用于桶裝核廢物檢測的多維控制系統(tǒng)設(shè)計

蔡 婷 成 毅 陳園園 王琦標

(成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川 成都 610051)

0 引言

近幾十年來，隨著我國核工業(yè)的發(fā)展，核設(shè)施的運行及退役積存了大量亟待檢測管理的核廢料和核廢物［1］。目前，市場上已有的標準桶裝核廢物檢測系統(tǒng)分為分段γ 掃描(segmented gamma scanner，SGS)和 層 析γ 掃 描(tomographic gamma scanning，TGS)兩種技術(shù)型號。基于這兩種技術(shù)的商業(yè)產(chǎn)品經(jīng)市場檢驗，雖成熟可靠，但價格昂貴，投入成本高。檢測的主要目的是對廢物進行分級，以便管理。用γ譜儀配合機械傳動臺架組裝的簡易桶裝廢物檢測裝置可滿足要求［2-4］，同時可以明顯降低成本。故在條件不允許時，相對成型產(chǎn)品，選擇簡易裝置更符合實際情況。

現(xiàn)有的機械傳動臺架為多維結(jié)構(gòu)，分成水平傳動、旋轉(zhuǎn)支撐、放射源升降和探測器升降四個維度。旋轉(zhuǎn)臺搭載廢物桶重疊在水平咬合架上移動，兩個升降咬合架上的移動臺分別搭載放射源和探測器進行同步升降。由于檢測時要求旋轉(zhuǎn)臺和移動臺按照層析γ 掃描技術(shù)［5］相互配合運動，且對其定位功能要求較高，而現(xiàn)今PLC(可編程控制器)在運動過程控制方面應(yīng)用廣泛、穩(wěn)定可靠，且定位準確、可選方案較多，下文介紹一種采用PLC 實現(xiàn)多維控制的設(shè)計方法［6］。

1 工作原理

多維控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要由上位機、PLC 電氣控制柜和現(xiàn)場部件三個部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。操作員通過上位機向PLC 中載入默認運動參數(shù)的自動檢測程序或重設(shè)參數(shù)后的自動檢測程序，控制伺服電機帶動機械傳動臺架執(zhí)行檢測工作，達到自動控制的目的。在上位機上運行組態(tài)軟件進行自動控制時，可設(shè)置旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角度、速度、精度和移動臺的移動距離等運動參數(shù)，組態(tài)界面上的動態(tài)化圖形模擬現(xiàn)場運行情況，數(shù)據(jù)庫顯示實時運動參數(shù)。此外，界面在系統(tǒng)故障或移動臺限位時將自動報警。PLC 電氣控制柜的面板上設(shè)有按鈕、開關(guān)、指示燈等電氣元件，用于手動調(diào)試、輔助確定預(yù)設(shè)的默認運動參數(shù)、處理系統(tǒng)異常狀況等。柜內(nèi)則設(shè)置PLC、伺服驅(qū)動器、開關(guān)電源、斷路器等器件，用于接收與執(zhí)行控制命令、采集信號、系統(tǒng)供電及安全保護?，F(xiàn)場部件為連接到機械臺架上的限位開關(guān)和電機，用于傳送移動臺極限位置信號及帶動機械臺架的傳動軸。

圖1 多維控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of multidimensional controlling system

多維控制系統(tǒng)的PLC 選用西門子S7-200 CPU226系列。該控制器結(jié)構(gòu)緊湊、擴展性強，適用于流程控制檢測工作。在運動控制上，S7-200 提供了三種開環(huán)運動控制方式:脈寬調(diào)制(PWM)、脈沖串輸出(PTO)和位控模塊EM253。三種方式各有特點，對應(yīng)不同需求應(yīng)用于多種場合［7-9］。其中，PWM 和PTO 使用S7-200內(nèi)置的Q0.0和Q0.1作為輸出端。在進行運動控制時，前者需要通過程序調(diào)整脈寬來控制速度或位置，后者僅提供占空比為50%的脈沖串輸出來控制速度或位置，方向和限位控制則必須通過PLC 內(nèi)置I/O 或擴展模塊提供。而EM253 作為位置控制專用模塊，自帶方向、限位、禁止等功能型I/O 端口，編程中可直接調(diào)用相關(guān)功能塊。另外，EM253 可組態(tài)為包括自動參考點搜索在內(nèi)的幾種操作模式，為步進電機或伺服電機的速度和位置開環(huán)控制提供了統(tǒng)一的解決方案。相比PWM 和PTO 這兩種控制方式，使用EM253 具有開發(fā)周期短、控制方式靈活、可調(diào)精度高、安全可靠等優(yōu)點，能更好地滿足系統(tǒng)對定位功能的要求。根據(jù)需要，系統(tǒng)對應(yīng)四個維度的機械傳動臺架擴展了四臺EM253用于旋轉(zhuǎn)臺和移動臺的精確定位。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制方式

多維控制系統(tǒng)的控制方式分為自動控制和手動控制兩種。操作員可使用上位機運行自動檢測程序完成自動控制，也可操作控制柜面板執(zhí)行手動控制。

自動控制時，PLC 電氣控制柜上的轉(zhuǎn)換開關(guān)需置于自動狀態(tài)，使用上位機向PLC 載入默認運動參數(shù)的自動檢測程序或重設(shè)參數(shù)后的自動檢測程序，按下組態(tài)界面上的啟動鍵，控制檢測裝置執(zhí)行程序。在組態(tài)界面上，操作員可設(shè)置參數(shù)、啟停檢測和遠程監(jiān)測。

