基于可編程邏輯控制的東華加速器輻射監(jiān)測安全聯(lián)鎖門禁初步設(shè)計*

張 斌，晏 婷，劉 琦

（1.東華理工大學(xué)，核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心/江西省新能源工藝與裝備工程技術(shù)研究中心/機械與電子工程學(xué)院，南昌 330013；2.中廣核貝谷科技股份有限公司，南昌 330013）

0 引言

東華加速器中子源（East China Accelerator and Neutron Source，ECANS）是東華理工大學(xué)擬建設(shè)的大型科技基礎(chǔ)設(shè)施，該裝置利用電子加速器產(chǎn)生電子、X/γ 和中子等多種射線，在核能開發(fā)、材料研制、生物制藥、深空探測、地質(zhì)找礦等國防科技工業(yè)和地方經(jīng)濟建設(shè)中具有廣泛的用途。該科學(xué)裝置將電子束從電子槍注入到加速管中，經(jīng)第一級加速，電子能量達到10 MeV，該束流可偏轉(zhuǎn)引出用于輻照；再經(jīng)第二、第三級加速后得到能量35 MeV、束流強度2 mA、功率70 kW 的中高能電子束，打靶后產(chǎn)生中子和X/γ 射線。

由于加速器運行時束流與物質(zhì)相互作用會產(chǎn)生瞬發(fā)輻射，而由活化產(chǎn)生的剩余輻射在停束后仍然存在[1-2]。這些輻射都會對工作人員、公眾及環(huán)境造成潛在的輻射危害；如果人員誤入劑量超標的輻射區(qū)域，或開機前誤留在控制區(qū)內(nèi)，會引起輻射照射事故。為避免人員誤入或誤留高輻射區(qū)域，同時提高工作人員作業(yè)效率以及門禁安全性，基于可編程邏輯控制PLC技術(shù)和模塊化方法，設(shè)計一套可靠性和穩(wěn)定性高、安全性好，具有一定可擴展性的輻射安全聯(lián)鎖門禁方案，對輻射區(qū)域的輻射劑量進行監(jiān)測，同時對門禁進行管制，為工作人員和加速器裝置的安全提供可靠保障。

國內(nèi)外大型加速器的建筑結(jié)構(gòu)、使用方式和具體功能各不相同，因此其輻射安全門禁的設(shè)計建造也沒有統(tǒng)一的標準[3]。如采用繼電器技術(shù)設(shè)計建設(shè)輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的同步輻射實驗室（NSRL）[4]；基于PLC 技術(shù)和高安全門禁控制器建造輻射安全聯(lián)鎖門禁系統(tǒng)的中國散裂中子源（CSNS）[5]；結(jié)合PLC 和數(shù)字化技術(shù)設(shè)計建設(shè)輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的北京正負電子對撞機（BEPC）及其升級改造項目（BEPC－II），具有“零計數(shù)聯(lián)鎖”、“個人劑量聯(lián)鎖”等功能[6]；結(jié)合PLC技術(shù)和EPICS軟件開發(fā)平臺的高能同步輻射光源（HEPS），具有遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲管理功能[7]。

大科學(xué)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，科學(xué)目標的實現(xiàn)依賴于各子系統(tǒng)的高質(zhì)量協(xié)作，還要考慮系統(tǒng)規(guī)劃和冗余設(shè)計，采用可編程邏輯控制器PLC 技術(shù)，可以實現(xiàn)安全可靠的輻射監(jiān)測防護，靈活穩(wěn)定的安全聯(lián)鎖門禁，抗干擾和擴展性好，穩(wěn)定性強。

因東華加速器仍在建設(shè)中，本文將實物測試安排在某MIB 7.5-300 小型電子感應(yīng)加速器運行場所進行，通過模擬X、γ 輻射劑量監(jiān)測和安全聯(lián)鎖門禁實驗，驗證方案的準確性和有效性，從而為東華加速器輻射安全聯(lián)鎖門禁的深入研究和應(yīng)用提供方法基礎(chǔ)和技術(shù)保障。

1 輻射安全聯(lián)鎖門禁設(shè)計

設(shè)計擬采用可編程邏輯控制器PLC 技術(shù)結(jié)合傳感器技術(shù)，從輻射監(jiān)測防護和安全聯(lián)鎖門禁兩個方面進行研究。根據(jù)東華加速器建筑結(jié)構(gòu)、實驗區(qū)域設(shè)置和工作方式，確定輻射區(qū)域，以及門禁架構(gòu)組成和工作流程，設(shè)計聯(lián)鎖控制邏輯和門禁控制策略，并對輻射安全聯(lián)鎖門禁進行穩(wěn)定性測試，實現(xiàn)安全可靠的輻射監(jiān)測防護，靈活穩(wěn)定的安全聯(lián)鎖門禁。圖1 所示為輻射安全聯(lián)鎖門禁總體架構(gòu)。

