基于全集成自動化的區(qū)域γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)

王希濤

(中國輻射防護(hù)研究院保健物理與核安全研究所，山西 太原 030006)

0 引言

我國核軍工及核燃料循環(huán)中的區(qū)域γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)普遍存在技術(shù)陳舊、測量誤差大、量程窄、壽命短，以及多數(shù)信號仍然是模擬量傳輸、線纜布設(shè)繁雜等問題;而目前市場上的區(qū)域γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)在容錯性、可靠性、可維護(hù)性和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫?，往往能力不足，特別是系統(tǒng)大多獨立運行，很難與工業(yè)控制領(lǐng)域普遍使用的PLC、DCS接口，難以系統(tǒng)集成。

為有效地解決上述問題，本文提出了基于全集成自動化(totally integrated automation，TIA)的區(qū)域γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計

1.1 全集成自動化概述

TIA集高度的集成統(tǒng)一性和前所未有的開放性于一身，采用統(tǒng)一的編程組態(tài)環(huán)境、高度一致的數(shù)據(jù)集成和標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，使TIA為企業(yè)實現(xiàn)了橫向和縱向信息集成。領(lǐng)先的通信標(biāo)準(zhǔn)、基于組件的自動化技術(shù)、PC自動化解決方案和IT集成，使TIA對整個自動化市場的產(chǎn)品和服務(wù)范圍實現(xiàn)了真正開放。

TIA優(yōu)化了所有部件間的相互影響，可以使企業(yè)現(xiàn)有的潛能得到最大限度的發(fā)揮，同時也提高了組態(tài)工程師、程序員、操作員和服務(wù)人員的工作效率。TIA使所有的自動化結(jié)構(gòu)(直到現(xiàn)場的各個部件)都是清晰和透明的，用戶能快速完成過程的優(yōu)化、擴展和調(diào)整，并將生產(chǎn)中斷的可能性降到最低，大大提高了TIA在工廠的可用性。

1.2 系統(tǒng)配置及TIA模塊軟件選型

區(qū)域γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)分就地處理、過程控制和區(qū)域管理三級，采用10/100/1000(單位:Mbit/s)工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

每個區(qū)域的各個就地處理單元(local processing unit，LPU)采集并處理現(xiàn)場的相應(yīng)γ探頭傳來的信號，通過該區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)交換機實現(xiàn)信息共享。過程控制單元集中處理該區(qū)域的信息，操作站提供人機交互功能，中央控制室實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全局管理功能［1］。TIA模塊及軟件采用德國西門子(SIMATIC)的TIA產(chǎn)品。

就地處理單元(LPU)采用緊湊型PLC:S7-1200。該PLC具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊和功能全面等特點，具有可擴展的靈活設(shè)計和符合工業(yè)通信最高標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，以及全面的集成工藝功能。因此，它可以作為一個組件集成在完整的綜合自動化解決方案中。由于LPU所需控制點數(shù)不多，因此，S7-1200 PLC滿足系統(tǒng)要求，且所需空間小、性價比高。

根據(jù)I/O的多少，過程控制單元可選用小型PLC(如S7-200 CN)、中型PLC(如 S7-300)或大型PLC(如S7-400)。而軟件則選擇與PLC配套的TIA軟件，例如S7-1200選擇TIA Portal V10.5_SP2。該軟件已有簡體中文版。

系統(tǒng)配置如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)配置Fig.1 System configuration

2 γ探頭

2.1 性能模擬與實測

γ探頭的性能是系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，因此γ探頭性能模擬與實測是系統(tǒng)研制的基礎(chǔ)。γ探頭模擬與實測步驟如下:①按照γ探頭內(nèi)的γ探測器的能量響應(yīng)和多探測器組合等的MCNP4(一種“蒙特卡羅”軟件)模擬計算結(jié)果，決定γ探頭所用的理論上最佳屏蔽體組合、材質(zhì)和開孔方法;②進(jìn)行γ探測器的能響試驗驗證，并同步進(jìn)行探測效率、測量范圍和溫度穩(wěn)定性試驗;③然后比對模擬與實測結(jié)果，確保滿足系統(tǒng)測量要求;④最后根據(jù)試驗結(jié)果研制對應(yīng)的γ探頭電路。

2.2 γ探頭電路原理

為擴寬測量范圍同時減小誤差，γ探頭電路采用兩個γ探測器:低量程段用高靈敏度γ探測器，高量程段用低靈敏度γ探測器。γ探測器與γ光子作用，產(chǎn)生極微弱的脈沖信號，經(jīng)電荷靈敏前置放大器與主放大器兩級放大，脈沖幅度可達(dá)到預(yù)定大小;經(jīng)甄別成型電路，可獲得穩(wěn)定整齊的方波脈沖信號，有利于LPU處理。

