,則會(huì)進(jìn)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(cāng)庫(kù)門為平時(shí)運(yùn)輸貨物的通道,為高4 m的對(duì)扇鐵門,因此不會(huì)經(jīng)常開(kāi)啟,且在內(nèi)部將其鎖住,在鐵門兩側(cè)安裝一對(duì)紅外對(duì)射傳感器,用于檢測(cè)東門的開(kāi)閉狀態(tài),當(dāng)鐵門遮擋紅外對(duì)射,則會(huì)出現(xiàn)開(kāi)門反饋信號(hào),使其無(wú)法進(jìn)入出束狀態(tài);當(dāng)出束狀態(tài)時(shí)接收到反饋信號(hào),則立刻停止出束。
為應(yīng)對(duì)緊急情況的發(fā)生,西門配備1個(gè)急停按鈕,當(dāng)按下急停按鈕后,會(huì)停止出束狀態(tài),門吸失電而打開(kāi),相關(guān)人員通過(guò)西門離開(kāi)控制區(qū)。在西門外部配有2盞指示燈,分別為代表清場(chǎng)狀態(tài)的黃色指示燈以及代表正在出束的紅色指示燈。當(dāng)巡更之前上面2盞燈均不點(diǎn)亮,當(dāng)按下巡更按鈕1后,門磁加電,黃色指示燈亮起;當(dāng)開(kāi)始出束后,黃色指示燈熄滅,紅色指示燈亮起。
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(wú)論是巡更聯(lián)鎖、劑量聯(lián)鎖還是門聯(lián)鎖都要通過(guò)PLC發(fā)送開(kāi)關(guān)信號(hào)信號(hào),該套安全聯(lián)鎖裝置的PLC端口設(shè)計(jì)如圖4所示,總共采用了26個(gè)輸入端口以及18個(gè)輸出端口,輸入端口主要包括巡更信號(hào)的輸入,劑量信號(hào)的輸入,東西門及操作間關(guān)門信號(hào)的輸入,各位置急停按鈕信號(hào)的輸入;輸出端口主要包括實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)的作用是接收包括劑量?jī)x、門禁、巡更系統(tǒng)發(fā)送的反饋信號(hào),并經(jīng)過(guò)處理想相應(yīng)設(shè)備輸出動(dòng)作指令。
巡更聯(lián)鎖系統(tǒng)的控制核心器件是PLC,PLC選用的型號(hào)為三菱公司的FX3U-64MR,通過(guò)PLC控制4個(gè)巡更點(diǎn)。圖5所示為巡更點(diǎn)電路圖,指示燈及蜂鳴器供電線由直流電壓24 V供電,負(fù)極由蜂鳴器與指示燈公用,剩下兩條供電線分別對(duì)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(hào)線兩芯分別接急停的常開(kāi)與常閉信號(hào)。常開(kāi)端信號(hào)送入PLC輸入端,常閉信號(hào)與允許出束信號(hào)串聯(lián),巡更按鈕的信號(hào)線則接入常開(kāi)端,將信號(hào)送入PLC的輸入端。當(dāng)按下巡更按鈕XG,其向PLC發(fā)出信號(hào),再?gòu)腜LC通過(guò)XG_H及XG_FM分別向指示燈及蜂鳴器發(fā)出信號(hào),點(diǎn)亮該巡更點(diǎn)指示燈,因?yàn)榉澍Q器的作用是讓所有控制區(qū)的人員接收到清場(chǎng)的通知,因此當(dāng)所有巡更點(diǎn)的按鈕均按下后,4個(gè)巡更點(diǎn)的蜂鳴器才停止響鈴。每個(gè)巡更點(diǎn)急停按鈕的常閉模塊進(jìn)行串聯(lián)連接,常開(kāi)模塊則并聯(lián)接入PLC中,當(dāng)按下急停按鈕時(shí)通過(guò)XGJT_NO向PLC發(fā)送信號(hào),PLC發(fā)出停止出束指令,進(jìn)入清場(chǎng)狀態(tài),該巡更點(diǎn)之后的巡更點(diǎn)指示燈全部熄滅,必須進(jìn)行重新巡更后才能進(jìn)入出束狀態(tài)。巡更按鍵以并聯(lián)的方式通過(guò)XG接入PLC中。
