小型粒子加速器人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李俊剛，馬應(yīng)林,2，儲(chǔ)中明

(1.中國(guó)科學(xué)院 高能物理研究所 粒子加速物理與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049；2.東莞中子科學(xué)中心，廣東 東莞 523803)

自20世紀(jì)30年代以來(lái)，世界上運(yùn)行中的粒子加速器已超過(guò)3萬(wàn)臺(tái)，其中有200臺(tái)左右為用于科研的大型粒子加速器，其余的均為廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域的中小型粒子加速器。

從物理空間規(guī)模來(lái)講，小型粒子加速器聯(lián)鎖區(qū)域長(zhǎng)度在100 m以下、聯(lián)鎖通道門在2個(gè)左右，一般為電壓在100 kV～300 MV之間的電子加速器和能量在300 MeV以下的質(zhì)子或重離子加速器。

ADS注入器Ⅰ為一臺(tái)能量為10 MeV、設(shè)計(jì)流強(qiáng)為10 mA的強(qiáng)流質(zhì)子加速器，其加速器隧道總長(zhǎng)度約60 m，分別設(shè)有1個(gè)人員通道門和1個(gè)設(shè)備通道門。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所加速器電子標(biāo)定束線裝置為一臺(tái)基于電子直線加速器的粒子探測(cè)器標(biāo)定試驗(yàn)束裝置，可提供0.1～50 MeV能量范圍的電子標(biāo)定試驗(yàn)束流，其加速器隧道面積約為190 m2，設(shè)有1個(gè)人員通道門和1個(gè)設(shè)備吊裝口。因此兩者均屬于小型粒子加速器。本文在這兩個(gè)加速器人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)(PSIS)設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提供可推廣應(yīng)用于類似裝置的人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)解決方案。

1 粒子加速器人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)介紹

人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的目的是確保粒子加速器聯(lián)鎖區(qū)域內(nèi)有人員滯留時(shí)無(wú)瞬發(fā)輻射源項(xiàng)、存在瞬發(fā)輻射源項(xiàng)時(shí)無(wú)人員滯留，即將人員與瞬發(fā)輻射源項(xiàng)通過(guò)技術(shù)手段在物理空間上隔離開(kāi)，同時(shí)不因自身故障影響加速器的正常運(yùn)行[1-3]。

隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，粒子加速器人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)由最早以繼電器為主的分立元件進(jìn)行組合的聯(lián)鎖方式發(fā)展為引入了可編程邏輯控制器(PLC)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和門禁控制技術(shù)的分布式聯(lián)鎖控制系統(tǒng)[4]。

由于獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)合，系統(tǒng)必須具備高可靠性、高穩(wěn)定性和高可用性。結(jié)合已有的設(shè)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，需在硬件聯(lián)鎖控制為主、軟件管理為輔的基礎(chǔ)上，利用平臺(tái)化、模塊化和自主化的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單可靠、易于維護(hù)的粒子加速器人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。

對(duì)于小型粒子加速器，其運(yùn)行維護(hù)人員也相應(yīng)要少些，同時(shí)由于聯(lián)鎖通道只有2個(gè)左右，因此其人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)可在不需要門禁管理系統(tǒng)的情況下完全通過(guò)硬件聯(lián)鎖設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。可在節(jié)省經(jīng)費(fèi)的同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的綜合性能指標(biāo)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)與人身輻射安全相關(guān)，因此其在整個(gè)加速器聯(lián)鎖控制系統(tǒng)中應(yīng)具備最高的優(yōu)先級(jí)來(lái)切斷束流，結(jié)合系統(tǒng)自身性能要求、相關(guān)的國(guó)標(biāo)和行業(yè)規(guī)范可給出如下系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則[5-6]。

1) 失效安全：系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備出現(xiàn)故障或失效時(shí)能避免出現(xiàn)失控性后果，自動(dòng)導(dǎo)向預(yù)定的安全狀態(tài)。

2) 縱深防御：充分考慮并合理設(shè)置聯(lián)鎖設(shè)施，實(shí)現(xiàn)對(duì)人身輻射安全的多重冗余保護(hù)，且各重保護(hù)措施之間具有相互獨(dú)立性。

3) 最優(yōu)切斷：系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯在加速器控制系統(tǒng)中具有最高的優(yōu)先級(jí)切斷束流。

4) 硬件最可靠：系統(tǒng)關(guān)鍵聯(lián)鎖信號(hào)盡量由硬件設(shè)備給出，保證系統(tǒng)的高可靠性。

5) 以人為本：系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯簡(jiǎn)潔合理、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、人機(jī)交互性好。

根據(jù)GB 18871—2002中的規(guī)定，粒子加速器工作區(qū)域一般劃分為控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)[1]，人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)是對(duì)出入控制區(qū)人員的人身輻射安全進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)。系統(tǒng)主要通過(guò)置換型機(jī)械聯(lián)鎖鑰匙、門磁檢測(cè)開(kāi)關(guān)、急停/巡更裝置、緊急開(kāi)門按鈕、聲光警示裝置、磁力鎖、廣播對(duì)講系統(tǒng)、攝像監(jiān)控等硬件聯(lián)鎖設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)工作人員人身輻射安全的多重冗余保護(hù)，同時(shí)與加速器控制系統(tǒng)和通風(fēng)控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖信號(hào)交互。