γ探頭電路原理圖如圖2所示。

圖2 γ探頭電路原理圖Fig.2 Principle of γ probe’s circuit

因系統(tǒng)所需的量程很寬(10－6～1 Gy/h)，不同監(jiān)測區(qū)域的噪聲大小差別很大，為提高測量精度，我們研制了偏置電壓設(shè)置電路和閾值設(shè)置電路。通過偏置電壓設(shè)置電路，可以調(diào)整γ探測器的反向工作電壓，從而改變γ探測效率。通過閾值設(shè)置電路，可以設(shè)定甄別成型電路的合適閾值。

為確保系統(tǒng)可靠運行，我們研制了電子學(xué)和光學(xué)自檢電路。電子學(xué)測試采用LPU產(chǎn)生的可設(shè)定幅度與寬度的脈沖信號，光學(xué)測試(僅對高量程部分的低靈敏度γ探測器)選用內(nèi)置于γ探頭內(nèi)的帶聚光功能的LED燈。

當(dāng)γ探頭所處環(huán)境振動較嚴(yán)重時，振動測量電路使LPU對低量程計數(shù)進(jìn)行補償(減少計數(shù))。通過溫度測量電路，LPU可進(jìn)行溫度補償計算。

2.3 γ探頭PCB(印刷電路板)

γ探頭PCB的高穩(wěn)定電源電路采用“低噪聲、低壓降線性穩(wěn)壓器”芯片(TPS7A4901和TPS7A3001)，“電荷靈敏前置放大器”選用“高增益、高帶寬、高速、超低噪聲、場效應(yīng)管輸入”型集成運放芯片(AD8067)放大探測器輸入信號。

電子元器件全部采用貼片型的，雙面緊湊布局，并盡可能縮小電路板尺寸。這樣不僅可以減少線路的電容分布，縮小受干擾面積，而且大大減輕了能響補償部分和電磁屏蔽部分的重量。

3 就地處理單元(LPU)

3.1 功能設(shè)置

可編程邏輯控制器(PLC)為該區(qū)域的過程控制單元，過程控制單元不僅處理該區(qū)域γ輻射信號，而且控制該區(qū)域的其他所有工藝設(shè)備。若探頭距離過程控制單元較近(＜100 m)，可不必設(shè)LPU，信號直接由過程控制單元處理。由于采用了TIA架構(gòu)，γ輻射信號如同其他工藝信號(位置、速度、壓力、流量、溫度等)，可流暢地參與該區(qū)域的工藝自動控制系統(tǒng)。

區(qū)域γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)具體功能如下［2］。

①輸入功能，包括高低量程偏置電壓、高低量程閾值和高低報警值設(shè)置，光學(xué)和電子學(xué)測試，刻度系數(shù)輸入，脈沖計數(shù)允許/禁止，LPU網(wǎng)址，探頭ID，選擇顯示單位和設(shè)置計數(shù)時間。

②顯示功能，包括劑量率和累計劑量。

③狀態(tài)查詢功能，包括高低聲光報警、溫度指示、電源(220 VAC、+5 V、±12 V)電壓指示和振動指示。

④數(shù)據(jù)查詢功能，包括劑量率和累計劑量從現(xiàn)在開始1 min、1 h、1 d或操作人員設(shè)定的時間的平均值、歷史趨勢曲線、索引和日期/時間。

⑤數(shù)據(jù)存儲功能，以數(shù)據(jù)庫形式儲存數(shù)據(jù)，插入存儲卡(如SIMATIC MC 24 MB)，可自動存儲海量數(shù)據(jù)。

⑥(可選)短消息功能，通過添加GPRS Modem模塊(如西門子的SINAUT MD720-3)并開通短信(short messaging service，SMS)業(yè)務(wù)，可向有關(guān)人員的手機發(fā)送輻射監(jiān)測信息，按手機短息收費。

3.2 LPU 配置

根據(jù)γ探頭電路原理圖與功能設(shè)置，配置LPU的PLC模塊。具體I/O(輸入/輸出)點數(shù)如表1所示。

表1 I/O點Tab.1 I/O points

LPU配置圖如圖3所示。

圖3 LPU配置圖Fig.3 LPU configuration

LPU配置S7-1200系列的三個模塊如下。

①CPU模塊(CPU1212C DC/DC/繼電器)板載8個DI點、6個DO點、2路AI，包含4個高速計數(shù)器(每個DI點都有脈沖輸入捕捉功能)和2路脈沖輸出;

②AI/AO混合模塊(SM1234 AI4/AO2)板載4路AI和2路AO;

③ AO模塊(SM1232 AO2)板載2路AO。

以上三個模塊總共可驅(qū)動8個DI點和6個DO點、6路AI、2路AO、4路脈沖輸入計數(shù)、2路脈沖輸出，是滿足表1要求的最佳配置(模塊最少、所占空間最小)。

觸摸屏為可選件，可選 KTP600 Basic(Color，PN)，5.7 英寸(1 英寸 =25.4 mm)。該觸摸屏側(cè)重于基礎(chǔ)方面，提供大量標(biāo)準(zhǔn)軟件功能(如報警系統(tǒng)、配方管理、趨勢功能和語言切換);可與S7-1200無縫兼容;防護(hù)等級為IP65，可在惡劣的工業(yè)環(huán)境中使用。

