車輛檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試倉(cāng)庫(kù)的安全聯(lián)鎖控制設(shè)計(jì)

閆 平，趙 瀟，張國(guó)光

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引言

某檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)用于進(jìn)行移動(dòng)式車輛檢查系統(tǒng)的測(cè)試。因?yàn)槭且苿?dòng)式系統(tǒng)，因此采用電子感應(yīng)加速器作為發(fā)射源，其在檢測(cè)的過(guò)程中會(huì)發(fā)射2～7.5 MeV的高能射線。由于電子加速器在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的射線輻射，為避免在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有其他無(wú)關(guān)人員誤入而對(duì)其人身安全造成傷害，因此依照我國(guó)輻射安全的相關(guān)條例與規(guī)范[1]，需要設(shè)計(jì)一套穩(wěn)定可靠的安全聯(lián)鎖自檢系統(tǒng)。

PLC能快速響應(yīng)各指標(biāo)反饋，且抗干擾能力強(qiáng)，具有安全穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此整個(gè)系統(tǒng)圍繞PLC為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)中采用PLC作為主控制器，實(shí)現(xiàn)門機(jī)聯(lián)鎖、劑量檢測(cè)設(shè)備聯(lián)鎖，還包括聲光報(bào)警系統(tǒng)以及緊急逃逸系統(tǒng)[2]。

如圖1所示，該檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)的東側(cè)是自帶屏蔽的墻壁。西側(cè)的墻壁是辦公室與測(cè)試倉(cāng)庫(kù)共同使用。在此設(shè)計(jì)中，除了移動(dòng)式車輛檢測(cè)的操作間之外，測(cè)試倉(cāng)庫(kù)的其他所有區(qū)域視為整體控制區(qū)，在控制區(qū)的東西側(cè)分別有一個(gè)出入口。東出入口為運(yùn)輸設(shè)備出口，西出入口為日常辦公實(shí)驗(yàn)人員出入通道。移動(dòng)式車輛停泊位置如圖所示。測(cè)試場(chǎng)地在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生以下安全隱患：實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地東西兩側(cè)的門沒(méi)有關(guān)閉前即開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，可能造成外部人員誤入而受到輻射；在出束前測(cè)試倉(cāng)庫(kù)中未清理實(shí)驗(yàn)無(wú)關(guān)人員，在出束時(shí)會(huì)對(duì)其造成輻射傷害；由于出束方向是由西向東發(fā)射，若西側(cè)屏蔽防護(hù)出現(xiàn)問(wèn)題造成射線泄漏，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的人身安全造成威脅等其他安全隱患。總之，該安全聯(lián)鎖裝置的目的為杜絕所有會(huì)對(duì)人身安全造成威脅的隱患，避免造成重大的輻射事故[3]。

圖1 特定庫(kù)檢測(cè)大廳平面圖

圖2 聯(lián)鎖系統(tǒng)流程圖

1 聯(lián)鎖系統(tǒng)控制電路構(gòu)成

聯(lián)鎖系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：巡更聯(lián)鎖系統(tǒng)、劑量聯(lián)鎖系統(tǒng)以及門聯(lián)鎖系統(tǒng)。如圖2所示，流程主要分為3個(gè)階段：（1）自然狀態(tài)，此時(shí)所有巡更點(diǎn)的指示燈熄滅，門吸斷電處于開(kāi)放狀態(tài)，警示燈全部處于熄滅狀態(tài)，所有允許出束的開(kāi)關(guān)均處于關(guān)閉狀態(tài)；（2）清場(chǎng)狀態(tài)，當(dāng)按下巡更點(diǎn)1時(shí)進(jìn)入此狀態(tài)，在此狀態(tài)時(shí)，準(zhǔn)備出束的燈亮起，所用巡更點(diǎn)的蜂鳴器響起，門吸上電，可通過(guò)門禁開(kāi)關(guān)從西側(cè)門進(jìn)出，待巡檢人員依次點(diǎn)亮巡更點(diǎn)，當(dāng)全部點(diǎn)亮后，等待準(zhǔn)備出束；（3）出束狀態(tài)，此時(shí)正在出束的紅色指示燈亮起，門吸上電，外界及控制區(qū)內(nèi)的操作人員無(wú)法通過(guò)門禁開(kāi)關(guān)將門打開(kāi)，允許出束的開(kāi)關(guān)均處于開(kāi)啟狀態(tài)，待試驗(yàn)結(jié)束，停止出束，結(jié)束出束狀態(tài)。

