中國散裂中子源輻射安全聯(lián)鎖門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬應(yīng)林，王慶斌，王宇飛，吳青彪，李俊剛

(1.東莞中子科學(xué)中心，東莞523803；2.中國科學(xué)院高能物理研究所，北京100049；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

中國散裂中子源(CSNS)位于廣東省東莞市中子科學(xué)城內(nèi)(規(guī)劃)，是迄今為止我國最大的大科學(xué)裝置(國家為解決重大科技前沿、國家戰(zhàn)略需求中的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和前瞻性科技問題，謀求重大突破而投資建設(shè)的大型研究設(shè)施，是國家基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分)。CSNS的目標(biāo)是成為世界主要脈沖散裂中子源科學(xué)研究中心之一，為我國基礎(chǔ)及應(yīng)用研究提供一個(gè)先進(jìn)的多學(xué)科創(chuàng)新研究平臺[1]。目前，加速器束流已經(jīng)成功打靶，三臺譜儀的調(diào)試工作正在順利進(jìn)行，預(yù)計(jì)2018年可以開始為用戶提供中子束流。

CSNS的核心是質(zhì)子加速器，在質(zhì)子加速以及打靶過程中，會(huì)入射到原子核內(nèi)，并且同該核內(nèi)的核子發(fā)生級聯(lián)碰撞、交換能量、打出中子。激發(fā)核退激的過程中，伴隨有γ射線發(fā)射出來。中子和γ射線會(huì)對人引起直接的輻射照射[2]。因此，如果人員誤入正在產(chǎn)生脈沖輻射的高輻射區(qū)，將造成嚴(yán)重的人身傷害事故。聯(lián)鎖門禁設(shè)計(jì)的目的就是要避免人員誤入或誤留在高輻射區(qū)。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

早期門禁是通過人工控制實(shí)現(xiàn)的，其效率低下并且造成了勞動(dòng)力的浪費(fèi)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使機(jī)器逐漸取代了人工，出現(xiàn)了門禁控制系統(tǒng)[3]。

門禁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先要保證做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)易用，作為大型加速器的門禁系統(tǒng)，由于其獨(dú)特的應(yīng)用場合，還必須考慮到以下幾點(diǎn)：①最優(yōu)切斷：在加速器控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖邏輯中，門禁系統(tǒng)應(yīng)具有最優(yōu)先的權(quán)力切斷束流。②失效保護(hù)：當(dāng)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備失效時(shí)，要有應(yīng)急保護(hù)措施來保障人員的安全。③冗余措施:系統(tǒng)必須要有冗余設(shè)計(jì)，不能因門禁系統(tǒng)的局部故障，影響加速器的整體安全性[4-7]。

由于國內(nèi)外大型加速器各有自己的特殊建筑結(jié)構(gòu)和使用方式，其門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)模式，從系統(tǒng)架構(gòu)到具體功能和使用方式都有自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)，門禁系統(tǒng)有的是以單片機(jī)和電腦為核心架構(gòu)出了復(fù)雜系統(tǒng)，有的是以可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，簡稱PLC)為核心，有的具有“零計(jì)數(shù)”、“個(gè)人劑量聯(lián)鎖”等功能，有的是全自動(dòng)無人值守的，有的需要值班員輔助管理[8-12]。這些研究和探索極大的促進(jìn)了粒子加速器門禁系統(tǒng)的發(fā)展，散裂中子源輻射安全聯(lián)鎖門禁系統(tǒng)是以這些研究為基礎(chǔ)，結(jié)合模塊化、系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)思想，將PLC和門禁控制器組合使用，分工合作，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)穩(wěn)定性高，簡單可靠安全可擴(kuò)展的聯(lián)鎖門禁系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組成

散裂中子源聯(lián)鎖門禁系統(tǒng)由現(xiàn)場門禁控制設(shè)備(包括現(xiàn)場門禁控制器、進(jìn)入讀卡器、退出讀卡器、緊急開門按鈕、防護(hù)門內(nèi)釋放按鈕、門磁開關(guān)和電磁門鎖等)、PLC聯(lián)鎖設(shè)備(包括PLC、PLC信號采集模塊、聯(lián)鎖鑰匙、門磁開關(guān)、加速器控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備和通風(fēng)控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備等)、語音設(shè)備、LED顯示屏、攝像機(jī)、門禁接入控制器、服務(wù)器和工作站等設(shè)備組成，聯(lián)鎖門禁系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 散裂中子源聯(lián)鎖門禁系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of radiation safety interlock access control system

