基于全集成自動化的區域γ輻射監測系統

王希濤

(中國輻射防護研究院保健物理與核安全研究所，山西 太原 030006)

0 引言

我國核軍工及核燃料循環中的區域γ輻射監測系統普遍存在技術陳舊、測量誤差大、量程窄、壽命短，以及多數信號仍然是模擬量傳輸、線纜布設繁雜等問題;而目前市場上的區域γ輻射監測系統在容錯性、可靠性、可維護性和遠距離數據傳輸等方面，往往能力不足，特別是系統大多獨立運行，很難與工業控制領域普遍使用的PLC、DCS接口，難以系統集成。

為有效地解決上述問題，本文提出了基于全集成自動化(totally integrated automation，TIA)的區域γ輻射監測系統。

1 總體設計

1.1 全集成自動化概述

TIA集高度的集成統一性和前所未有的開放性于一身，采用統一的編程組態環境、高度一致的數據集成和標準化的網絡體系結構，使TIA為企業實現了橫向和縱向信息集成。領先的通信標準、基于組件的自動化技術、PC自動化解決方案和IT集成，使TIA對整個自動化市場的產品和服務范圍實現了真正開放。

TIA優化了所有部件間的相互影響，可以使企業現有的潛能得到最大限度的發揮，同時也提高了組態工程師、程序員、操作員和服務人員的工作效率。TIA使所有的自動化結構(直到現場的各個部件)都是清晰和透明的，用戶能快速完成過程的優化、擴展和調整，并將生產中斷的可能性降到最低，大大提高了TIA在工廠的可用性。

1.2 系統配置及TIA模塊軟件選型

區域γ輻射監測系統分就地處理、過程控制和區域管理三級，采用10/100/1000(單位:Mbit/s)工業以太網結構。

每個區域的各個就地處理單元(local processing unit，LPU)采集并處理現場的相應γ探頭傳來的信號，通過該區域的網絡交換機實現信息共享。過程控制單元集中處理該區域的信息，操作站提供人機交互功能，中央控制室實現數據的全局管理功能［1］。TIA模塊及軟件采用德國西門子(SIMATIC)的TIA產品。

就地處理單元(LPU)采用緊湊型PLC:S7-1200。該PLC具有模塊化、結構緊湊和功能全面等特點，具有可擴展的靈活設計和符合工業通信最高標準的通信接口，以及全面的集成工藝功能。因此，它可以作為一個組件集成在完整的綜合自動化解決方案中。由于LPU所需控制點數不多，因此，S7-1200 PLC滿足系統要求，且所需空間小、性價比高。

根據I/O的多少，過程控制單元可選用小型PLC(如S7-200 CN)、中型PLC(如 S7-300)或大型PLC(如S7-400)。而軟件則選擇與PLC配套的TIA軟件，例如S7-1200選擇TIA Portal V10.5_SP2。該軟件已有簡體中文版。

系統配置如圖1所示。

圖1 系統配置Fig.1 System configuration

2 γ探頭

2.1 性能模擬與實測

γ探頭的性能是系統性能的關鍵因素，因此γ探頭性能模擬與實測是系統研制的基礎。γ探頭模擬與實測步驟如下:①按照γ探頭內的γ探測器的能量響應和多探測器組合等的MCNP4(一種“蒙特卡羅”軟件)模擬計算結果，決定γ探頭所用的理論上最佳屏蔽體組合、材質和開孔方法;②進行γ探測器的能響試驗驗證，并同步進行探測效率、測量范圍和溫度穩定性試驗;③然后比對模擬與實測結果，確保滿足系統測量要求;④最后根據試驗結果研制對應的γ探頭電路。

2.2 γ探頭電路原理

為擴寬測量范圍同時減小誤差，γ探頭電路采用兩個γ探測器:低量程段用高靈敏度γ探測器，高量程段用低靈敏度γ探測器。γ探測器與γ光子作用，產生極微弱的脈沖信號，經電荷靈敏前置放大器與主放大器兩級放大，脈沖幅度可達到預定大小;經甄別成型電路，可獲得穩定整齊的方波脈沖信號，有利于LPU處理。