如圖3所示，根據(jù)測(cè)試倉(cāng)庫(kù)的空間位置，對(duì)其設(shè)計(jì)了4個(gè)巡更點(diǎn)，保證巡視時(shí)沒(méi)有死角，每個(gè)巡更點(diǎn)配置1個(gè)巡更顯示燈，1個(gè)巡更按鈕，1個(gè)急停按鈕及1個(gè)蜂鳴器。巡檢人員需從巡更點(diǎn)1開(kāi)始按下按鈕，并依此點(diǎn)亮巡更點(diǎn)2、3、4，當(dāng)按下巡更4的按鈕后，蜂鳴器停止響鈴，進(jìn)入準(zhǔn)備出束狀態(tài)。在出束狀態(tài)下，按下任意巡更點(diǎn)急停按鈕，則停止出束。在停止出束后，西側(cè)的門磁會(huì)打開(kāi)，滯留人員通過(guò)此門離開(kāi)測(cè)試倉(cāng)庫(kù)。

圖3 特定庫(kù)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)分布圖

劑量聯(lián)鎖包括3個(gè)檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)劑量?jī)x以及安裝在移動(dòng)式車輛檢查系統(tǒng)操作間內(nèi)的1個(gè)劑量?jī)x。其劑量?jī)x的作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)X、γ的環(huán)境劑量。如圖3所示，在檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)的3個(gè)劑量?jī)x分別安裝在西側(cè)墻壁及西北角墻壁上，其作用分別為檢測(cè)圖2中西側(cè)的兩個(gè)辦公室附近的輻射劑量以及西側(cè)電磁門口附近的環(huán)境實(shí)時(shí)劑量，操作室內(nèi)的探測(cè)儀則是實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)測(cè)試人員附近的環(huán)境劑量。當(dāng)環(huán)境劑量超過(guò)閾值劑量?jī)x開(kāi)始報(bào)警，安裝在西側(cè)墻壁的劑量?jī)x的位置即為控制區(qū)的邊界位置，它的劑量當(dāng)量率應(yīng)在2.5 μSv/h以下；操作間內(nèi)的實(shí)驗(yàn)人員的環(huán)境劑量當(dāng)量率1.0 μSv/h以下[4]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如果4個(gè)劑量?jī)x中的任何一個(gè)超過(guò)預(yù)定閾值，則出束狀態(tài)立刻停止，需要排查泄漏處才能重新開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

門聯(lián)鎖包括東側(cè)倉(cāng)庫(kù)門以及西側(cè)實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)出通道的門。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)的控制區(qū)需要門鎖及安全聯(lián)鎖裝置[5]，其目的為控制實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)無(wú)關(guān)人員的進(jìn)出，若在實(shí)驗(yàn)時(shí)有控制區(qū)之外的人員進(jìn)入，則會(huì)進(jìn)入停止出束狀態(tài)，以保證人員的相關(guān)安全，避免發(fā)生輻射事故[6]。東側(cè)的倉(cāng)庫(kù)門為平時(shí)運(yùn)輸貨物的通道，為高4 m的對(duì)扇鐵門，因此不會(huì)經(jīng)常開(kāi)啟，且在內(nèi)部將其鎖住，在鐵門兩側(cè)安裝一對(duì)紅外對(duì)射傳感器，用于檢測(cè)東門的開(kāi)閉狀態(tài)，當(dāng)鐵門遮擋紅外對(duì)射，則會(huì)出現(xiàn)開(kāi)門反饋信號(hào)，使其無(wú)法進(jìn)入出束狀態(tài)；當(dāng)出束狀態(tài)時(shí)接收到反饋信號(hào)，則立刻停止出束。

