基于冗余PLC的廢物桶無損檢測儀控制系統設計

袁 駿，何志軍，張 偉

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

0 引言

近年來，隨著我國核工業的發展，核技術被應用于各個行業，由此不可避免地產生了大量亟待檢測、管理的核廢料和核廢物[1]。對此，我國制定了放射性廢物管理的相關國家標準，規定了放射性廢物的產生、收集、預處理、處理、整備與貯存等各個階段的管理目標和基本要求[2]。因此，在處理、處置之前，對核廢物的檢測和分類顯得尤為必要[3]。

放射性廢物經過一系列的處理后，形成密封包裝的廢物桶。廢物桶產生后通常不再進行取樣分析，只能采用無損檢測方法對其進行測量，以得到核素及活度信息[4-5]。因此，廢物桶無損檢測儀是核廢物產生單位必須配備的重要設備之一。廢物桶無損檢測間處于高放射性環境，現有國內廢物桶無損檢測儀控制系統缺少冗余設計。當廢物桶處于無損檢測間時，工作人員無法進入檢測間。這對廢物桶無損檢測儀控制系統的可靠性和高效性設計提出了更高的要求。

本文開發了一種基于冗余可編程序邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)和以太網控制自動化技術工業現場總線通信網絡的廢物桶無損檢測儀控制系統。該系統采用2套PLC，實現控制器的一主一備同時運行；通過軟件編程，實現雙控制器的冗余切換；結合伺服運動控制、工業現場總線和工業以太網等技術，提升了控制系統的可靠性和高效性，有效避免了由于控制系統出現故障而引起的安全事故。

1 廢物桶無損檢測儀組成及功能

以某乏燃料后處理廠為例。廢物桶無損檢測儀包括測量轉臺和探測器組件2部分。測量轉臺由輥道傳動機構、轉臺旋轉機構和轉臺平移機構組成。探測器組件由探測器升降機構、探測器平移機構和準直孔開關機構組成。廢物桶無損檢測儀控制系統需要實現以上機構的六軸協調控制，高效、可靠地完成整個檢測工藝流程。廢物桶無損檢測儀組成及功能如表1所示。

表1 廢物桶無損檢測儀組成及功能

2 控制系統硬件設計

2.1硬件總體架構設計

廢物桶無損檢測儀控制系統硬件部分主要由上位機、下位機、輸入/輸出(input/output，I/O)模塊、驅動執行及檢測機構組成。

上位機用于系統控制指令設定和運行可視化監控等。廢物桶檢測時，操作員借助上位機實現與PLC的信息交互。上位機界面下發操作員的指令和系統參數，并顯示設備實時運行的三維動畫。

下位機是整個控制系統的控制器。廢物桶無損檢測儀控制系統屬于運動控制系統。下位機選用倍福公司的PLC。該控制器可同時對6根運動軸進行控制，滿足設備需求。此外，下位機采用冗余PLC設計，一主一備獨立運行。PLC冗余控制技術是提高控制系統可靠性的有效方法和主要措施[6-7]，能夠使控制系統在運行時不受局部單一故障的影響，實現在線維護工作，從而達到提高控制系統可靠性和降低失效率的目的。

I/O模塊用于遠程收集與輸出信號。收集的信號包括行程開關、傳感器和第三方設備信號。輸出的信號包括指示燈和第三方設備信號。

控制系統硬件總體架構如圖1所示。

圖1 控制系統硬件總體架構圖Fig.1 Overall architecture diagram of the control system hardware

驅動執行及檢測機構主要包括伺服驅動器、伺服電機、行程開關和傳感器等設備。PLC通過現場總線與驅動執行機構連接，并控制其動作和接收其反饋信息；PLC通過I/O模塊與檢測機構連接，并收集和輸出相關信號。

2.2 冗余PLC控制器的設計

2臺PLC通過以太網連接，交互信號，實現冗余。2臺PLC的型號和運行程序一致，供電來自不同的開關電源，保證了2臺PLC能夠可靠、穩定地同步運行。2臺PLC再分別通過交換機與上位機和工業總線各從站連接，獨立的網絡連接，互不影響，實現了對上位機信息交互和工業總線各從站控制的網絡冗余。

2.3 通信網絡的設計

控制系統中采用了工業現場總線和以太網這2種通信方式。其中:上位機與下位機、主控制器與備控制器之間采用以太網通信；下位機與I/O模塊、伺服驅動器之間采用以太網控制自動化技術(ethernet control automation technology，EtherCAT)工業現場總線通信。EtherCAT工業現場總線的100 Mbit/s傳輸速度保證了控制系統的高效性[8]。上位機自帶2個網口。下位機自帶2個網口，搭配EtherCAT工業現場總線擴展模塊的1個網口。交換機自帶8個網口，均滿足廢物桶無損檢測儀控制系統通信網絡的硬件設計要求。