γ探頭電路原理圖如圖2所示。

圖2 γ探頭電路原理圖Fig.2 Principle of γ probe’s circuit

因系統所需的量程很寬(10－6～1 Gy/h)，不同監測區域的噪聲大小差別很大，為提高測量精度，我們研制了偏置電壓設置電路和閾值設置電路。通過偏置電壓設置電路，可以調整γ探測器的反向工作電壓，從而改變γ探測效率。通過閾值設置電路，可以設定甄別成型電路的合適閾值。

為確保系統可靠運行，我們研制了電子學和光學自檢電路。電子學測試采用LPU產生的可設定幅度與寬度的脈沖信號，光學測試(僅對高量程部分的低靈敏度γ探測器)選用內置于γ探頭內的帶聚光功能的LED燈。

當γ探頭所處環境振動較嚴重時，振動測量電路使LPU對低量程計數進行補償(減少計數)。通過溫度測量電路，LPU可進行溫度補償計算。

2.3 γ探頭PCB(印刷電路板)

γ探頭PCB的高穩定電源電路采用“低噪聲、低壓降線性穩壓器”芯片(TPS7A4901和TPS7A3001)，“電荷靈敏前置放大器”選用“高增益、高帶寬、高速、超低噪聲、場效應管輸入”型集成運放芯片(AD8067)放大探測器輸入信號。

電子元器件全部采用貼片型的，雙面緊湊布局，并盡可能縮小電路板尺寸。這樣不僅可以減少線路的電容分布，縮小受干擾面積，而且大大減輕了能響補償部分和電磁屏蔽部分的重量。

3 就地處理單元(LPU)

3.1 功能設置

可編程邏輯控制器(PLC)為該區域的過程控制單元，過程控制單元不僅處理該區域γ輻射信號，而且控制該區域的其他所有工藝設備。若探頭距離過程控制單元較近(＜100 m)，可不必設LPU，信號直接由過程控制單元處理。由于采用了TIA架構，γ輻射信號如同其他工藝信號(位置、速度、壓力、流量、溫度等)，可流暢地參與該區域的工藝自動控制系統。

區域γ輻射監測系統具體功能如下［2］。

①輸入功能，包括高低量程偏置電壓、高低量程閾值和高低報警值設置，光學和電子學測試，刻度系數輸入，脈沖計數允許/禁止，LPU網址，探頭ID，選擇顯示單位和設置計數時間。

②顯示功能，包括劑量率和累計劑量。

③狀態查詢功能，包括高低聲光報警、溫度指示、電源(220 VAC、+5 V、±12 V)電壓指示和振動指示。

④數據查詢功能，包括劑量率和累計劑量從現在開始1 min、1 h、1 d或操作人員設定的時間的平均值、歷史趨勢曲線、索引和日期/時間。

⑤數據存儲功能，以數據庫形式儲存數據，插入存儲卡(如SIMATIC MC 24 MB)，可自動存儲海量數據。

⑥(可選)短消息功能，通過添加GPRS Modem模塊(如西門子的SINAUT MD720-3)并開通短信(short messaging service，SMS)業務，可向有關人員的手機發送輻射監測信息，按手機短息收費。

3.2 LPU 配置

根據γ探頭電路原理圖與功能設置，配置LPU的PLC模塊。具體I/O(輸入/輸出)點數如表1所示。

表1 I/O點Tab.1 I/O points

LPU配置圖如圖3所示。

圖3 LPU配置圖Fig.3 LPU configuration

LPU配置S7-1200系列的三個模塊如下。

①CPU模塊(CPU1212C DC/DC/繼電器)板載8個DI點、6個DO點、2路AI，包含4個高速計數器(每個DI點都有脈沖輸入捕捉功能)和2路脈沖輸出;

②AI/AO混合模塊(SM1234 AI4/AO2)板載4路AI和2路AO;

③ AO模塊(SM1232 AO2)板載2路AO。

以上三個模塊總共可驅動8個DI點和6個DO點、6路AI、2路AO、4路脈沖輸入計數、2路脈沖輸出，是滿足表1要求的最佳配置(模塊最少、所占空間最小)。

觸摸屏為可選件，可選 KTP600 Basic(Color，PN)，5.7 英寸(1 英寸 =25.4 mm)。該觸摸屏側重于基礎方面，提供大量標準軟件功能(如報警系統、配方管理、趨勢功能和語言切換);可與S7-1200無縫兼容;防護等級為IP65，可在惡劣的工業環境中使用。