(1)門禁控制器

門禁控制器分為門禁接入控制器和現(xiàn)場門禁控制器；門禁接入控制器向下接控制現(xiàn)場門禁控制器，向上接門禁系統(tǒng)服務(wù)器，具有劃分防區(qū)、監(jiān)測下層設(shè)備的功能；現(xiàn)場門禁控制器直接控制門禁系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備，執(zhí)行開門聯(lián)鎖程序。

(2)緊急開門按鈕

緊急開門按鈕也叫玻璃破碎按鈕，它是串聯(lián)在電鎖回路里面，防止門禁系統(tǒng)硬件故障導(dǎo)致人員無法開門。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，用手按碎玻璃即可斷開門鎖電源，自由推拉聯(lián)鎖門，散裂中子源在聯(lián)鎖門的內(nèi)外都安裝有緊急開門按鈕。

(3)防護(hù)門內(nèi)釋放按鈕

防護(hù)門內(nèi)釋放按鈕是一種緊急逃逸裝置，串聯(lián)在電鎖回路里，其原理與玻璃破碎按鈕相似，不同之處是防護(hù)門內(nèi)釋放按鈕只安裝在有需要保持常開的防護(hù)門處，如部分防護(hù)門在打開時(shí)要墊平以運(yùn)輸設(shè)備，為避免誤鎖，在放置墊平塊前要按下釋放按鈕，門鎖電源斷開，門鎖無法鎖閉；啟開墊平塊之后由專人復(fù)位按鈕，門體才能關(guān)閉。

(4)門磁開關(guān)

門磁開關(guān)實(shí)際上是一種位置傳感器，用于檢測聯(lián)鎖門的狀態(tài)，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)一般只關(guān)注門是否完全關(guān)閉，沒有完全關(guān)閉的情況都認(rèn)為聯(lián)鎖門是打開狀態(tài)。

(5)電磁門鎖

電磁鎖是利用電流磁效應(yīng)，當(dāng)電流通過硅鋼片時(shí)產(chǎn)生吸力，吸住吸附鐵板以達(dá)到鎖門的效果。電磁門鎖是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成對人員出入的放行與拒絕操作。

(6)聯(lián)鎖鑰匙

聯(lián)鎖鑰匙是一種置換式機(jī)械聯(lián)鎖設(shè)備，進(jìn)入控制區(qū)的人員隨身攜帶的次級和加速器區(qū)域控制是置換關(guān)系：人員不歸還聯(lián)鎖鑰匙，加速器區(qū)域控制無法就緒，加速器無法開機(jī)；加速器開機(jī)時(shí)，取走區(qū)域控制鑰匙，加速器會(huì)強(qiáng)制停機(jī)。散裂中子源直線加速器區(qū)域聯(lián)鎖鑰匙關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 直線加速器聯(lián)鎖鑰匙示意圖Fig.2 Diagram of linac interlocking keys

(7)加速器控制鑰匙

加速器控制臺有模式控制鑰匙和區(qū)域控制鑰匙，模式控制鑰匙有若干檔位，對應(yīng)于不同的機(jī)器運(yùn)行模式；不同模式對應(yīng)不同的控制區(qū)域，每個(gè)控制區(qū)都有一把區(qū)域控制鑰匙，如圖3所示,區(qū)域控制鑰匙信號通過硬連線送入安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。

圖3 加速器模式與區(qū)域控制鑰匙聯(lián)鎖示意圖Fig.3 Interlocking diagram of accelerator model and area control keys

(8)通風(fēng)控制設(shè)備

通風(fēng)系統(tǒng)的控制區(qū)負(fù)壓狀態(tài)信號、通風(fēng)狀態(tài)信號也送入安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，由PLC進(jìn)行邏輯聯(lián)鎖處理后發(fā)送給現(xiàn)場門禁控制器。