圖1 輻射安全聯(lián)鎖門禁總體架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)及組成

區(qū)域輻射劑量監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。主要由輻射劑量監(jiān)測單元、劑量超標報警單元、安全聯(lián)鎖門禁裝置、PLC 控制中心、控制計算機和數(shù)據(jù)服務(wù)器等組成。其中輻射劑量監(jiān)測單元設(shè)置在各個監(jiān)測點上，主要由多路電源模塊、高壓電源模塊、探測器模塊、信號調(diào)理模塊、微控制器模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊等組成，負責(zé)輻射信號的采集、處理及通訊，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。劑量超標報警單元跟隨輻射劑量監(jiān)測單元設(shè)置，劑量監(jiān)測數(shù)據(jù)一旦超過設(shè)定閾值就進行報警，同時發(fā)送報警信號到PLC 控制中心，通過PLC 控制安全聯(lián)鎖門禁裝置來實現(xiàn)劑量聯(lián)鎖門禁的功能；網(wǎng)絡(luò)交換機負責(zé)傳送數(shù)據(jù)；控制計算機上安裝有劑量監(jiān)測軟件，對各監(jiān)測點輻射劑量值實時顯示。

圖2 區(qū)域輻射劑量監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 劑量監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)加速器安全聯(lián)鎖門禁對清場、急停、聲光報警、人員出入控制等功能的要求，安全聯(lián)鎖門禁主要包括搜索清場裝置、急停裝置、聯(lián)鎖裝置、警示裝置、PLC 控制中心、控制計算機和數(shù)據(jù)服務(wù)器等[8-9]?？刂朴嬎銠C上實時顯示安全聯(lián)鎖門禁各裝置狀態(tài)，通過PLC 的控制對這些設(shè)備或信號進行聯(lián)鎖。其結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 安全聯(lián)鎖門禁結(jié)構(gòu)示意圖

（1）搜索清場裝置設(shè)置在聯(lián)鎖門醒目位置，包括搜索清場按鈕和警鈴，加速器開機前需按下搜索清場按鈕進行搜索清場，此時警鈴報警提醒控制區(qū)內(nèi)滯留人員離場，搜索人員進入控制區(qū)再次檢查是否有滯留人員，同時判斷控制區(qū)是否滿足開機條件。

（2）急停裝置設(shè)置在控制區(qū)及控制室內(nèi)醒目位置，包括緊急停機按鈕和開門按鈕，加速器運行故障或異常開機時可抬起緊急停機按鈕切斷加速器的運行，緊急情況下可按下開門按鈕打開聯(lián)鎖門。排除故障或異常后，需要人為恢復(fù)緊急停機按鈕的初始按下狀態(tài)，加速器才能再次被啟動。

（3）聯(lián)鎖裝置主要包括門禁控制組件、監(jiān)控攝像設(shè)備、聯(lián)鎖門鑰匙及劑量聯(lián)鎖單元等。門禁控制組件主要對聯(lián)鎖門進行控制和管理；監(jiān)控攝像設(shè)備主要采集人員信息并與數(shù)據(jù)庫信息比對進行身份智能識別；聯(lián)鎖門鑰匙[10]是一種置換型鑰匙，只對搜索清場人員、作業(yè)人員及維護人員等相關(guān)授權(quán)人員釋放，實現(xiàn)有人員滯留控制區(qū)時無法開啟加速器，加速器開啟時人員無法進入控制區(qū)的功能，保障人員安全的同時，方便其開展工作；劑量聯(lián)鎖單元包括現(xiàn)場劑量和個人劑量，現(xiàn)場劑量由輻射劑量監(jiān)測單元采集控制區(qū)內(nèi)各監(jiān)測點輻射劑量信號，該信號與聯(lián)鎖門和急停裝置聯(lián)鎖，聯(lián)鎖門在控制區(qū)內(nèi)輻射劑量超標時無法開啟，急停裝置在發(fā)生誤照時及時切斷加速器的運行；個人劑量由工作人員的個人劑量計數(shù)據(jù)提供，該數(shù)據(jù)與聯(lián)鎖門聯(lián)鎖，當(dāng)工作人員的受照劑量超過年劑量限值將會被禁止進入輻射區(qū)域。