LPU與過程控制單元的CPU模塊集成的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口RJ45支持電纜交叉自適應(yīng)，因此，標(biāo)準(zhǔn)或交叉的以太網(wǎng)線都可用。

4 系統(tǒng)集成

4.1 統(tǒng)一的通信

系統(tǒng)內(nèi)所有單元(LPU、觸摸屏、過程控制單元、操作站PC、中央控制室PC以及編程PC)通過統(tǒng)一的物理接口——標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口 RJ45、統(tǒng)一的通信協(xié)議——Profinet，組成 10/100/1000(單位:Mbit/s)工業(yè)以太網(wǎng)。

Profinet是Profibus＆ Profinet International現(xiàn)場總線組織提出并制定的一種開放的、跨供應(yīng)商的、基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標(biāo)準(zhǔn)。通過該協(xié)議，系統(tǒng)可獲得以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IT功能，實現(xiàn)就地處理、過程控制和區(qū)域管理三級之間高速流暢的數(shù)據(jù)通信;同時不失現(xiàn)場總線系統(tǒng)的耐用性，可在極端工業(yè)環(huán)境下，依靠高速冗余功能構(gòu)造故障安全型網(wǎng)絡(luò)［3］。

通過Profinet強大的通信能力(支持的現(xiàn)場安裝節(jié)點數(shù)量可超過210萬個)、各種耐用連接器(如工業(yè)以太網(wǎng)交換機等，滿足EMC和溫度要求)和特別設(shè)計的工業(yè)電纜(或光纜)，系統(tǒng)可以采用星型、總線型和環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，形成龐大而又靈活的網(wǎng)絡(luò)。

Profinet支持以下三種通信方式。

① TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信，響應(yīng)時間100 ms量級，滿足區(qū)域管理級使用標(biāo)準(zhǔn)的 IT服務(wù)(如 http、HTML、SNMP、DHCP和XML等)，加強對整個網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)，節(jié)約調(diào)試和維護(hù)成本;

② 實時(real time，RT)通信，Profinet提供了一個優(yōu)化的、基于以太網(wǎng)Layer 2(第二層)的實時通信通道，響應(yīng)時間5～10 ms量級，滿足γ探頭與LPU或過程控制單元(即就地處理和過程控制兩級)對響應(yīng)時間的較嚴(yán)格要求;

③ IRT(同步實時)通信，當(dāng)節(jié)點數(shù)≤100個時，響應(yīng)時間＜1 ms，抖動誤差＜1 μs，滿足對通信實時性要求最高的運動控制，如某處突然出現(xiàn)較強的γ輻射或其他危險情況，立即聲光報警，啟動聯(lián)鎖裝置。

4.2 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理

在TIA中，所有數(shù)據(jù)都存儲在一個項目中，修改后的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)(如變量)會在整個項目內(nèi)(甚至跨越多臺設(shè)備)自動更新。通過跨項目組成部分的符號尋址，可以在程序中的任意位置創(chuàng)建或修改該變量。TIA提供了三種創(chuàng)建PLC變量的方式:①在PLC變量表中定義;②在程序編輯器中定義;③通過PLC輸入和輸出的鏈接來定義。變量修改是集中執(zhí)行且不斷進(jìn)行更新的。一致的數(shù)據(jù)管理免去了在同一項目內(nèi)的不同參與者之間進(jìn)行同步的必要。

4.3 統(tǒng)一的組態(tài)和編程

在TIA的一個軟件中，如 TIA Portal V10.5_SP2，編程人員可以采用一個適合所有任務(wù)的公共用戶界面來訪問所有的編程和可視化功能。

WinCC通過組態(tài)客戶機/服務(wù)器系統(tǒng)，可以將系統(tǒng)操作和監(jiān)控的功能分配到多個操作站和中央控制室的PC上。對于較大的系統(tǒng)，這樣的組態(tài)方式既可以降低單臺計算機的負(fù)擔(dān)，也可以增加系統(tǒng)的性能。

5 結(jié)束語

通過項目的設(shè)計和調(diào)試表明，系統(tǒng)過程控制簡單而安全，方便信息網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線及儀表的集成，設(shè)計模塊化，系統(tǒng)擴展性強，具有管控一體化功能，對核設(shè)施輻射監(jiān)測系統(tǒng)國產(chǎn)化具有積極作用。系統(tǒng)由于采用了Profinet總線，大量節(jié)省了電纜費用，也相應(yīng)節(jié)省了施工調(diào)試以及系統(tǒng)投運后的維護(hù)時間和費用。

［1］王爭耀，韓軍，熊進(jìn)，等.武鋼二煉鋼轉(zhuǎn)爐全集成自動化系統(tǒng)［J］.控制工程，2006，13(6):567 －569.

［2］宋稱心，鄧長明，程昶，等.區(qū)域γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計［J］.核電子學(xué)與探測技術(shù)，2008，28(6):1295－1297.

［3］陳瑞陽，席巍，宋柏青.西門子工業(yè)自動化項目設(shè)計實踐［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009:129－137.