用于桶裝核廢物檢測的多維控制系統設計

蔡 婷 成 毅 陳園園 王琦標

(成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川 成都 610051)

0 引言

近幾十年來，隨著我國核工業的發展，核設施的運行及退役積存了大量亟待檢測管理的核廢料和核廢物［1］。目前，市場上已有的標準桶裝核廢物檢測系統分為分段γ 掃描(segmented gamma scanner，SGS)和 層 析γ 掃 描(tomographic gamma scanning，TGS)兩種技術型號。基于這兩種技術的商業產品經市場檢驗，雖成熟可靠，但價格昂貴，投入成本高。檢測的主要目的是對廢物進行分級，以便管理。用γ譜儀配合機械傳動臺架組裝的簡易桶裝廢物檢測裝置可滿足要求［2-4］，同時可以明顯降低成本。故在條件不允許時，相對成型產品，選擇簡易裝置更符合實際情況。

現有的機械傳動臺架為多維結構，分成水平傳動、旋轉支撐、放射源升降和探測器升降四個維度。旋轉臺搭載廢物桶重疊在水平咬合架上移動，兩個升降咬合架上的移動臺分別搭載放射源和探測器進行同步升降。由于檢測時要求旋轉臺和移動臺按照層析γ 掃描技術［5］相互配合運動，且對其定位功能要求較高，而現今PLC(可編程控制器)在運動過程控制方面應用廣泛、穩定可靠，且定位準確、可選方案較多，下文介紹一種采用PLC 實現多維控制的設計方法［6］。

1 工作原理

多維控制系統在結構上主要由上位機、PLC 電氣控制柜和現場部件三個部分組成。系統結構如圖1 所示。操作員通過上位機向PLC 中載入默認運動參數的自動檢測程序或重設參數后的自動檢測程序，控制伺服電機帶動機械傳動臺架執行檢測工作，達到自動控制的目的。在上位機上運行組態軟件進行自動控制時，可設置旋轉臺的旋轉角度、速度、精度和移動臺的移動距離等運動參數，組態界面上的動態化圖形模擬現場運行情況，數據庫顯示實時運動參數。此外，界面在系統故障或移動臺限位時將自動報警。PLC 電氣控制柜的面板上設有按鈕、開關、指示燈等電氣元件，用于手動調試、輔助確定預設的默認運動參數、處理系統異常狀況等。柜內則設置PLC、伺服驅動器、開關電源、斷路器等器件，用于接收與執行控制命令、采集信號、系統供電及安全保護。現場部件為連接到機械臺架上的限位開關和電機，用于傳送移動臺極限位置信號及帶動機械臺架的傳動軸。

圖1 多維控制系統結構圖Fig.1 Structure of multidimensional controlling system

多維控制系統的PLC 選用西門子S7-200 CPU226系列。該控制器結構緊湊、擴展性強，適用于流程控制檢測工作。在運動控制上，S7-200 提供了三種開環運動控制方式:脈寬調制(PWM)、脈沖串輸出(PTO)和位控模塊EM253。三種方式各有特點，對應不同需求應用于多種場合［7-9］。其中，PWM 和PTO 使用S7-200內置的Q0.0和Q0.1作為輸出端。在進行運動控制時，前者需要通過程序調整脈寬來控制速度或位置，后者僅提供占空比為50%的脈沖串輸出來控制速度或位置，方向和限位控制則必須通過PLC 內置I/O 或擴展模塊提供。而EM253 作為位置控制專用模塊，自帶方向、限位、禁止等功能型I/O 端口，編程中可直接調用相關功能塊。另外，EM253 可組態為包括自動參考點搜索在內的幾種操作模式，為步進電機或伺服電機的速度和位置開環控制提供了統一的解決方案。相比PWM 和PTO 這兩種控制方式，使用EM253 具有開發周期短、控制方式靈活、可調精度高、安全可靠等優點，能更好地滿足系統對定位功能的要求。根據需要，系統對應四個維度的機械傳動臺架擴展了四臺EM253用于旋轉臺和移動臺的精確定位。

2 系統硬件設計

2.1 控制方式

多維控制系統的控制方式分為自動控制和手動控制兩種。操作員可使用上位機運行自動檢測程序完成自動控制，也可操作控制柜面板執行手動控制。

自動控制時，PLC 電氣控制柜上的轉換開關需置于自動狀態，使用上位機向PLC 載入默認運動參數的自動檢測程序或重設參數后的自動檢測程序，按下組態界面上的啟動鍵，控制檢測裝置執行程序。在組態界面上，操作員可設置參數、啟停檢測和遠程監測。

手動控制時，PLC 電氣控制柜上的轉換開關需置于手動狀態。操作員根據預設好的手動調試程序，使用控制柜面板上的電氣元件實現對檢測裝置的手動控制。控制命令由面板上的電氣元件下發給PLC，后者執行控制命令。此外，面板上印制有機械傳動臺架的正視圖及俯視圖，并在相應位置設有指示燈，可直觀地監測各維臺架的限位情況。

此外，自動控制和手動控制兩種方式間可自由切換。在自動檢測過程中，按下控制柜面板上的“緊急停止”自鎖按鈕，命令PLC 控制系統停止檢測，將轉換開關置于手動狀態，并解鎖自鎖按鈕后，即可用手動控制方式繼續操作。使用手動控制方式時，停止操作，將轉換開關置于自動狀態，按下控制柜面板上的“啟動”按鈕，即開始執行自動檢測程序。

