核試樣氣動送樣系統控制單元設計

陸學峰，李衛民，劉振東，魏艷

（1.銀川東方氣力運輸設備有限公司，寧夏 銀川 750002；2.中國原子能科學研究院，北京 102413）

氣動送樣系統是以壓縮空氣為動力，特定直徑管線為通道，通過自動閥門組成的氣路進行傳輸方向控制，把樣品從某一起點快速輸送到指定點的管道密封輸送裝置。在國內主要應用在鐵路、冶金、礦山等部門，完成鐵路貨票、鋼廠鋼樣的快速傳遞，極大的提高了樣品傳送效率，降低運行成本。在核系統中，法國已將氣動送樣系統廣泛地應用在后處理廠及放化實驗室等核設施中，進行放射性樣品的傳遞。我國的中試廠也采用了氣動送樣系統。但該項技術未見公開推廣。

1 核試樣氣動送樣系統

1.1 工作原理

核試樣氣動送樣系統屬于正壓發送氣動送樣系統中的一類，是以潔凈壓縮空氣為動力，把裝有試樣的樣盒沿輸送管線高速吹向目的端的機電一體的自動化系統。整個發送過程由PLC 進行自動化控制，并可通過“道岔”實現一對多的發送試樣。

1.2 結構組成

本系統主要包括收發裝置、控制單元、氣控柜、泄壓裝置、管路光電傳感裝置、方向轉換裝置（道岔）、輸送管線及連接輔件、樣盒、語音對講系統等，詳見圖1。

圖1 氣動送樣原理示意圖

1.3 系統特點及要求

核試樣氣動送樣系統在鋼廠、鐵路等民用氣動送樣系統基礎上，針對放射性樣品傳送要求，設計開發了適用于核系統的樣盒、收發裝置、方向轉換裝置（道岔）、管路及光電檢測裝置等設備，設計過程中重點考慮了系統運行的安全性、可靠性、可操作性和少維護性，提高了整體控制精準度，增加了減速緩沖功能模塊和語音對講功能模塊，避免了樣品傳輸過程中的破損，同時保障了運行過程中信息的及時傳輸和溝通。核試樣氣動送樣系統具有以下特點：

（1）采用一對多的發送結構簡化了管網結構，節約了箱室空間并降低裝置成本。

（2）裝置中的線路光電檢測裝置可檢測核試樣的行蹤，減速緩沖功能提高了傳輸樣品的安全性。

（3）核試樣氣動送樣系統設計過程中安全性、可靠性、少維護性的理念貫穿始終，同時考慮了故障工況下的處理措施。

（4）友好的人機界面及語音對講系統可大大提供了運行過程中的信息傳輸，滿足了運行人員信息溝通需求，降低了人員的操作強度，該功能在放射性工作中顯得尤為重要。

2 核環境下控制單元設計要求

控制單元是整個氣動送樣系統的指揮控制中心，相當于人的大腦、神經中樞，對整個氣動送樣系統進行指揮控制，實現系統中各個環節設備的有序運轉，滿足運行要求，其重要性不言而喻。由于核系統的氣動送樣系統的收發裝置都安裝在密封箱室中，運行過程中通過工作人員戴手套操作或操作機械手完成，增加了系統運行的復雜性和操作難度，給控制系統提出了更高的要求。核試樣氣動送樣系統控制系統應具備可靠性高、操作簡便、耐腐蝕、方便快速維修等性能，設計時應考慮以下幾點：