（4）警示裝置主要設(shè)置在控制區(qū)內(nèi)、聯(lián)鎖門上方以及控制室中，包括加速器故障指示燈和運行狀態(tài)指示燈，便于工作人員了解加速器運行情況。

1.2 工作流程

輻射安全聯(lián)鎖門禁的工作流程如圖5 所示。在正常情況下，加速器開機時，相關(guān)工作人員轉(zhuǎn)動控制室聯(lián)鎖門總鑰匙，給系統(tǒng)上電，預(yù)熱10 s，此時加速器運行狀態(tài)指示燈亮綠燈；預(yù)熱結(jié)束后系統(tǒng)進入準備就緒狀態(tài)，此時加速器運行狀態(tài)指示燈轉(zhuǎn)橙燈；之后工作人員按下搜索清場按鈕，此時警鈴進行離場報警，同時監(jiān)控攝像設(shè)備識別工作人員身份，若為搜索清場的相關(guān)授權(quán)人員，鑰匙交換盤則釋放聯(lián)鎖門鑰匙，工作人員取下聯(lián)鎖門鑰匙后，聯(lián)鎖門開啟，搜索清場人員進入控制區(qū)搜索是否仍有人員未離場，同時檢查當(dāng)前區(qū)域是否滿足加速器開機條件，如緊急停機按鈕是否復(fù)位等；清場結(jié)束后，歸還聯(lián)鎖門鑰匙，聯(lián)鎖門關(guān)閉，離場報警結(jié)束，聯(lián)鎖建立，加速器給出準備出束信號，等待系統(tǒng)出束，此時加速器運行狀態(tài)指示燈橙燈閃爍，成功出束加速器運行狀態(tài)指示燈轉(zhuǎn)紅燈；加速器停機時，運行狀態(tài)指示燈紅燈熄滅。加速器運行期間，禁止任何人進入，且一旦發(fā)現(xiàn)急?；蚬收闲盘柕?，立即切斷加速器的運行，故障排除后可重新進入準備就緒狀態(tài)。等待控制區(qū)內(nèi)劑量衰減至安全范圍，工作人員方可進入控制區(qū)作業(yè)。

圖5 安全聯(lián)鎖門禁工作流程

1.3 聯(lián)鎖控制邏輯

當(dāng)聯(lián)鎖信號到來時，各裝置根據(jù)聯(lián)鎖邏輯執(zhí)行聯(lián)鎖動作，以此來保障加速器運行時工作人員的人身安全。安全聯(lián)鎖門禁的聯(lián)鎖邏輯關(guān)系如圖6 所示。其中，緊急停機按鈕和搜索清場按鈕為總體級聯(lián)鎖，具有最高的優(yōu)先權(quán)和地位[11]。

圖6 安全聯(lián)鎖門禁的聯(lián)鎖邏輯關(guān)系

1.3.1 門禁通行模式

根據(jù)加速器運行狀態(tài)和輻射區(qū)域內(nèi)劑量實時監(jiān)測值設(shè)定以下3 種門禁通行模式。（1）禁止進入：加速器開機狀態(tài)下和控制區(qū)內(nèi)劑量實時監(jiān)測值超過安全閾值情況下，任何人不允許進入控制區(qū)內(nèi)，聯(lián)鎖門一直處于關(guān)閉狀態(tài)；（2）限制進入：加速器開機前，工作人員經(jīng)身份識別為搜索清場人員后可持聯(lián)鎖門鑰匙I 進入控制區(qū)搜索清場；（3）控制進入：加速器處于停機狀態(tài)且控制區(qū)內(nèi)劑量衰減至安全范圍內(nèi)時，工作人員經(jīng)身份識別為作業(yè)人員后可持相應(yīng)聯(lián)鎖門鑰匙1、2、II、III…進入控制區(qū)內(nèi)作業(yè)。在正常情況下，以上3 種門禁通行模式中，聯(lián)鎖門鑰匙I、II、III…取下后，聯(lián)鎖門一直處于開啟狀態(tài)，聯(lián)鎖門鑰匙I、II、III…歸位后聯(lián)鎖門才會關(guān)閉，聯(lián)鎖門鑰匙1、2…取下后，聯(lián)鎖門開啟，延遲不同時間后自動關(guān)閉，按下控制區(qū)內(nèi)的開門按鈕可打開聯(lián)鎖門，聯(lián)鎖門鑰匙1、2…歸位后聯(lián)鎖門才會關(guān)閉。各門禁通行模式下聯(lián)鎖門和聯(lián)鎖門鑰匙狀態(tài)如圖7所示。