2.2 報警保護

檢測過程中可能出現的異常狀況主要源自三個方面:伺服異常、位置限制和外界因素。

2.2.1 伺服異常

當伺服異常報警時，PLC 會收到伺服反饋的報警信號，并發出命令停止檢測運行，保護伺服電機。此時，若系統處于自動控制狀態，上位機組態軟件自動解碼PLC 采集的報警信號，把故障原因及解決方法顯示在組態界面上，提示操作員根據原因排除異常。若系統處于手動控制狀態，控制柜面板上的報警指示燈亮，提示操作員根據伺服驅動器上LED 顯示的故障編碼查看伺服驅動器手冊排除異常。

2.2.2 位置限制

選擇自動控制時，若操作員設置的運動參數超過了正常范圍，組態界面將出現超限提示，并不會執行超限參數相應的自動控制程序。在手動控制情況下控制移動臺運動時，若到達限定位置，將觸發機械傳動臺架上的限位開關，控制柜面板上的限位指示燈亮，提醒操作員排查異常。

2.2.3 外界因素

正在進行檢測工作時，若發現線纜纏繞、旋轉移動臺上放置有容易被拋出的物品等外界干擾因素，自動控制時可按下組態界面上的停止鍵，手動控制時可按下控制柜面板上的“緊急停止”自鎖按鈕，向PLC 發出停止檢測信號，在排除異常、解鎖自鎖按鈕后即可重新檢測。

3 系統軟件設計

3.1 控制流程

在使用多維控制系統進行檢測前，需要先檢查系統線纜有無纏繞、移動臺上所放檢測儀器是否固定等細節問題，做好準備工作。之后按下控制柜面板的“電源”按鈕，系統按照圖2 所示的主程序流程圖進行初始化，實現上電自測、控制方式判斷等功能。當自測發現故障時，PLC 會禁止系統運行，操作員可通過組態界面、面板指示燈、伺服LED 屏等排查故障。在一切正常的情況下，可實現自動和手動控制方式的自由切換。

圖2 主程序流程圖Fig.2 The flowchart of main program

如果自動條件滿足，通過組態界面上的啟動鍵，系統進入自動檢測狀態。此時，機械傳動臺架按照圖3所示執行流程。

圖3 自動子程序流程圖Fig.3 The flowchart of automatic subprogram

如果手動條件滿足，操作員使用電氣元件進行檢測工作或排查異常。手動控制的預設程序中已將按紐、開關等電氣元件所對應的功能、運動參數編程設置完畢。手動執行時按照控制柜面板上電氣元件對應的說明使用即可。

3.2 組態軟件

組態軟件是以北京亞控公司的組態王軟件為開發平臺、為操作員專門設計的一套應用系統。該應用系統可以與PLC 進行通信和采集現場數據，結構上由控制窗口、設備窗口和實時數據庫組成，具有參數設置、啟停控制、動畫顯示、自動報警、數據監測等功能。設計時，控制窗口設置運動參數和控制系統啟停，設備窗口顯示動態化圖形監控畫面和執行報警機制，實時數據庫生成運動參數報表。此外，組態王是一款具有經濟適用、易于擴展、開發周期短等優點的工業控制軟件，應用該軟件可實現組態軟件功能等升級［10-11］。

4 結束語

多維控制系統以S7 -200 為核心，用于順序控制，擴展位控模塊EM253 用于運動控制。系統提供自動控制和手動控制兩種可自由切換的方式對檢測裝置進行監控。整個系統操作靈活、結構簡單、易于維護、可靠性高，很好地滿足了桶裝核廢物檢測裝置的控制需要。

［1］ 許玲.任重道遠—我國核電站放射性廢物處理和處置綜述［J］.國防科技工業，2011(5):34 -37.

［2］ 蘇容波，夏文友，吳中義，等.簡易桶裝廢物非破壞檢測裝置設計及檢驗［J］.原子能科學技術，2012，46(S1):671 -676.

［3］ 楊明太，張連平.桶裝廢物的非破壞分析［J］. 核電子學與探測技術，2003，23(6):600 -603.

［4］ 國家環境保護局.GB 9133-1995 放射性廢物的分類［S］.北京:中國標準出版社，1995.

［5］ 張全虎，李峰，惠衛華，等.層析γ 掃描技術研究［J］.中國科學:物理學 力學 天文學，2010，40(8):983 -991.

［6］ 王永華，宋寅卯，陳玉國，等.現代電氣控制及PLC 應用技術［M］.2 版.北京:北京航空航天大學出版社，2008.

［7］ 劉建河.基于S7-200PLC 的伺服電機開環控制技術研究［J］.制造業自動化，2013，35(9):109 -111，122.

［8］ 董明，邵偉，陸藺輝.基于S7-200PLC 和V80 伺服定位系統設計［J］.制造業自動化，2014，36(7):105-107，116.

［9］ 強明輝，何曉.基于PLC 定位模塊EM253 的伺服控制系統［J］.電氣自動化，2014，36(3):3 -4，7.

［10］李紅萍，李藝鴻，賈秀杰，等. 基于Kingview 的S7-300PLC 監控系統設計［J］.工業儀表與自動化裝置，2013(2):19 -21.

［11］劉東科，任子暉，石瑩. 基于S7-200PLC 和組態王的煤礦通風機監測系統的設計［J］.工礦自動化，2010(6):112 -113.