為應(yīng)對(duì)緊急情況的發(fā)生，西門配備1個(gè)急停按鈕，當(dāng)按下急停按鈕后，會(huì)停止出束狀態(tài)，門吸失電而打開(kāi)，相關(guān)人員通過(guò)西門離開(kāi)控制區(qū)。在西門外部配有2盞指示燈，分別為代表清場(chǎng)狀態(tài)的黃色指示燈以及代表正在出束的紅色指示燈。當(dāng)巡更之前上面2盞燈均不點(diǎn)亮，當(dāng)按下巡更按鈕1后，門磁加電，黃色指示燈亮起；當(dāng)開(kāi)始出束后，黃色指示燈熄滅，紅色指示燈亮起。

2 安全聯(lián)鎖系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

2.1 PLC

PLC作為控制電路中的“大腦”[7]，在控制系統(tǒng)中起著十分重要的作用，無(wú)論是巡更聯(lián)鎖、劑量聯(lián)鎖還是門聯(lián)鎖都要通過(guò)PLC發(fā)送開(kāi)關(guān)信號(hào)信號(hào)，該套安全聯(lián)鎖裝置的PLC端口設(shè)計(jì)如圖4所示，總共采用了26個(gè)輸入端口以及18個(gè)輸出端口，輸入端口主要包括巡更信號(hào)的輸入，劑量信號(hào)的輸入，東西門及操作間關(guān)門信號(hào)的輸入，各位置急停按鈕信號(hào)的輸入；輸出端口主要包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備繼電器的通斷，巡更燈的亮滅輸出及蜂鳴器輸出，東西門急停及供電的輸出，其PLC主要實(shí)現(xiàn)的作用是接收包括劑量?jī)x、門禁、巡更系統(tǒng)發(fā)送的反饋信號(hào)，并經(jīng)過(guò)處理想相應(yīng)設(shè)備輸出動(dòng)作指令。

2.2 巡更聯(lián)鎖系統(tǒng)

巡更聯(lián)鎖系統(tǒng)的控制核心器件是PLC，PLC選用的型號(hào)為三菱公司的FX3U-64MR，通過(guò)PLC控制4個(gè)巡更點(diǎn)。圖5所示為巡更點(diǎn)電路圖，指示燈及蜂鳴器供電線由直流電壓24 V供電，負(fù)極由蜂鳴器與指示燈公用，剩下兩條供電線分別對(duì)應(yīng)二者正極的直流24 V，由控制箱提供電壓。急停按鈕的信號(hào)線兩芯分別接急停的常開(kāi)與常閉信號(hào)。常開(kāi)端信號(hào)送入PLC輸入端，常閉信號(hào)與允許出束信號(hào)串聯(lián)，巡更按鈕的信號(hào)線則接入常開(kāi)端，將信號(hào)送入PLC的輸入端。當(dāng)按下巡更按鈕XG，其向PLC發(fā)出信號(hào)，再?gòu)腜LC通過(guò)XG_H及XG_FM分別向指示燈及蜂鳴器發(fā)出信號(hào)，點(diǎn)亮該巡更點(diǎn)指示燈，因?yàn)榉澍Q器的作用是讓所有控制區(qū)的人員接收到清場(chǎng)的通知，因此當(dāng)所有巡更點(diǎn)的按鈕均按下后，4個(gè)巡更點(diǎn)的蜂鳴器才停止響鈴。每個(gè)巡更點(diǎn)急停按鈕的常閉模塊進(jìn)行串聯(lián)連接，常開(kāi)模塊則并聯(lián)接入PLC中，當(dāng)按下急停按鈕時(shí)通過(guò)XGJT_NO向PLC發(fā)送信號(hào)，PLC發(fā)出停止出束指令，進(jìn)入清場(chǎng)狀態(tài)，該巡更點(diǎn)之后的巡更點(diǎn)指示燈全部熄滅，必須進(jìn)行重新巡更后才能進(jìn)入出束狀態(tài)。巡更按鍵以并聯(lián)的方式通過(guò)XG接入PLC中。

2.3 劑量聯(lián)鎖系統(tǒng)

