車輛檢測系統測試倉庫的安全聯鎖控制設計

閆 平，趙 瀟，張國光

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

某檢測倉庫用于進行移動式車輛檢查系統的測試。因為是移動式系統，因此采用電子感應加速器作為發射源，其在檢測的過程中會發射2～7.5 MeV的高能射線。由于電子加速器在工作時會產生一定的射線輻射，為避免在實驗過程中有其他無關人員誤入而對其人身安全造成傷害，因此依照我國輻射安全的相關條例與規范[1]，需要設計一套穩定可靠的安全聯鎖自檢系統。

PLC能快速響應各指標反饋，且抗干擾能力強，具有安全穩定等特點，因此整個系統圍繞PLC為核心進行設計開發。該項目在設計中采用PLC作為主控制器，實現門機聯鎖、劑量檢測設備聯鎖，還包括聲光報警系統以及緊急逃逸系統[2]。

如圖1所示，該檢測倉庫的東側是自帶屏蔽的墻壁。西側的墻壁是辦公室與測試倉庫共同使用。在此設計中，除了移動式車輛檢測的操作間之外，測試倉庫的其他所有區域視為整體控制區，在控制區的東西側分別有一個出入口。東出入口為運輸設備出口，西出入口為日常辦公實驗人員出入通道。移動式車輛停泊位置如圖所示。測試場地在實驗過程中，可能會發生以下安全隱患：實驗場地東西兩側的門沒有關閉前即開始實驗，可能造成外部人員誤入而受到輻射；在出束前測試倉庫中未清理實驗無關人員，在出束時會對其造成輻射傷害；由于出束方向是由西向東發射，若西側屏蔽防護出現問題造成射線泄漏，會對實驗人員的人身安全造成威脅等其他安全隱患。總之，該安全聯鎖裝置的目的為杜絕所有會對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 特定庫檢測大廳平面圖

圖2 聯鎖系統流程圖

1 聯鎖系統控制電路構成

聯鎖系統主要包括3個部分：巡更聯鎖系統、劑量聯鎖系統以及門聯鎖系統。如圖2所示，流程主要分為3個階段：（1）自然狀態，此時所有巡更點的指示燈熄滅，門吸斷電處于開放狀態，警示燈全部處于熄滅狀態，所有允許出束的開關均處于關閉狀態；（2）清場狀態，當按下巡更點1時進入此狀態，在此狀態時，準備出束的燈亮起，所用巡更點的蜂鳴器響起，門吸上電，可通過門禁開關從西側門進出，待巡檢人員依次點亮巡更點，當全部點亮后，等待準備出束；（3）出束狀態，此時正在出束的紅色指示燈亮起，門吸上電，外界及控制區內的操作人員無法通過門禁開關將門打開，允許出束的開關均處于開啟狀態，待試驗結束，停止出束，結束出束狀態。

如圖3所示，根據測試倉庫的空間位置，對其設計了4個巡更點，保證巡視時沒有死角，每個巡更點配置1個巡更顯示燈，1個巡更按鈕，1個急停按鈕及1個蜂鳴器。巡檢人員需從巡更點1開始按下按鈕，并依此點亮巡更點2、3、4，當按下巡更4的按鈕后，蜂鳴器停止響鈴，進入準備出束狀態。在出束狀態下，按下任意巡更點急停按鈕，則停止出束。在停止出束后，西側的門磁會打開，滯留人員通過此門離開測試倉庫。

圖3 特定庫安全聯鎖系統分布圖

劑量聯鎖包括3個檢測倉庫劑量儀以及安裝在移動式車輛檢查系統操作間內的1個劑量儀。其劑量儀的作用是實時監測X、γ的環境劑量。如圖3所示，在檢測倉庫的3個劑量儀分別安裝在西側墻壁及西北角墻壁上，其作用分別為檢測圖2中西側的兩個辦公室附近的輻射劑量以及西側電磁門口附近的環境實時劑量，操作室內的探測儀則是實時監控實驗測試人員附近的環境劑量。當環境劑量超過閾值劑量儀開始報警，安裝在西側墻壁的劑量儀的位置即為控制區的邊界位置，它的劑量當量率應在2.5 μSv/h以下；操作間內的實驗人員的環境劑量當量率1.0 μSv/h以下[4]。實驗過程中，如果4個劑量儀中的任何一個超過預定閾值，則出束狀態立刻停止，需要排查泄漏處才能重新開始實驗。