圖7 各門禁通行模式下聯(lián)鎖門和聯(lián)鎖門鑰匙狀態(tài)

1.3.2 基于身份智能識別的門禁控制策略

基于身份智能識別的方式[12-13]，對照工作人員在數(shù)據(jù)庫中存儲的信息，從而獲取該工作人員對應(yīng)的工作類別，根據(jù)其工作內(nèi)容輸出對應(yīng)的門禁通行模式，針對不同工作類別的人員，在滿足其作業(yè)要求的前提下，定制門禁開關(guān)門時間，進而提高工作效率和保障人員安全。

基于身份智能識別方式的門禁控制策略為：（1）對于搜索清場人員，采取允許取下聯(lián)鎖門鑰匙I，開啟聯(lián)鎖門后不關(guān)門，歸還聯(lián)鎖門鑰匙I 后關(guān)門策略，方便人員快速離場；（2）對于作業(yè)人員，因不同工種其作業(yè)需求不同，采取不同策略。如對于給設(shè)備定期維護的維護人員，允許其取下聯(lián)鎖門鑰匙1，開啟聯(lián)鎖門后，根據(jù)工作類別信息與數(shù)據(jù)庫信息的比對結(jié)果，對聯(lián)鎖門發(fā)送延遲相應(yīng)時間后自動關(guān)閉的命令（如短期維護人員相對于長期維護人員維護頻率更高，只需配帶少量維護工具，通過聯(lián)鎖門更快，聯(lián)鎖門延遲時間比長期維護人員短），按下控制區(qū)內(nèi)的開門按鈕可打開聯(lián)鎖門，歸還聯(lián)鎖門鑰匙1 后聯(lián)鎖門關(guān)閉；（3）對于任何工作人員在作業(yè)中發(fā)生誤照或加速器異常開機等情況，采取緊急通行策略，控制區(qū)內(nèi)人員抬起緊急停機按鈕切斷加速器運行，按下開門按鈕打開聯(lián)鎖門，無需歸還聯(lián)鎖門鑰匙聯(lián)鎖門延遲一段時間即自動關(guān)閉，排除故障或異常后，人為恢復(fù)緊急停機按鈕的初始按下狀態(tài)，此前需歸還聯(lián)鎖門鑰匙，加速器才能再次被啟動。

對人員進行身份智能識別時，通過監(jiān)控攝像設(shè)備獲取人員的視頻數(shù)據(jù)，截取其中一幅或多幅靜態(tài)圖像，基于訓(xùn)練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取圖像中的生物特征，得到人員的面部特征、體態(tài)特征和步態(tài)特征，與數(shù)據(jù)庫中的信息進行比對，確定人員的身份信息，以調(diào)取數(shù)據(jù)庫中存儲的工作類別信息，從而確定門禁控制策略，主要由信息獲取模塊、綜合特征確認模塊、身份信息判斷模型獲取模塊、身份信息判斷模塊和門禁控制策略確定模塊5 部分實現(xiàn)。身份智能識別的實現(xiàn)如圖8所示。

圖8 身份智能識別的實現(xiàn)

首先，信息獲取模塊獲取人員的面部信息、體態(tài)信息和步態(tài)信息，基于訓(xùn)練好的特征提取模型，綜合特征確認模塊對獲取到的人員信息進行特征提取和特征融合，以確定人員的綜合特征；然后，身份信息判斷模型獲取模塊對人員生物特征及其對應(yīng)身份信息的樣本類型進行標記，基于訓(xùn)練樣本及標記的樣本類型訓(xùn)練身份信息判斷模型，將獲取的綜合特征輸入身份信息判斷模型，輸出人員身份信息判定結(jié)果，由身份信息判斷模塊判斷人員的身份信息，將身份信息與數(shù)據(jù)庫中存儲的信息比對，獲取人員的工作類別。最后，基于人員的工作類別，由門禁控制策略確定模塊確定對應(yīng)的門禁控制策略。

2 實驗及測試

MIB7.5-300 小型電子感應(yīng)加速器輸出X 射線能量范圍為2.5～7.5 MeV，加速器能量小于10 MeV，不產(chǎn)生中子劑量，需對X、γ劑量進行監(jiān)測[14]。