劑量聯(lián)鎖的電路原理圖如圖6所示，劑量連鎖由劑量控制箱與劑量配電箱兩部分構(gòu)成，控制箱主要放置“硬”開(kāi)關(guān)和中間繼電器等器件，該驅(qū)動(dòng)信號(hào)不依靠PLC的邏輯運(yùn)行，直接通過(guò)器件機(jī)械方式的開(kāi)斷，這樣的好處是通斷迅速，使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔可靠，其由直流12 V直接進(jìn)行供電，配電箱主要接收中間繼電器閉合后產(chǎn)生的信號(hào)，其工作流程為K_JL為4個(gè)中間繼電器，當(dāng)劑量低于劑量閾值時(shí)信號(hào)會(huì)驅(qū)動(dòng)中間繼電器使K_JL進(jìn)行閉合，通過(guò)JL向PLC發(fā)送信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步出束，當(dāng)劑量超過(guò)閾值時(shí)，會(huì)發(fā)生報(bào)警，其產(chǎn)生的信號(hào)會(huì)驅(qū)動(dòng)中間繼電器將其斷開(kāi)，對(duì)中間繼電器的常閉觸點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)連接，然后再對(duì)包括巡更急停按鈕在內(nèi)的其他急停進(jìn)行串聯(lián)，這樣保證任何一個(gè)常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，即任意劑量?jī)x發(fā)生報(bào)警的情況下，均能停止出束狀態(tài)，保證操作人員的人身安全。同時(shí)無(wú)論在未出束狀態(tài)還是出束狀態(tài)，劑量?jī)x的通電狀態(tài)都會(huì)得到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)其信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集以確保劑量?jī)x處于監(jiān)測(cè)狀態(tài)，劑量?jī)x會(huì)實(shí)時(shí)反饋此時(shí)的環(huán)境劑量。

圖4 PLC主體設(shè)計(jì)

圖5 巡更點(diǎn)電路圖

圖6 劑量?jī)x電路圖

2.4 門聯(lián)鎖系統(tǒng)

門聯(lián)鎖主要分為兩個(gè)部分，第一部分是西側(cè)門的聯(lián)鎖，其西門及周邊器件的電路圖如圖7所示，西側(cè)安裝有清場(chǎng)指示燈和正在出束燈，其直接與市電220 V電壓連接，控制箱中分別接PLC控制輸出的中間繼電器；門禁開(kāi)關(guān)按鈕的信號(hào)線與按鈕的常開(kāi)模塊連接，接入PLC的輸入端，西門急停按鈕常開(kāi)信號(hào)輸入PLC，常閉信號(hào)與允許出束信號(hào)串聯(lián)。門磁電源由直流24 V電源提供，開(kāi)閉由PLC輸出端控制，門磁配合有門磁反饋，通過(guò)反饋檢測(cè)西側(cè)門開(kāi)閉狀態(tài)。當(dāng)按下第一個(gè)巡更按鈕后，PLC通過(guò)Y14端口向中間繼電器K5發(fā)出信號(hào)，此時(shí)中間繼電器K5的常開(kāi)觸點(diǎn)變?yōu)殚]合狀態(tài)，黃色清場(chǎng)指示燈點(diǎn)亮，此時(shí)關(guān)門反饋信號(hào)通過(guò)LCK_W_FB輸入PLC中的X20端口，再?gòu)腨20端口輸出，通過(guò)LCK_W為西側(cè)門吸供電提供信號(hào)，該反饋信號(hào)與急停按鈕信號(hào)串聯(lián)，反饋信號(hào)是一個(gè)常閉信號(hào)，當(dāng)出束時(shí)西門被打開(kāi)，常閉信號(hào)變?yōu)閿嚅_(kāi)狀態(tài)，出束狀態(tài)被終止。

圖7 西側(cè)門禁電路圖

第二部分是東側(cè)門的聯(lián)鎖，因東側(cè)門是貨物運(yùn)輸通道，不經(jīng)常打開(kāi)，是一扇高4 m的對(duì)扇鐵門，因此采用一對(duì)紅外對(duì)射傳感器檢測(cè)東門的開(kāi)閉狀態(tài)。該紅外感應(yīng)器由直流電源24 V直接提供，并引入PLC的輸入端以檢測(cè)紅外對(duì)射是否正常工作；紅外對(duì)射的信號(hào)線作為開(kāi)關(guān)門的反饋信號(hào)經(jīng)變換接入PLC的輸入端；東門還配有一套急停按鈕，其中輸入端接入到PLC中，常閉信號(hào)與允許出束信號(hào)串聯(lián)。東門門禁電路圖如圖8所示，從圖中可以看出東門急停的常閉模塊與西門的急停開(kāi)關(guān)的常閉開(kāi)關(guān)串聯(lián)形成東西門門禁聯(lián)鎖，當(dāng)拍下東門急停按鈕，信號(hào)通過(guò)JT_E_NO傳入PLC中停止出束；紅外對(duì)射接收信號(hào)通過(guò)LCK_E_FB進(jìn)入PLC的X21輸入端，當(dāng)東側(cè)鐵門遮擋紅外信號(hào)，常閉信號(hào)被斷開(kāi)，PLC發(fā)射停止出束指令。