(9)可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)[13]。本文使用PLC采集加速控制系統(tǒng)、通風(fēng)控制系統(tǒng)、門磁開關(guān)和聯(lián)鎖鑰匙設(shè)備等信號并進(jìn)行邏輯聯(lián)鎖處理，將聯(lián)鎖結(jié)果分為：“禁止進(jìn)入”、“限制進(jìn)入”和“控制進(jìn)入”，并將信號送入現(xiàn)場門禁控制器。

(10)提示設(shè)備

聯(lián)鎖門上方安裝有LED顯示屏、管制狀態(tài)指示燈和語音提示裝置；聯(lián)鎖門禁系統(tǒng)通過LED屏聯(lián)動(dòng)控制模塊控制LED屏顯示控制區(qū)的管制狀態(tài)和控制區(qū)內(nèi)人員的數(shù)目和姓名；管制狀態(tài)指示燈用于顯示控制區(qū)的管制狀態(tài)(綠色代表控制進(jìn)入、黃色代表限制進(jìn)入、紅色代表禁止進(jìn)入)；語音提示裝置播放語音提示操作。

(11)急停與清場設(shè)備

隧道內(nèi)有緊急停機(jī)按鈕、搜索清場按鈕和語音提示裝置；隧道內(nèi)被困人員可以按下緊急停機(jī)按鈕停掉加速器束流；搜索清場按鈕是用于加速器開機(jī)前的逐點(diǎn)清場；語音提示裝置在搜索清場時(shí)和加速器開機(jī)前會(huì)進(jìn)行語音播報(bào)。

(12)攝像機(jī)

每個(gè)聯(lián)鎖門都配備了一臺攝像機(jī)，用于監(jiān)測人員出入和設(shè)備使用情況。在人員執(zhí)行刷卡、取鑰匙動(dòng)作時(shí)，聯(lián)鎖門禁系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)抓拍和錄像。所有錄像保存一個(gè)月，以備查詢。

(13)服務(wù)器工作站

CSNS中央控制室設(shè)置有輻射防護(hù)控制臺，聯(lián)鎖門禁系統(tǒng)的發(fā)卡授權(quán)、視頻監(jiān)控、記錄查詢以及值班等工作在控制臺?？刂剖遗赃呍O(shè)有機(jī)柜房，門禁控制系統(tǒng)服務(wù)器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)工作站、綜合管理工作站等設(shè)備安裝在機(jī)柜房專用機(jī)柜內(nèi)。門禁控制系統(tǒng)服務(wù)器為一主一備，備用服務(wù)器通過心跳信號(主用服務(wù)器每隔固定時(shí)間向備用服務(wù)器發(fā)送一個(gè)小數(shù)據(jù)包，備用服務(wù)器在設(shè)定時(shí)間內(nèi)未成功收到來自主用服務(wù)器的數(shù)據(jù)包，則認(rèn)為主用服務(wù)器故障)判斷主用服務(wù)器是否正常，在主用服務(wù)器故障時(shí)，備用服務(wù)器自動(dòng)切換為主用。

3 工作流程

散裂中子源控制區(qū)的聯(lián)鎖門統(tǒng)計(jì)見表1，按照材質(zhì)可以將聯(lián)鎖門分為帶鋼化玻璃的不銹鋼密閉門和鐵板內(nèi)含混凝土的防護(hù)門，為簡便起見，后文簡稱為玻璃門和防護(hù)門。

表1 聯(lián)鎖門統(tǒng)計(jì)表Table 1 Interlocking door statistics table

注：由于篇幅限制，表中只列舉了部分有代表性的區(qū)域聯(lián)鎖門

玻璃門一般安裝在迷宮外，門內(nèi)為控制區(qū)，門外為監(jiān)督區(qū)。從監(jiān)督區(qū)進(jìn)入控制區(qū)時(shí)，門禁系統(tǒng)將執(zhí)行如圖4(a)所示的控制流程。門禁卡分為有高權(quán)限的巡更卡和普通權(quán)限的工作卡，巡更卡只發(fā)放給有巡更權(quán)限的值班人員，可以在控制區(qū)“限制進(jìn)入”模式和“控制進(jìn)入”模式下使用；工作卡發(fā)放給安全管理部門批準(zhǔn)授權(quán)的放射性工作人員，只能在“控制進(jìn)入”模式下使用。進(jìn)入控制區(qū)時(shí)，必須攜帶個(gè)人劑量卡和安全聯(lián)鎖鑰匙，個(gè)人劑量未超標(biāo)和按照要求取下一把安全聯(lián)鎖鑰匙是門禁系統(tǒng)開門的必要條件。工作人員離開輻射工作場所控制區(qū)的門禁控制流程如圖4(b)所示，即有效的授權(quán)卡均可直接刷卡開門。