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(kāi)關(guān)和中間繼電器等器件,該驅(qū)動(dòng)信號(hào)不依靠PLC的邏輯運(yùn)行,直接通過(guò)器件機(jī)械方式的開(kāi)斷,這樣的好處是通斷迅速,使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔可靠,其由直流12 V直接進(jìn)行供電,配電箱主要接收中間繼電器閉合后產(chǎn)生的信號(hào),其工作流程為K_JL為4個(gè)中間繼電器,當(dāng)劑量低于劑量閾值時(shí)信號(hào)會(huì)驅(qū)動(dòng)中間繼電器使K_JL進(jìn)行閉合,通過(guò)JL向PLC發(fā)送信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步出束,當(dāng)劑量超過(guò)閾值時(shí),會(huì)發(fā)生報(bào)警,其產(chǎn)生的信號(hào)會(huì)驅(qū)動(dòng)中間繼電器將其斷開(kāi),對(duì)中間繼電器的常閉觸點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)連接,然后再對(duì)包括巡更急停按鈕在內(nèi)的其他急停進(jìn)行串聯(lián),這樣保證任何一個(gè)常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí),即任意劑量?jī)x發(fā)生報(bào)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(shí)無(wú)論在未出束狀態(tài)還是出束狀態(tài),劑量?jī)x的通電狀態(tài)都會(huì)得到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)其信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集以確保劑量?jī)x處于監(jiān)測(cè)狀態(tài),劑量?jī)x會(huì)實(shí)時(shí)反饋此時(shí)的環(huán)境劑量。
圖4 PLC主體設(shè)計(jì)
圖5 巡更點(diǎn)電路圖
圖6 劑量?jī)x電路圖
門聯(lián)鎖主要分為兩個(gè)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(chǎng)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(kāi)關(guān)按鈕的信號(hào)線與按鈕的常開(kāi)模塊連接,接入PLC的輸入端,西門急停按鈕常開(kāi)信號(hào)輸入PLC,常閉信號(hào)與允許出束信號(hào)串聯(lián)。門磁電源由直流24 V電源提供,開(kāi)閉由PLC輸出端控制,門磁配合有門磁反饋,通過(guò)反饋檢測(cè)西側(cè)門開(kāi)閉狀態(tài)。當(dāng)按下第一個(gè)巡更按鈕后,PLC通過(guò)Y14端口向中間繼電器K5發(fā)出信號(hào),此時(shí)中間繼電器K5的常開(kāi)觸點(diǎn)變?yōu)殚]合狀態(tài),黃色清場(chǎng)指示燈點(diǎn)亮,此時(shí)關(guān)門反饋信號(hào)通過(guò)LCK_W_FB輸入PLC中的X20端口,再?gòu)腨20端口輸出,通過(guò)LCK_W為西側(cè)門吸供電提供信號(hào),該反饋信號(hào)與急停按鈕信號(hào)串聯(lián),反饋信號(hào)是一個(gè)常閉信號(hào),當(dāng)出束時(shí)西門被打開(kāi),常閉信號(hào)變?yōu)閿嚅_(kāi)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(yùn)輸通道,不經(jīng)常打開(kāi),是一扇高4 m的對(duì)扇鐵門,因此采用一對(duì)紅外對(duì)射傳感器檢測(cè)東門的開(kāi)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(cè)紅外對(duì)射是否正常工作;紅外對(duì)射的信號(hào)線作為開(kāi)關(guān)門的反饋信號(hào)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(hào)與允許出束信號(hào)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(kāi)關(guān)的常閉開(kāi)關(guān)串聯(lián)形成東西門門禁聯(lián)鎖,當(dāng)拍下東門急停按鈕,信號(hào)通過(guò)JT_E_NO傳入PLC中停止出束;紅外對(duì)射接收信號(hào)通過(guò)LCK_E_FB進(jìn)入PLC的X21輸入端,當(dāng)東側(cè)鐵門遮擋紅外信號(hào),常閉信號(hào)被斷開(kāi),PLC發(fā)射停止出束指令。
