一種小型取樣分析控制系統的設計與實現

李樂斌 張賓永 武 超 劉 艷 任 英

（中國原子能科學研究院）

核設施退役是一項復雜的綜合性科技工程，涉及核化工、 機械及輻射防護等多個技術領域。國際上實施核設施退役是從20 世紀80 年代開始的， 我國則是在2008 年以后全面啟動核設施退役工作，與歐美等國家相比，起步晚、技術薄弱且經驗不足［1］。 核設施退役是我國核工業短板之一，也是一個新發展的產業。 核工業經歷了近六十年的發展， 某些核設施即將進入退役階段，產生了大量帶放射性污染的系統和設備［2］。 根據分析設備受何種污染及其污染程度，相應的去污工藝方法、條件和檢驗標準都有特殊要求［3］。帶污核系統和設備在拆卸前一般都要進行抽空吹掃過程，吹掃數次后由防護人員取樣分析，合格后再進行下一步處理。

對涉氫（及同位素）的帶污核設備進行吹掃的過程中，需要定時進行取樣分析，根據分析結果選擇不同的操作步驟，此過程中對樣本的定量分析尤為重要。 根據樣品濃度的不同，取樣方法與分析手段也不相同。 對于高濃度樣品氣可以用質譜儀做定量分析， 但經過多次抽空吹掃后，氣體樣本濃度已經達到質譜儀測量的下限，質譜儀不能得出準確的測量結果。 一般低濃度樣品氣可用監測儀測量進行定性分析。 為了在樣本低濃度時得出確切結果，筆者提出將氣體樣本轉換為液體樣本，再用液閃譜儀進行定量分析的方法。 針對實際情況， 在實驗室建立了一套連續取樣裝置， 并根據工藝流程設計了取樣分析控制系統，模擬在低濃度下， 將氣體樣本轉換為液體樣本，再進行定量分析的過程。

1 工藝流程簡介

低濃度涉氫（及同位素）的帶污核設施退役時，必須經過抽洗過程。 清洗后根據分析樣本測量結果進行不同的處理流程。 沖洗步驟開始時，氣體取樣用質譜儀做樣本分析，抽空沖洗到樣本測量值達到質譜測量下限時，將樣本由氣態轉換為液態，采用液閃譜儀做定量分析。

根據實際需求，筆者在實驗室建立的模擬取樣分析裝置如圖1 所示，該裝置主要利用高溫氫氧復合將氣體樣本轉換為液體樣本，再用液閃譜儀對樣本進行定量分析。 氣體質量流量計設定氣樣的進料流量，在催化劑和填料作用下進行高溫氫氧復合。 由于反應氣量很少，因此需要用溫控儀控制合成室溫度，氣體循環泵驅動混合氣體在管道中不停循環流動，使樣本氣充分反應。 在管道上設有壓力信號和溫度信號測量儀表，用于監測反應過程。

圖1 實驗室模擬取樣分析裝置

高溫氫氧合成反應是最簡單的爆炸反應，從安全角度和測量準確性方面考慮，可加入惰性氣體作為載氣抑制反應效率、降低爆炸風險［4］。樣品氣、氧氣和載氣從不同位置進入裝置，在緩沖罐混合，由氣體循環泵驅動混合氣體進入合成室反應合成液體樣品。 整個反應過程由PLC 1200 控制。

2 取樣分析控制系統

2.1 硬件組成

根據工藝流程，工藝參數包括溫度、壓力及流量等。 選擇PLC 1200 為主控制器并輔以IO 模塊、安全柵、繼電器、串口服務器及交換機等，完成信號的測量與控制功能。 取樣分析控制系統結構如圖2 所示。

由于流量信號對實驗數據影響較大， 本系統沒有采用模擬量信號而使用通信方式進行數據交互。從圖2 可知，氫氣流量計通過串口RS232 接口通信， 氧氣和氦氣流量計與溫控儀通過串口RS485 接口通信。 這些通信儀表接入到串口服務器中，串口服務器包括16 個獨立通道，可以單獨設置每個通道信號的接口方式，彼此光電隔離。串口服務器經過設置后由以太網口輸出到交換機。