手動控制時，PLC 電氣控制柜上的轉(zhuǎn)換開關(guān)需置于手動狀態(tài)。操作員根據(jù)預(yù)設(shè)好的手動調(diào)試程序，使用控制柜面板上的電氣元件實現(xiàn)對檢測裝置的手動控制?？刂泼钣擅姘迳系碾姎庠掳l(fā)給PLC，后者執(zhí)行控制命令。此外，面板上印制有機械傳動臺架的正視圖及俯視圖，并在相應(yīng)位置設(shè)有指示燈，可直觀地監(jiān)測各維臺架的限位情況。

此外，自動控制和手動控制兩種方式間可自由切換。在自動檢測過程中，按下控制柜面板上的“緊急停止”自鎖按鈕，命令PLC 控制系統(tǒng)停止檢測，將轉(zhuǎn)換開關(guān)置于手動狀態(tài)，并解鎖自鎖按鈕后，即可用手動控制方式繼續(xù)操作。使用手動控制方式時，停止操作，將轉(zhuǎn)換開關(guān)置于自動狀態(tài)，按下控制柜面板上的“啟動”按鈕，即開始執(zhí)行自動檢測程序。

2.2 報警保護

檢測過程中可能出現(xiàn)的異常狀況主要源自三個方面:伺服異常、位置限制和外界因素。

2.2.1 伺服異常

當伺服異常報警時，PLC 會收到伺服反饋的報警信號，并發(fā)出命令停止檢測運行，保護伺服電機。此時，若系統(tǒng)處于自動控制狀態(tài)，上位機組態(tài)軟件自動解碼PLC 采集的報警信號，把故障原因及解決方法顯示在組態(tài)界面上，提示操作員根據(jù)原因排除異常。若系統(tǒng)處于手動控制狀態(tài)，控制柜面板上的報警指示燈亮，提示操作員根據(jù)伺服驅(qū)動器上LED 顯示的故障編碼查看伺服驅(qū)動器手冊排除異常。

2.2.2 位置限制

選擇自動控制時，若操作員設(shè)置的運動參數(shù)超過了正常范圍，組態(tài)界面將出現(xiàn)超限提示，并不會執(zhí)行超限參數(shù)相應(yīng)的自動控制程序。在手動控制情況下控制移動臺運動時，若到達限定位置，將觸發(fā)機械傳動臺架上的限位開關(guān)，控制柜面板上的限位指示燈亮，提醒操作員排查異常。

2.2.3 外界因素

正在進行檢測工作時，若發(fā)現(xiàn)線纜纏繞、旋轉(zhuǎn)移動臺上放置有容易被拋出的物品等外界干擾因素，自動控制時可按下組態(tài)界面上的停止鍵，手動控制時可按下控制柜面板上的“緊急停止”自鎖按鈕，向PLC 發(fā)出停止檢測信號，在排除異常、解鎖自鎖按鈕后即可重新檢測。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制流程

在使用多維控制系統(tǒng)進行檢測前，需要先檢查系統(tǒng)線纜有無纏繞、移動臺上所放檢測儀器是否固定等細節(jié)問題，做好準備工作。之后按下控制柜面板的“電源”按鈕，系統(tǒng)按照圖2 所示的主程序流程圖進行初始化，實現(xiàn)上電自測、控制方式判斷等功能。當自測發(fā)現(xiàn)故障時，PLC 會禁止系統(tǒng)運行，操作員可通過組態(tài)界面、面板指示燈、伺服LED 屏等排查故障。在一切正常的情況下，可實現(xiàn)自動和手動控制方式的自由切換。

圖2 主程序流程圖Fig.2 The flowchart of main program

如果自動條件滿足，通過組態(tài)界面上的啟動鍵，系統(tǒng)進入自動檢測狀態(tài)。此時，機械傳動臺架按照圖3所示執(zhí)行流程。

圖3 自動子程序流程圖Fig.3 The flowchart of automatic subprogram

如果手動條件滿足，操作員使用電氣元件進行檢測工作或排查異常。手動控制的預(yù)設(shè)程序中已將按紐、開關(guān)等電氣元件所對應(yīng)的功能、運動參數(shù)編程設(shè)置完畢。手動執(zhí)行時按照控制柜面板上電氣元件對應(yīng)的說明使用即可。

3.2 組態(tài)軟件

組態(tài)軟件是以北京亞控公司的組態(tài)王軟件為開發(fā)平臺、為操作員專門設(shè)計的一套應(yīng)用系統(tǒng)。該應(yīng)用系統(tǒng)可以與PLC 進行通信和采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)上由控制窗口、設(shè)備窗口和實時數(shù)據(jù)庫組成，具有參數(shù)設(shè)置、啟?？刂?、動畫顯示、自動報警、數(shù)據(jù)監(jiān)測等功能。設(shè)計時，控制窗口設(shè)置運動參數(shù)和控制系統(tǒng)啟停，設(shè)備窗口顯示動態(tài)化圖形監(jiān)控畫面和執(zhí)行報警機制，實時數(shù)據(jù)庫生成運動參數(shù)報表。此外，組態(tài)王是一款具有經(jīng)濟適用、易于擴展、開發(fā)周期短等優(yōu)點的工業(yè)控制軟件，應(yīng)用該軟件可實現(xiàn)組態(tài)軟件功能等升級［10-11］。

4 結(jié)束語

多維控制系統(tǒng)以S7 -200 為核心，用于順序控制，擴展位控模塊EM253 用于運動控制。系統(tǒng)提供自動控制和手動控制兩種可自由切換的方式對檢測裝置進行監(jiān)控。整個系統(tǒng)操作靈活、結(jié)構(gòu)簡單、易于維護、可靠性高，很好地滿足了桶裝核廢物檢測裝置的控制需要。

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