（1）機械驅動系統部件必須滿足其耐輻照性能和硝酸環境下的耐腐蝕性能，確保運行的可靠性和較長的使用壽命，也可通過改變設計及布局來延長其使用壽期或方便操作和維修。

（2）必須提供冗余設計，在系統出現故障時，有被選的應急處置方案，有信號反饋。

（3）設置必要的安全連鎖機構和鎖止程序，避免人員和系統運行發生危險，確保安全。

（4）熱室設備的設計考慮其長期使用的穩定性和可靠性，盡可能與設施壽期同步，如無法滿足，要考慮模塊化、標準化、易更換維修設計。

（5）放射性場所使用的部件、材料應考慮耐輻射損傷，也可對易受輻射損傷的材料局部屏蔽，或將其適當布置及安裝，以實現快速更換。

（6）人機界面視圖應實時顯示核試樣傳輸狀態及堵塞位置、傳輸部件狀態、分流器狀態。

3 控制單元設計

控制單元主要包括光電檢測模塊、方向轉換裝置（道岔）驅動模塊、語音通訊模塊、電氣驅動模塊、人機界面模塊組成。

3.1 光電檢測模塊設計

光電傳感器通常具有發射器和接收器單元。光電傳感器很容易受到輻射損傷，放置在熱室外，安裝于管道沿線，用于檢測傳輸樣盒是否通過管線的這個位置，從而啟停控制氣路。

光電傳感器安裝于輸送管道靠近收發器端的轉彎處。樣盒通過光電傳感器安裝點時，會瞬間遮斷由光電傳感器發出的紅外光線，從而使傳感器產生通斷感應而發出信號，控制系統依此信號控制氣路電磁閥的開關及換向器的轉動。

3.2 方向轉換裝置（道岔）驅動模塊設計

根據所需的控制精度、轉速、扭矩、功率、機座尺寸、電壓要求、現場要求、負載因子和工作循環等因素，對電機進行選型。同時考慮現場輻射氣氛、濕度、腐蝕性煙霧等因素的影響，選擇可靠性高、定位精準的伺服電機和驅動控制器。

伺服電機包括交流伺服電機(無刷)、直流有刷伺服電機和直流無刷伺服電機。其中永磁交流異步伺服電機其慣量小、體積小、散熱性能好、工作可靠、維護和保養要求低等特點較符合在特殊環境中的應用。閉環伺服控制系統通過與伺服電機同軸連接的編碼器作為反饋裝置向數字控制器提供信息，數字控制器據此生成驅動電機的指令信號。在熱室環境下首選使用該類伺服電機將其作為位置和速度反饋方法。

3.3 語音通訊模塊設計

語音對講系統極大的方便了操作者在傳送樣品前后與對方進行有效溝通，以確保設備和樣品的安全。

該語音系統由于應用領域的特殊性，要求此語音對講系統操作簡便、語音效果較佳，具備網絡化、可視化、一鍵呼叫、排隊應答、免接聽、一對一通話和一對多通話、廣播、自動排障、組網簡單、主副機設置便捷等諸多功能。

3.4 電氣驅動模塊設計

電氣驅動模塊由電氣組態和PLC 的控制程序組成。

3.4.1 電氣組態

控制單元設置了1 臺總站控制柜和10 臺道岔控制柜，各站點的控制元件和檢測元件按所屬道岔劃分，分別受該道岔控制柜的控制。

基于控制單元應用環境的特殊性和系統中各站點之間相關聯的復雜性，采用進口的西門子S7-400 系列高端PLC 控制器作為整個系統的核心控制部分，置于總站控制柜內，而10 臺方向轉換裝置所用到的傳動系統均采用西門子S120 系列伺服系統，分別置于10 臺道岔控制柜內，同時采用10 套西門子ET200 系列遠程I/O 模塊對分散于各個樓層的檢測信號進行采集和對動作元件的控制。

3個主站點采用觸摸屏控制進行控制操作，其界面、功能更加豐富。在42個分站采用操作箱進行終端控制。分站操作箱具有設備狀態顯示和發送功能，指示明了，操作簡單。

由于采用多級道岔串聯一對多的發射狀架構、輸送管徑小、管路切換精度高、站點數量多且樣盒輕巧難檢測等特點。因此，控制單元設計的關鍵在于整個網絡架構的布局和方向轉換裝置精確定位。

PLC 與10 套伺服控制器以及上位工控機之間均通過profibus 總線進行組網。PLC 作為通訊主站，其DP 口下掛6個DP 信號放大和隔離模塊，然后再連接至各從站設備（10個ET200 遠程I/O 從站+10個S120 伺服從站），這樣確保網絡通訊的穩定性。