考慮到防爆要求，PLC 1200 控制器通過安全柵采集常規的壓力與溫度信號，DO 輸出信號經過繼電器隔離。 串口服務器、工控機和PLC 1200控制器通過交換機以星型結構連接，實現數據互訪。PLC 1200 控制器輸出的參數報警信號通過繼電器連接至報警裝置，以提示運行人員。 控溫用的Pt100 溫度信號直接接入溫控儀。 溫控儀將設定溫度與反饋值進行比較，通過內置的PID 模塊控制輸出脈沖寬度調制信號到連接加熱器的固態繼電器， 通過控制加熱器周期內的通斷間隔，實現溫度控制。 本實驗裝置中，將溫控儀與加熱所需的電氣元件進行模塊化處理， 集成為一體。在前面板設有儀表面板、 啟停按鈕和狀態指示燈。 其他溫度與壓力信號經過安全柵隔離后接入PLC 1200 控制器直接采集。 為了實現快速測量，反應合成的液體經過循環冷卻水系統進行冷卻達到常溫，可隨時進行取樣分析。 取樣分析控制系統以PLC 1200 控制器為核心， 通過質量流量計、溫控儀、壓力表、氣體循環泵及冷卻水等設備，實現了氣體樣到液體樣的轉換，滿足了定量分析的要求。

2.2 軟件編程

系統的軟件程序包括上位機編程和下位機編程兩部分。

2.2.1 上位機

上位機程序即人機界面，運行人員可通過人機界面觀察運行狀態，設置運行參數［5］。

上位機監控界面如圖3 所示，在此界面可以設置質量流量計的流量，讀取瞬時值、累計值及控制方式等信息。 根據運行要求，上位機監控界面上還設置有超壓聯鎖、氣樣累計定量自動/手動運行模式等。

圖3 上位機監控界面

上位機軟件編程中最重要的是儀表通信部分。 本控制系統中，所用儀表的通信方式種類較多（包括串口RS232、RS484、OPC 通信），且儀表通信協議非標準格式，需要按照特定格式進行通信。 PLC 通信口種類少、協議為標準格式，開發自由口通信難度較大，因此沒有直接通過PLC 1200系統進行通信，而是利用上位機軟件編程實現通信功能。 筆者采用LabVIEW 語言編寫的質量流量計讀取累計值的通信程序設計如圖4 所示。 每個通信儀表都有一個通信開關，讀參數操作一直運行，寫參數操作需要點擊“開關”按鈕才能建立連接。 這樣操作可以減少網絡通信負荷，提高數據傳輸效率。

圖4 質量流量計讀取累計值的通信程序

程序中用到的串口操作指令包括VISA Configure Serial Port、VISA Write、屬性節點（Bytes at Port）、VISA Read 和VISA Close［6］。 首先配置串口參數（包括地址、波特率、數據位及校驗位等信息），按照通信協議寫入特定的命令符，延時處理并根據接收的字節數讀取數據， 最后關閉串口。返回的數據格式基于IEEE754 單精度浮點標準，按照協議截取字節進行數據處理，得到具體的累計值進行存儲并在界面顯示。

其他儀表的通信程序類似， 只在發送命令時有所不同。根據需要獲得的儀表參數，發送不同的命令符，得到反饋后再進行數據的解析與處理。

上位機程序實現了參數的設置與反饋、顯示與記錄、報警與聯鎖等功能，操作簡單、便于維護、實用性強。

2.2.2 下位機

下位機程序是指編寫PLC 程序，主要完成常規壓力、溫度信號的測量以及參數報警聯鎖的邏輯輸出功能。

下位機采用梯形圖語言進行編程，該語言與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性［7］。部分PLC 程序如圖5 所示，程序中包括溫度和壓力信號讀取以及循環泵的啟停程序。 PLC 與上位機通過以太網接口經由交換機連接，通過OPC 服務器進行數據交換。上位機軟件在OPC 服務器中獲得PLC 中的數據，可以通過建立客戶端服務器進行調用。

圖5 部分PLC 程序

3 結束語

涉氫（及同位素）的帶污核設施退役時，在經過多次抽洗過程后， 其放射性氣體含量大幅減少。 此過程中樣品的定量分析對后續的清洗工藝尤為重要。 為保證在低濃度情況下也能得到準確的測量值， 提出將氣體樣本轉換為液體樣本，用液閃譜儀進行定量分析的方法。 根據工藝的具體要求建立模擬裝置并設計基于PLC 系統的取樣分析控制系統， 該控制系統以PLC 1200 控制器為核心，功能上實現了常規信號采集，溫度的PID控制。利用上位機軟件完成了流量的串口RS232、RS485 通信以及上位機的OPC 通信,實現了數據顯示、存儲、參數設定、報警與安全聯鎖等功能。控制系統具有友好的人機界面、操作簡單，實用性強。 實際運行結果表明：取樣分析控制系統運行穩定、可靠，能夠滿足工藝要求，可為放射性分析工程領域提供參考。