基于冗余PLC的廢物桶無損檢測儀控制系統(tǒng)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(yè)的發(fā)展，核技術被應用于各個行業(yè)，由此不可避免地產(chǎn)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(guī)定了放射性廢物的產(chǎn)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(jīng)過一系列的處理后，形成密封包裝的廢物桶。廢物桶產(chǎn)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(chǎn)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(huán)境，現(xiàn)有國內(nèi)廢物桶無損檢測儀控制系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性和高效性設計提出了更高的要求。

本文開發(fā)了一種基于冗余可編程序邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)和以太網(wǎng)控制自動化技術工業(yè)現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡的廢物桶無損檢測儀控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用2套PLC，實現(xiàn)控制器的一主一備同時運行；通過軟件編程，實現(xiàn)雙控制器的冗余切換；結合伺服運動控制、工業(yè)現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)等技術，提升了控制系統(tǒng)的可靠性和高效性，有效避免了由于控制系統(tǒng)出現(xiàn)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(zhuǎn)臺和探測器組件2部分。測量轉(zhuǎn)臺由輥道傳動機構、轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)機構和轉(zhuǎn)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(tǒng)需要實現(xiàn)以上機構的六軸協(xié)調(diào)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(tǒng)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(tǒng)硬件部分主要由上位機、下位機、輸入/輸出(input/output，I/O)模塊、驅(qū)動執(zhí)行及檢測機構組成。

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

下位機是整個控制系統(tǒng)的控制器。廢物桶無損檢測儀控制系統(tǒng)屬于運動控制系統(tǒng)。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(tǒng)可靠性的有效方法和主要措施[6-7]，能夠使控制系統(tǒng)在運行時不受局部單一故障的影響，實現(xiàn)在線維護工作，從而達到提高控制系統(tǒng)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(tǒng)硬件總體架構如圖1所示。

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

驅(qū)動執(zhí)行及檢測機構主要包括伺服驅(qū)動器、伺服電機、行程開關和傳感器等設備。PLC通過現(xiàn)場總線與驅(qū)動執(zhí)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(wǎng)連接，交互信號，實現(xiàn)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(wěn)定地同步運行。2臺PLC再分別通過交換機與上位機和工業(yè)總線各從站連接，獨立的網(wǎng)絡連接，互不影響，實現(xiàn)了對上位機信息交互和工業(yè)總線各從站控制的網(wǎng)絡冗余。

2.3 通信網(wǎng)絡的設計

控制系統(tǒng)中采用了工業(yè)現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)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(wǎng)通信；下位機與I/O模塊、伺服驅(qū)動器之間采用以太網(wǎng)控制自動化技術(ethernet control automation technology，EtherCAT)工業(yè)現(xiàn)場總線通信。EtherCAT工業(yè)現(xiàn)場總線的100 Mbit/s傳輸速度保證了控制系統(tǒng)的高效性[8]。上位機自帶2個網(wǎng)口。下位機自帶2個網(wǎng)口，搭配EtherCAT工業(yè)現(xiàn)場總線擴展模塊的1個網(wǎng)口。交換機自帶8個網(wǎng)口，均滿足廢物桶無損檢測儀控制系統(tǒng)通信網(wǎng)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(tǒng)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(tǒng)相關硬件選型?？刂葡到y(tǒng)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(wǎng)絡接口、2個USB接口；下位機(型號CX2020-0125)具有4 GB內(nèi)存卡、40 GB的Cfast存儲卡；交換機(型號CU2008)具有8個網(wǎng)絡接口；總線拓展模塊(型號EK1110)是EtherCAT工業(yè)現(xiàn)場總線擴展模塊，具有1個網(wǎng)絡接口；數(shù)字量輸入模塊(型號EL1018)具有8路數(shù)字量輸入信號；數(shù)字量輸出模塊(型號EL2008)具有8路數(shù)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(qū)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(tǒng)軟件設計

3.1 控制系統(tǒng)運行檢測流程圖

廢物桶無損檢測儀控制系統(tǒng)可實現(xiàn)由上位機自動加載工藝參數(shù)，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(shù)、測量轉(zhuǎn)臺動作、探測器組件動作、送出廢物桶和設備復位等步驟?？刂葡到y(tǒng)運行檢測流程如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)標準，可在線/離線對PLC程序進行修改，易于調(diào)試和維護。

下位機軟件采用模塊化編程方法，根據(jù)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(diào)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(shù)據(jù)監(jiān)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(tǒng)的上位機編程軟件使用易控公司的組態(tài)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(tǒng)協(xié)議(advanced design system，ADS)進行通信，實現(xiàn)對設備工藝參數(shù)和控制指令的下發(fā)，以及對設備的運行數(shù)據(jù)的采集和狀態(tài)監(jiān)控。

除常規(guī)的二維流程圖和報警指示燈顯示畫面外，該上位機還開發(fā)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(diào)試過程中，經(jīng)過了長期的調(diào)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(shù)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(zhuǎn)臺側(cè)搭載500 kg廢物桶、探測器組件側(cè)搭載探測儀器的測試工況為例，使轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)電機以18°/s和探測器平移電機以14 mm/s的速度正負連續(xù)往復運動。測試過程中對運動曲線進行了監(jiān)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(tài)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(tǒng)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(tǒng)。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(yè)現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡的控制方案，重點介紹了設備的功能、控制系統(tǒng)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(nèi)容。本控制系統(tǒng)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(xiàn)有國內(nèi)廢物桶無損檢測儀控制系統(tǒng)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(jīng)濟效益。