3.4.2 PLC 的控制程序

系統中10個道岔控制柜及受其控制的站點的分布都具有較大的相似性，因此PLC 的程序設計應采用模塊化的程序結構，這樣更有利于程序的穩定性和可移植性。

該系統不但I/O 點數較多而且程序內部所用的中間寄存器點位（M）和定時器（T）數量也較多，必須通過合理的區域劃分，才能確保在編程中各點位不被搞混弄錯，程序思路更清晰、可讀性更強。

伺服電機的控制需要配置好伺服電機和伺服驅動器的各種參數，比如控制模式、傳動比例、啟停坡度、運行方式、曲線參數、運動位置、報文結構等內容。

實際運行過程中由PLC 通過報文指令向伺服控制器發送動作信號，控制器則按照配置好的運動參數來控制電機的啟停、速度、方向和定位位置使電機運動起來并最終精確定位到目標點位，使其運用于現場道岔在各工位之間的切換運動。采用高精度絕對值編碼器可實施反饋電機所處的位置和速度，形成一個閉環控制，以實現道岔的精準定位。

為達到對方向轉換裝置的可靠控制和對伺服系統詳細狀態顯示的目的，PLC 與各S120 伺服從站之間通過“999 自由報文”格式進行通訊，實現伺服系統與PLC 之間的命令控制和狀態反饋，報文內容根據具體需要進行自定義，較為靈活實用。如表1 所示。

表1 部分999 報文狀態字和控制字詳解

3.5 人機界面設計

控制單元的體系結構實際上是一個小型的集散系統，人機界面借助某種監控軟件平臺進行實際工程的組態編程，最終形成工程程序，運行與監控軟件平臺之上。

上位機監控軟件運行點數規模為1024 點，自帶各種自動化通訊協議，通過該監控軟件組態好相應的通訊設備和鏈接變量，設計出所需的人機交互畫面和內部數據處理程序。最終完成的工程文件依托監控軟件平臺運行在工控機上，與PLC 之間以PROFIBUS-DF 協議進行通訊，從而對PLC 中所需的各種狀態數據進行讀寫操作，由此實現與現場各站點的按鈕、電磁閥、伺服驅動器、觸摸屏等設備的連系。提供了豐富的數據采集、數據處理，控制功能和友好的人機界面滿足了實際的需要。

觸摸屏與PLC 之間以PROFIBUS-DF 協議進行通訊，觸摸屏上的人機界面與工控機上的人機界面具有某些相同的功能，只是因為應用區域和操作級別的不同而在功能上具有不同的側重點。

在工控機的主控窗口中可以看到整套氣動送樣系統中各個發送站點及道岔裝置間的相互連接關系，以及各站點的發送記錄和故障記錄。發送記錄部分可顯示設備發送、到達、故障等信息。故障記錄部分可幫助用戶快速的了解設備故障狀況以便進行及時對故障處理和恢復。

3.6 維修模式決策程序

盡管通過各種措施盡可能的提高了設備的可靠性和安全性，但也仍然需要在設計階段考慮熱室設備的維修方法。通常對熱室部件的故障實施就地維修較為困難。優選方法是拆掉故障部件并直接更換成新部件，其次是嘗試修理故障部件。不能使用熱室內機械手完成修理或更換的部件通常被轉移到維修區，由穿防護服的工作人員進行手動修理。在維修區等待修理的設備應先行去污到適于接觸維修的水平。

4 結語

在充分考慮核系統中核試樣特點和傳輸要求的基礎上，借鑒了鋼廠氣動送樣系統的設計，成功地設計開發了適用于核系統的氣動送樣系統控制單元，設計滿足了放射性復雜環境下運行操作的各種要求。

目前，氣動送樣系統已在放化實驗設施中得到應用。經現場安裝調試及后續運行結果表明，氣動送樣系統控制單元滿足核系統中核試樣傳輸要求，有效解決了核試樣跨區域安全快速傳遞的難題，部分設備填補了國內空白，得到用戶認可和高度肯定。