門聯鎖包括東側倉庫門以及西側實驗人員進出通道的門。根據相關規定，檢測倉庫的控制區需要門鎖及安全聯鎖裝置[5]，其目的為控制實驗測試時無關人員的進出，若在實驗時有控制區之外的人員進入，則會進入停止出束狀態，以保證人員的相關安全，避免發生輻射事故[6]。東側的倉庫門為平時運輸貨物的通道，為高4 m的對扇鐵門，因此不會經常開啟，且在內部將其鎖住，在鐵門兩側安裝一對紅外對射傳感器，用于檢測東門的開閉狀態，當鐵門遮擋紅外對射，則會出現開門反饋信號，使其無法進入出束狀態；當出束狀態時接收到反饋信號，則立刻停止出束。

為應對緊急情況的發生，西門配備1個急停按鈕，當按下急停按鈕后，會停止出束狀態，門吸失電而打開，相關人員通過西門離開控制區。在西門外部配有2盞指示燈，分別為代表清場狀態的黃色指示燈以及代表正在出束的紅色指示燈。當巡更之前上面2盞燈均不點亮，當按下巡更按鈕1后，門磁加電，黃色指示燈亮起；當開始出束后，黃色指示燈熄滅，紅色指示燈亮起。

2 安全聯鎖系統控制電路設計

2.1 PLC

PLC作為控制電路中的“大腦”[7]，在控制系統中起著十分重要的作用，無論是巡更聯鎖、劑量聯鎖還是門聯鎖都要通過PLC發送開關信號信號，該套安全聯鎖裝置的PLC端口設計如圖4所示，總共采用了26個輸入端口以及18個輸出端口，輸入端口主要包括巡更信號的輸入，劑量信號的輸入，東西門及操作間關門信號的輸入，各位置急停按鈕信號的輸入；輸出端口主要包括實驗設備繼電器的通斷，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主要實現的作用是接收包括劑量儀、門禁、巡更系統發送的反饋信號，并經過處理想相應設備輸出動作指令。

2.2 巡更聯鎖系統

巡更聯鎖系統的控制核心器件是PLC，PLC選用的型號為三菱公司的FX3U-64MR，通過PLC控制4個巡更點。圖5所示為巡更點電路圖，指示燈及蜂鳴器供電線由直流電壓24 V供電，負極由蜂鳴器與指示燈公用，剩下兩條供電線分別對應二者正極的直流24 V，由控制箱提供電壓。急停按鈕的信號線兩芯分別接急停的常開與常閉信號。常開端信號送入PLC輸入端，常閉信號與允許出束信號串聯，巡更按鈕的信號線則接入常開端，將信號送入PLC的輸入端。當按下巡更按鈕XG，其向PLC發出信號，再從PLC通過XG_H及XG_FM分別向指示燈及蜂鳴器發出信號，點亮該巡更點指示燈，因為蜂鳴器的作用是讓所有控制區的人員接收到清場的通知，因此當所有巡更點的按鈕均按下后，4個巡更點的蜂鳴器才停止響鈴。每個巡更點急停按鈕的常閉模塊進行串聯連接，常開模塊則并聯接入PLC中，當按下急停按鈕時通過XGJT_NO向PLC發送信號，PLC發出停止出束指令，進入清場狀態，該巡更點之后的巡更點指示燈全部熄滅，必須進行重新巡更后才能進入出束狀態。巡更按鍵以并聯的方式通過XG接入PLC中。

2.3 劑量聯鎖系統

劑量聯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成，控制箱主要放置“硬”開關和中間繼電器等器件，該驅動信號不依靠PLC的邏輯運行，直接通過器件機械方式的開斷，這樣的好處是通斷迅速，使系統更加簡潔可靠，其由直流12 V直接進行供電，配電箱主要接收中間繼電器閉合后產生的信號，其工作流程為K_JL為4個中間繼電器，當劑量低于劑量閾值時信號會驅動中間繼電器使K_JL進行閉合，通過JL向PLC發送信號進行進一步出束，當劑量超過閾值時，會發生報警，其產生的信號會驅動中間繼電器將其斷開，對中間繼電器的常閉觸點進行串聯連接，然后再對包括巡更急停按鈕在內的其他急停進行串聯，這樣保證任何一個常閉觸點斷開時，即任意劑量儀發生報警的情況下，均能停止出束狀態，保證操作人員的人身安全。同時無論在未出束狀態還是出束狀態，劑量儀的通電狀態都會得到實時監測，對其信號進行實時采集以確保劑量儀處于監測狀態，劑量儀會實時反饋此時的環境劑量。