圖8 東側(cè)門禁電路圖
操作間是整個(gè)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(shí)由于操作人員需要長(zhǎng)時(shí)間在操作間進(jìn)行實(shí)驗(yàn),因此做好輻射防護(hù)措施是十分重要的。操作間的控制電路設(shè)計(jì)如圖9所示,操作間門安裝有一個(gè)微觸開(kāi)關(guān),其作為開(kāi)關(guān)信號(hào)一端接入常開(kāi)觸點(diǎn),另一端接入PLC的輸入端;操作間還配有“清場(chǎng)完畢”及“結(jié)束出束”按鈕,當(dāng)出束進(jìn)行時(shí),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(dāng)出束結(jié)束時(shí)按下“停止出束”按鈕,會(huì)通過(guò)STP傳入PLC的X24輸入端,PLC的輸出端會(huì)通過(guò)Y1或者Y2將設(shè)備接觸器進(jìn)行斷電(具體關(guān)斷哪一個(gè)接觸器由實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目決定),同時(shí)Y15輸出端的K6出束繼電器斷開(kāi)以及Y21的輸出端會(huì)是K7門吸繼電器斷開(kāi);為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)操作間劑量當(dāng)量,操作間還配有實(shí)時(shí)劑量檢測(cè)儀,其通過(guò)JL5接入PLC的輸入端X31,報(bào)警開(kāi)關(guān)信號(hào)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(hào)線,其一端接入電源箱門控信號(hào)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
以上電路設(shè)計(jì)完成后,由工作人員對(duì)總控制機(jī)柜、4個(gè)巡更箱、西門門吸、東門紅外線對(duì)射以及劑量?jī)x進(jìn)行制作及安裝,并對(duì)所有電路邏輯進(jìn)行通斷測(cè)試,對(duì)PLC的輸入及輸出逐個(gè)進(jìn)行調(diào)試確保PLC的指令能正常工作。施工完成后,對(duì)可能出現(xiàn)的如劑量超標(biāo)、實(shí)驗(yàn)中途東西門鎖被打開(kāi)、實(shí)驗(yàn)中途有滯留人員在試驗(yàn)區(qū)等情況進(jìn)行了模擬,并對(duì)所有位置的急停按鈕進(jìn)行測(cè)試,經(jīng)調(diào)試,安全聯(lián)鎖系統(tǒng)安全可靠,符合設(shè)計(jì)要求。目前系統(tǒng)已通過(guò)相關(guān)安檢部門驗(yàn)收,后續(xù)運(yùn)行無(wú)系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤及硬件掉電動(dòng)作的發(fā)生,有效地保障了實(shí)驗(yàn)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)實(shí)驗(yàn)人員的人身安全及其他工作人員的安全。
本文根據(jù)某檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及相關(guān)設(shè)施的特性,綜合在過(guò)去實(shí)驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的安全隱患,設(shè)計(jì)了全新的車輛檢查系統(tǒng)測(cè)試倉(cāng)庫(kù)的安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng),通過(guò)對(duì)各角落巡更系統(tǒng)、劑量檢測(cè)及門聯(lián)鎖的設(shè)計(jì),能夠切實(shí)杜絕輻射安全事故的發(fā)生,該安全聯(lián)鎖系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠,對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)[8],最大限度地保護(hù)了相關(guān)人員的安全,提高了實(shí)驗(yàn)倉(cāng)庫(kù)的安全性。