2.4 硬件選型清單

在廢物桶無損檢測儀控制系統硬件總體設計的基礎上，結合工藝測量要求，完成了控制系統相關硬件選型。控制系統硬件的主要器件如下：上位機(型號DIAVH-PPC155100A)具有15英寸(1英寸=25.4 mm)顯示屏、2個網絡接口、2個USB接口；下位機(型號CX2020-0125)具有4 GB內存卡、40 GB的Cfast存儲卡；交換機(型號CU2008)具有8個網絡接口；總線拓展模塊(型號EK1110)是EtherCAT工業現場總線擴展模塊，具有1個網絡接口；數字量輸入模塊(型號EL1018)具有8路數字量輸入信號；數字量輸出模塊(型號EL2008)具有8路數字量輸出信號；模擬量輸入模塊(型號EL3152)具有2路4～20 mA模擬量輸入通道；伺服驅動器(型號AX5106-0000-0200)額定輸出電流6 A，輸出峰值電流13 A。

3 控制系統軟件設計

3.1 控制系統運行檢測流程圖

廢物桶無損檢測儀控制系統可實現由上位機自動加載工藝參數，控制設備完成廢物桶的無損檢測工藝流程。運行檢測流程主要包括設備初始化、啟動檢測、接收廢物桶、加載工藝參數、測量轉臺動作、探測器組件動作、送出廢物桶和設備復位等步驟。控制系統運行檢測流程如圖2所示。

圖2 控制系統運行檢測流程圖Fig.2 Flowchart of control system operation detection

3.2 下位機軟件設計

廢物桶無損檢測儀控制系統的下位機編程軟件使用倍福公司的基于Windows的控制和自動化技術工程軟件(the windows control and automation technology 3， TwinCAT 3)。TwinCAT 3是以結構化文本語言(structured text，ST)為主、符合IEC 61131-3標準的編程系統標準，可在線/離線對PLC程序進行修改，易于調試和維護。

下位機軟件采用模塊化編程方法，根據設備的功能和工藝的要求，將下位機程序分成了7個主要功能模塊，即調試運行功能塊、手動運行功能塊、自動運行功能塊、故障復位功能塊、安全保護功能塊、冗余控制功能塊和數據監測功能塊。其中，每個功能塊又包括若干個子程序模塊，例如速度控制模塊、絕對位置控制模塊、編碼器零位設置模塊等。

3.3 上位機軟件設計

廢物桶無損檢測儀控制系統的上位機編程軟件使用易控公司的組態軟件，以標準c#語言作為編程語言， 與下位機之間通過先進設計系統協議(advanced design system，ADS)進行通信，實現對設備工藝參數和控制指令的下發，以及對設備的運行數據的采集和狀態監控。

除常規的二維流程圖和報警指示燈顯示畫面外，該上位機還開發了三維動畫實時顯示畫面，更加直觀、生動地展示工藝檢測流程。

4 測試

樣機研制調試過程中，經過了長期的調試和大量的測試，分別對每根運動伺服軸的速度、加速度、減速度、比例、積分和微分參數進行修正[9-11]，以保證每根運動伺服軸在負載工況下可以平順的完成動作。以轉臺側搭載500 kg廢物桶、探測器組件側搭載探測儀器的測試工況為例，使轉臺旋轉電機以18°/s和探測器平移電機以14 mm/s的速度正負連續往復運動。測試過程中對運動曲線進行了監測。運動曲線如圖3所示。

圖3 運動曲線Fig.3 Motion curves

從圖3可知，2根軸在以上工況和運動狀態下，位置偏差值微小，速度曲線平順，滿足廢物桶無損檢測儀對控制系統的要求。

5 結論

本文設計了基于冗余PLC的廢物桶無損檢測儀控制系統。為保證廢物桶無損檢測儀的可靠性和高效性，本文提出了一種基于冗余PLC和EtherCAT工業現場總線通信網絡的控制方案，重點介紹了設備的功能、控制系統硬件架構、硬件選型、工藝檢測流程、下位機PLC軟件設計、上位機畫面軟件設計等內容。本控制系統已通過了相關課題的驗收，可以滿足對于廢物桶無損檢測儀可靠性和高效性的要求，彌補了現有國內廢物桶無損檢測儀控制系統缺少冗余設計的空白，具備廣闊的工程應用前景和巨大的經濟效益。