圖4 輻射工作場所控制區(qū)進(jìn)出門控制流程Fig.4 Entrance and exit process of the radiation control area

聯(lián)鎖門的內(nèi)部和外部均配置有玻璃破碎開門按鈕，緊急情況發(fā)生時(shí)，可以按碎玻璃，斷開門鎖電源，強(qiáng)制開門。

防護(hù)門一般安裝在迷宮與隧道的連接處，防護(hù)門內(nèi)側(cè)是加速器隧道，防護(hù)門外側(cè)是迷宮，加速器隧道與迷宮為同一控制區(qū)，因此，防護(hù)門門禁一般不判斷刷卡人員攜帶的個(gè)人防護(hù)設(shè)備，只判斷門禁卡是否有對應(yīng)管制模式的授權(quán)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

聯(lián)鎖門禁系統(tǒng)的核心內(nèi)容是聯(lián)鎖控制邏輯和門禁控制程序，控制邏輯中最重要的部分是控制區(qū)的狀態(tài)管制程序，如圖5所示，系統(tǒng)根據(jù)加速器狀態(tài)、搜索清場狀態(tài)和緊急停機(jī)按鈕、聯(lián)鎖門磁狀態(tài)等信號綜合判斷控制區(qū)安全狀態(tài)，輸出管制模式 (1)禁止進(jìn)入：禁止所有人員進(jìn)入控制區(qū)；(2)限制進(jìn)入：僅允許持巡更卡人員進(jìn)入；(3)控制進(jìn)入：允許持巡更卡或工作卡人員進(jìn)入。

圖5 控制區(qū)管制模式轉(zhuǎn)換關(guān)系圖Fig.5 State transition diagram of access states

聯(lián)鎖控制程序使用橫河(YOKOGAWA)FA-M3順控PLC編寫，該系列的PLC在日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)(KEK)、上海光源(SSRF)和散裂中子源等項(xiàng)目中有很多成功的應(yīng)用[14]。

PLC聯(lián)鎖控制程序輸出的信號通過定制的PLC信號采集模塊輸入現(xiàn)場門禁控制器，現(xiàn)場門禁控制器中寫入門禁控制程序。這樣做的好處是，即使上層網(wǎng)絡(luò)通訊出現(xiàn)問題，現(xiàn)場設(shè)備也不會(huì)受到影響，可以保證人員的正常出入。圖6為散裂中子源控制區(qū)入口的一個(gè)聯(lián)鎖門。

圖6 控制區(qū)聯(lián)鎖門實(shí)物圖Fig.6 The interlocking door picture

5 結(jié)束語

聯(lián)鎖門禁系統(tǒng)是CSNS輻射防護(hù)設(shè)施的重要部分，擔(dān)負(fù)著保障人員安全進(jìn)出控制區(qū)的重要責(zé)任，根據(jù)“三同時(shí)”制度，加速器的輻射防護(hù)設(shè)施，必須與主體工程同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)投入生產(chǎn)和使用[15]。

CSNS的建設(shè)和調(diào)試是分段進(jìn)行的，按照工程進(jìn)展，2014年12月，聯(lián)鎖門禁系統(tǒng)直線隧道段投入試運(yùn)行；2016年12月，環(huán)隧道段投入試運(yùn)行；2017年7月，靶站譜儀段投入試運(yùn)行。在試運(yùn)行期間，除去檢修升級時(shí)間，系統(tǒng)保持24小時(shí)運(yùn)行，到目前為止，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

2017年8月28日，散裂中子源首次打靶成功，獲得中子束流。在此期間，聯(lián)鎖門禁系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，有效保證了加速器和靶站譜儀的調(diào)試時(shí)間，保障了工作人員的人身安全。

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