圖4 PLC主體設計

圖5 巡更點電路圖

圖6 劑量儀電路圖

2.4 門聯鎖系統

門聯鎖主要分為兩個部分，第一部分是西側門的聯鎖，其西門及周邊器件的電路圖如圖7所示，西側安裝有清場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；門禁開關按鈕的信號線與按鈕的常開模塊連接，接入PLC的輸入端，西門急停按鈕常開信號輸入PLC，常閉信號與允許出束信號串聯。門磁電源由直流24 V電源提供，開閉由PLC輸出端控制，門磁配合有門磁反饋，通過反饋檢測西側門開閉狀態。當按下第一個巡更按鈕后，PLC通過Y14端口向中間繼電器K5發出信號，此時中間繼電器K5的常開觸點變為閉合狀態，黃色清場指示燈點亮，此時關門反饋信號通過LCK_W_FB輸入PLC中的X20端口，再從Y20端口輸出，通過LCK_W為西側門吸供電提供信號，該反饋信號與急停按鈕信號串聯，反饋信號是一個常閉信號，當出束時西門被打開，常閉信號變為斷開狀態，出束狀態被終止。

圖7 西側門禁電路圖

第二部分是東側門的聯鎖，因東側門是貨物運輸通道，不經常打開，是一扇高4 m的對扇鐵門，因此采用一對紅外對射傳感器檢測東門的開閉狀態。該紅外感應器由直流電源24 V直接提供，并引入PLC的輸入端以檢測紅外對射是否正常工作；紅外對射的信號線作為開關門的反饋信號經變換接入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，常閉信號與允許出束信號串聯。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關的常閉開關串聯形成東西門門禁聯鎖，當拍下東門急停按鈕，信號通過JT_E_NO傳入PLC中停止出束；紅外對射接收信號通過LCK_E_FB進入PLC的X21輸入端，當東側鐵門遮擋紅外信號，常閉信號被斷開，PLC發射停止出束指令。

圖8 東側門禁電路圖

2.5 操作間控

操作間是整個控制區最重要的部分，其控制著加速器的出束與停止，同時由于操作人員需要長時間在操作間進行實驗，因此做好輻射防護措施是十分重要的。操作間的控制電路設計如圖9所示，操作間門安裝有一個微觸開關，其作為開關信號一端接入常開觸點，另一端接入PLC的輸入端；操作間還配有“清場完畢”及“結束出束”按鈕，當出束進行時，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，當出束結束時按下“停止出束”按鈕，會通過STP傳入PLC的X24輸入端，PLC的輸出端會通過Y1或者Y2將設備接觸器進行斷電（具體關斷哪一個接觸器由實驗項目決定），同時Y15輸出端的K6出束繼電器斷開以及Y21的輸出端會是K7門吸繼電器斷開；為實時監測操作間劑量當量，操作間還配有實時劑量檢測儀，其通過JL5接入PLC的輸入端X31，報警開關信號接入輸出端；操作間還配有電子感應加速器允許出束信號線，其一端接入電源箱門控信號端，另一端接總控制箱內“允許出束”的中間繼電器。

圖9 操作間電路圖

2.6 聯鎖系統調試與運行

以上電路設計完成后，由工作人員對總控制機柜、4個巡更箱、西門門吸、東門紅外線對射以及劑量儀進行制作及安裝，并對所有電路邏輯進行通斷測試，對PLC的輸入及輸出逐個進行調試確保PLC的指令能正常工作。施工完成后，對可能出現的如劑量超標、實驗中途東西門鎖被打開、實驗中途有滯留人員在試驗區等情況進行了模擬，并對所有位置的急停按鈕進行測試，經調試，安全聯鎖系統安全可靠，符合設計要求。目前系統已通過相關安檢部門驗收，后續運行無系統運行錯誤及硬件掉電動作的發生，有效地保障了實驗倉庫內實驗人員的人身安全及其他工作人員的安全。

3 結束語

本文根據某檢測倉庫的結構特點及相關設施的特性，綜合在過去實驗中所發現的安全隱患，設計了全新的車輛檢查系統測試倉庫的安全聯鎖控制系統，通過對各角落巡更系統、劑量檢測及門聯鎖的設計，能夠切實杜絕輻射安全事故的發生，該安全聯鎖系統簡單可靠，對關鍵設備進行冗余設計[8]，最大限度地保護了相關人員的安全，提高了實驗倉庫的安全性。