實驗中，分別設(shè)置加速器背部、屏蔽房內(nèi)門口、屏蔽房外門口、屏蔽房過道、控制室內(nèi)為監(jiān)測點，如圖9所示。輻射劑量監(jiān)測系統(tǒng)使用Python 語言在PyQt 上開發(fā)上位機，以STM32F103C8T6 為核心控制器芯片，選用內(nèi)置塑料閃爍體晶體探測器的BG9830PG-03 型X、γ 輻射探測器采集輻射信號，其能量測量范圍30 KeV～10 MeV，劑量率測量范圍0.01 μSv/h～100 mSv/h，設(shè)置每個監(jiān)測點的超限劑量，劑量超限報警。信號經(jīng)放大、AD轉(zhuǎn)換后，由工作在TCP SERVER 模式下的TCP232-S2 數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸給網(wǎng)絡(luò)交換機，最后傳輸?shù)缴衔粰C顯示實時劑量以及統(tǒng)計劑量。上位機監(jiān)測界面如圖10 所示。加速器從開機到關(guān)機狀態(tài)轉(zhuǎn)換下[15]，上位機監(jiān)測到的各監(jiān)測點X、γ劑量數(shù)據(jù)如表1所示。

圖9 監(jiān)測布點

圖10 輻射劑量監(jiān)測系統(tǒng)上位機

表1 在MIB 7.5 - 300 小型電子感應(yīng)加速器開關(guān)機狀態(tài)下上位機監(jiān)測到的劑量值統(tǒng)計

根據(jù)東華加速器工程建設(shè)內(nèi)容，需要進行輻射防護的場所是電子直線加速器設(shè)備間、靶室、高/低能電子束實驗設(shè)備間、中子計量廳、測井和輻照室，根據(jù)用途和間隔將工作場所劃分為監(jiān)督區(qū)和控制區(qū)，監(jiān)督區(qū)在裝置運行期間可以有人員進入，控制區(qū)在裝置運行期間禁止人員進入。采用FLUKA 蒙特卡洛程序?qū)Σ煌瑥d分別建模，計算得到廳內(nèi)及其墻外周圍劑量當(dāng)量率以及有效劑量率。γ能量在10 MeV 以下時，通常周圍劑量當(dāng)量要比有效劑量大，可以作為有效劑量的保守估算量使用，而γ能量在10 MeV 以上時，周圍劑量當(dāng)量一般比有效劑量小，因此在二者不一致的情況下取其大者作為有效劑量率的參考值[16]。各廳及其監(jiān)督區(qū)內(nèi)墻體的最高劑量率如表2所示。

表2 東華加速器各廳及其監(jiān)督區(qū)內(nèi)墻體的最高劑量率

由表1和表2數(shù)據(jù)可知，該輻射劑量監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到小型電子感應(yīng)加速器運行環(huán)境下X、γ 劑量0.02～142.0 μSv/h，而由FLUKA 蒙特卡洛程序模擬的東華加速器不同廳內(nèi)及其墻外一定范圍內(nèi)的最高劑量率在0.1～25.1 μSv/h 范圍內(nèi)，說明該輻射劑量監(jiān)測系統(tǒng)可用于東華加速器運行場所中。

在安全聯(lián)鎖門禁測試中，聯(lián)鎖控制器選用西門子S7-300 系列PLC，西門子PLC 相對于其他控制器來說具有更高的穩(wěn)定性以及更強的抗干擾能力。采用的PLC 模塊有CPU、電源模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、導(dǎo)軌、前連接器及編程電纜。邏輯程序在西門子博途（TIA Portal）V15.1中用LAD 語言進行編寫，主程序模塊有搜索清場、聯(lián)鎖建立、異常急停及報警4個FC功能模塊。輻射安全聯(lián)鎖門禁界面在HMI控制面板中設(shè)計并仿真，監(jiān)測界面如圖11所示。

圖11 輻射安全聯(lián)鎖門禁監(jiān)測界面

3 結(jié)束語

基于可編程邏輯控制的東華加速器輻射監(jiān)測安全聯(lián)鎖門禁初步設(shè)計方案，在小型電子感應(yīng)加速器運行場所中完成了X、γ 輻射劑量監(jiān)測和安全聯(lián)鎖門禁的測試實驗，驗證了設(shè)計方案的有效性和可行性?；谏矸葜悄茏R別的門禁控制策略，工作人員在出入聯(lián)鎖門時無需佩戴門禁卡，進而避免弄丟或忘帶門禁卡等情況發(fā)生，在保障人員安全的同時，提高了工作人員的作業(yè)效率。該設(shè)計方案為東華加速器輻射安全聯(lián)鎖門禁的研究和應(yīng)用提供了方法基礎(chǔ)和技術(shù)保障。