LPU與過程控制單元的CPU模塊集成的標準以太網接口RJ45支持電纜交叉自適應，因此，標準或交叉的以太網線都可用。

4 系統集成

4.1 統一的通信

系統內所有單元(LPU、觸摸屏、過程控制單元、操作站PC、中央控制室PC以及編程PC)通過統一的物理接口——標準以太網接口 RJ45、統一的通信協議——Profinet，組成 10/100/1000(單位:Mbit/s)工業以太網。

Profinet是Profibus＆ Profinet International現場總線組織提出并制定的一種開放的、跨供應商的、基于工業以太網技術的自動化總線標準。通過該協議，系統可獲得以太網標準IT功能，實現就地處理、過程控制和區域管理三級之間高速流暢的數據通信;同時不失現場總線系統的耐用性，可在極端工業環境下，依靠高速冗余功能構造故障安全型網絡［3］。

通過Profinet強大的通信能力(支持的現場安裝節點數量可超過210萬個)、各種耐用連接器(如工業以太網交換機等，滿足EMC和溫度要求)和特別設計的工業電纜(或光纜)，系統可以采用星型、總線型和環型拓撲結構，形成龐大而又靈活的網絡。

Profinet支持以下三種通信方式。

① TCP/IP標準通信，響應時間100 ms量級，滿足區域管理級使用標準的 IT服務(如 http、HTML、SNMP、DHCP和XML等)，加強對整個網絡的管理和維護，節約調試和維護成本;

② 實時(real time，RT)通信，Profinet提供了一個優化的、基于以太網Layer 2(第二層)的實時通信通道，響應時間5～10 ms量級，滿足γ探頭與LPU或過程控制單元(即就地處理和過程控制兩級)對響應時間的較嚴格要求;

③ IRT(同步實時)通信，當節點數≤100個時，響應時間＜1 ms，抖動誤差＜1 μs，滿足對通信實時性要求最高的運動控制，如某處突然出現較強的γ輻射或其他危險情況，立即聲光報警，啟動聯鎖裝置。

4.2 統一的數據管理

在TIA中，所有數據都存儲在一個項目中，修改后的應用程序數據(如變量)會在整個項目內(甚至跨越多臺設備)自動更新。通過跨項目組成部分的符號尋址，可以在程序中的任意位置創建或修改該變量。TIA提供了三種創建PLC變量的方式:①在PLC變量表中定義;②在程序編輯器中定義;③通過PLC輸入和輸出的鏈接來定義。變量修改是集中執行且不斷進行更新的。一致的數據管理免去了在同一項目內的不同參與者之間進行同步的必要。

4.3 統一的組態和編程

在TIA的一個軟件中，如 TIA Portal V10.5_SP2，編程人員可以采用一個適合所有任務的公共用戶界面來訪問所有的編程和可視化功能。

WinCC通過組態客戶機/服務器系統，可以將系統操作和監控的功能分配到多個操作站和中央控制室的PC上。對于較大的系統，這樣的組態方式既可以降低單臺計算機的負擔，也可以增加系統的性能。

5 結束語

通過項目的設計和調試表明，系統過程控制簡單而安全，方便信息網絡和現場總線及儀表的集成，設計模塊化，系統擴展性強，具有管控一體化功能，對核設施輻射監測系統國產化具有積極作用。系統由于采用了Profinet總線，大量節省了電纜費用，也相應節省了施工調試以及系統投運后的維護時間和費用。

［1］王爭耀，韓軍，熊進，等.武鋼二煉鋼轉爐全集成自動化系統［J］.控制工程，2006，13(6):567 －569.

［2］宋稱心，鄧長明，程昶，等.區域γ輻射監測系統軟件設計［J］.核電子學與探測技術，2008，28(6):1295－1297.

［3］陳瑞陽，席巍，宋柏青.西門子工業自動化項目設計實踐［M］.北京:機械工業出版社，2009:129－137.