圖8 東側(cè)門禁電路圖

2.5 操作間控

操作間是整個(gè)控制區(qū)最重要的部分，其控制著加速器的出束與停止，同時(shí)由于操作人員需要長(zhǎng)時(shí)間在操作間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此做好輻射防護(hù)措施是十分重要的。操作間的控制電路設(shè)計(jì)如圖9所示，操作間門安裝有一個(gè)微觸開(kāi)關(guān)，其作為開(kāi)關(guān)信號(hào)一端接入常開(kāi)觸點(diǎn)，另一端接入PLC的輸入端；操作間還配有“清場(chǎng)完畢”及“結(jié)束出束”按鈕，當(dāng)出束進(jìn)行時(shí)，中間繼電器K6閉合，“正在出束”指示燈亮起，指示燈由直流24 V電源供電，接入PLC的輸出端口，當(dāng)出束結(jié)束時(shí)按下“停止出束”按鈕，會(huì)通過(guò)STP傳入PLC的X24輸入端，PLC的輸出端會(huì)通過(guò)Y1或者Y2將設(shè)備接觸器進(jìn)行斷電（具體關(guān)斷哪一個(gè)接觸器由實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目決定），同時(shí)Y15輸出端的K6出束繼電器斷開(kāi)以及Y21的輸出端會(huì)是K7門吸繼電器斷開(kāi)；為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)操作間劑量當(dāng)量，操作間還配有實(shí)時(shí)劑量檢測(cè)儀，其通過(guò)JL5接入PLC的輸入端X31，報(bào)警開(kāi)關(guān)信號(hào)接入輸出端；操作間還配有電子感應(yīng)加速器允許出束信號(hào)線，其一端接入電源箱門控信號(hào)端，另一端接總控制箱內(nèi)“允許出束”的中間繼電器。

圖9 操作間電路圖

2.6 聯(lián)鎖系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行

以上電路設(shè)計(jì)完成后，由工作人員對(duì)總控制機(jī)柜、4個(gè)巡更箱、西門門吸、東門紅外線對(duì)射以及劑量?jī)x進(jìn)行制作及安裝，并對(duì)所有電路邏輯進(jìn)行通斷測(cè)試，對(duì)PLC的輸入及輸出逐個(gè)進(jìn)行調(diào)試確保PLC的指令能正常工作。施工完成后，對(duì)可能出現(xiàn)的如劑量超標(biāo)、實(shí)驗(yàn)中途東西門鎖被打開(kāi)、實(shí)驗(yàn)中途有滯留人員在試驗(yàn)區(qū)等情況進(jìn)行了模擬，并對(duì)所有位置的急停按鈕進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)調(diào)試，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)安全可靠，符合設(shè)計(jì)要求。目前系統(tǒng)已通過(guò)相關(guān)安檢部門驗(yàn)收，后續(xù)運(yùn)行無(wú)系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤及硬件掉電動(dòng)作的發(fā)生，有效地保障了實(shí)驗(yàn)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)實(shí)驗(yàn)人員的人身安全及其他工作人員的安全。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)某檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及相關(guān)設(shè)施的特性，綜合在過(guò)去實(shí)驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的安全隱患，設(shè)計(jì)了全新的車輛檢查系統(tǒng)測(cè)試倉(cāng)庫(kù)的安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)各角落巡更系統(tǒng)、劑量檢測(cè)及門聯(lián)鎖的設(shè)計(jì)，能夠切實(shí)杜絕輻射安全事故的發(fā)生，該安全聯(lián)鎖系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)[8]，最大限度地保護(hù)了相關(guān)人員的安全，提高了實(shí)驗(yàn)倉(cāng)庫(kù)的安全性。