對(duì)于小型粒子加速器，一般設(shè)置3組急停/巡更裝置和3組LED顯示屏/狀態(tài)指示燈即可滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，通過(guò)一套置換型機(jī)械聯(lián)鎖鑰匙將加速器開(kāi)機(jī)聯(lián)鎖與控制區(qū)通道門聯(lián)鎖有機(jī)結(jié)合起來(lái)。此外人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)還可根據(jù)需求將隧道通風(fēng)和輻射劑量監(jiān)測(cè)納入聯(lián)鎖管理。系統(tǒng)設(shè)備的聯(lián)鎖與控制由PLC完成，所有聯(lián)鎖信號(hào)均為無(wú)源開(kāi)關(guān)量。系統(tǒng)聯(lián)鎖信號(hào)示意圖如圖1所示。

圖1 人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)聯(lián)鎖信號(hào)示意圖Fig.1 Interlock signal schematic diagram of PSIS

人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)運(yùn)行流程如下。

1) 檢修結(jié)束后運(yùn)行人員巡更清場(chǎng)并逐級(jí)返還聯(lián)鎖鑰匙，系統(tǒng)就緒并向中控發(fā)出“就緒”信號(hào)。

2) 系統(tǒng)收到中控發(fā)來(lái)的“準(zhǔn)備”信號(hào)后，開(kāi)始進(jìn)行5 min的計(jì)時(shí)，在此期間急停/巡更裝置上的聲光警示設(shè)備工作，同時(shí)運(yùn)行人員也可通過(guò)廣播提醒控制區(qū)內(nèi)滯留人員迅速離開(kāi)。

3) 準(zhǔn)備過(guò)程計(jì)時(shí)結(jié)束后，系統(tǒng)向中控發(fā)出“準(zhǔn)備好”信號(hào)，此時(shí)中控可進(jìn)行開(kāi)機(jī)運(yùn)行及停機(jī)操作。

4) 在加速器“準(zhǔn)備”、“運(yùn)行”、“停機(jī)”過(guò)程中如有緊急停機(jī)信號(hào)則自動(dòng)轉(zhuǎn)為“緊急停機(jī)”狀態(tài)。

5) 檢修前工作人員需用開(kāi)機(jī)聯(lián)鎖鑰匙置換出初始聯(lián)鎖鑰匙，然后再用初始聯(lián)鎖鑰匙置換出次級(jí)聯(lián)鎖鑰匙并攜帶其進(jìn)入控制區(qū)。

系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖2所示。

系統(tǒng)聯(lián)鎖流程靠PLC來(lái)執(zhí)行和實(shí)現(xiàn)，因此需設(shè)置相應(yīng)的聯(lián)鎖邏輯，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可執(zhí)行的聯(lián)動(dòng)保護(hù)動(dòng)作[7]。系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

ADS注入器Ⅰ和中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所加速器電子標(biāo)定束線裝置人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)均采用了橫河F3SP71-4N系列PLC，其在日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)(KEK)和上海光源(SSRF)等粒子加速器上已得到了很好的應(yīng)用，可靠性很高。系統(tǒng)上位機(jī)界面采用力控(Force Control)組態(tài)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

圖2 人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)運(yùn)行流程圖Fig.2 Running process flow chart of PSIS

圖3 人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯圖Fig.3 Interlock logic diagram of PSIS

為更好地保障工作人員的人身安全，系統(tǒng)設(shè)置了廣播對(duì)講設(shè)備，以便于檢修人員與中控室運(yùn)行人員隨時(shí)進(jìn)行溝通，同時(shí)還設(shè)置了歷史數(shù)據(jù)能保存1個(gè)月的高清攝像監(jiān)控系統(tǒng)。此外，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和可用性，還自行研制了模塊化的急停/巡更裝置并將其成功應(yīng)用于中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所加速器電子標(biāo)定束線裝置現(xiàn)場(chǎng)。系統(tǒng)急停/巡更聯(lián)鎖單元如圖4所示。

ADS注入器Ⅰ與中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所加速器電子標(biāo)定束線裝置的人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)正式投入運(yùn)行后均運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，有效保障了工作人員的人身輻射安全。

圖4 人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)急停/巡更聯(lián)鎖單元Fig.4 Emergency shut down & patrol interlock unit of PSIS

4 應(yīng)用前景

小型粒子加速器人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)由于采用全硬件設(shè)計(jì)和力求簡(jiǎn)潔保證了其高可靠性，同時(shí)還可不用專人維護(hù)，可用性極高。此外由于采用了自主研制的模塊化聯(lián)鎖設(shè)備，因此其

不僅可應(yīng)用于小型粒子加速器，還可推廣應(yīng)用于工業(yè)輻照裝置，為其提供標(biāo)準(zhǔn)化的可靠人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。