固化桶表面劑量率檢測系統(tǒng)的研發(fā)

劉辰龍 龔應(yīng)偉 許 杰 楊蘭菊

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院第一研究所）

水泥固化線是采用水泥固化工藝將反應(yīng)堆運(yùn)行過程中的放射性濃縮液進(jìn)行預(yù)處理、整備并形成穩(wěn)定的廢物包，以便運(yùn)輸、暫存和處置的生產(chǎn)線［1～3］。 輥道輸送線包含7 個(gè)工藝段，劑量率檢測系統(tǒng)位于固化線的第7 個(gè)工藝段，該系統(tǒng)主要通過固定和驅(qū)動(dòng)取樣布的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)固化桶表面的擦拭，通過劑量率檢測探頭檢測固化桶表面及其1m 處的劑量率水平，并在PC 端實(shí)現(xiàn)對檢測劑量率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理［4，5］。

目前使用的固化桶表面劑量率檢測系統(tǒng)分為擦拭取樣單元和劑量率檢測單元。 擦拭取樣單元：人工取布進(jìn)行擦拭，送相關(guān)科室進(jìn)行檢測，人工記錄數(shù)據(jù)。 劑量率檢測單元：對固化桶表面及其1m 處劑量率的檢測采用兩個(gè)探頭自動(dòng)檢測，檢測結(jié)果在數(shù)顯表上顯示，人工記錄數(shù)據(jù)。 多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明， 這種檢測方法自動(dòng)化水平較低，存在一定的弊端和不足［4］：

a. 費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，目前主要是通過人工去擦拭取樣、檢測和記錄數(shù)據(jù)的，浪費(fèi)了人力、物力。

b. 自動(dòng)化水平低，整個(gè)測量過程絕大部分單元要依靠人工去完成，自動(dòng)化水平較低。

c. 準(zhǔn)確率低，不確定因素有可能導(dǎo)致人工在記錄數(shù)據(jù)中出現(xiàn)錯(cuò)誤，降低數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

為了保證某項(xiàng)目中水泥固化工藝高效、安全、穩(wěn)定、自動(dòng)運(yùn)行，根據(jù)固化工藝特殊的工作環(huán)境和工況條件，設(shè)計(jì)、開發(fā)了一套固化桶表面劑量率檢測系統(tǒng)，確保固化桶表面劑量率檢測過程工作人員受照劑量低、劑量檢測結(jié)果完整、準(zhǔn)確。

1 表面劑量率檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

表面劑量率檢測系統(tǒng)由擦拭取樣單元、劑量率檢測單元和控制系統(tǒng)單元組成。

1.1 擦拭取樣單元

擦拭取樣單元由安裝座、 直線移動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及柔性氣動(dòng)夾頭等組成，擦拭取樣單元結(jié)構(gòu)如圖1 所示［6～8］。

擦拭取樣單元的功能如下：

a. 通過激光定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)直線移動(dòng)機(jī)構(gòu)直線方向連續(xù)、點(diǎn)動(dòng)和微動(dòng)，保證取樣布與固化桶壁緊密接觸。

b. 通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的180°順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)， 便于工作人員在狹小的空間中裝卸取樣布。

c. 柔性氣動(dòng)夾頭由氣動(dòng)二指夾手、彈性機(jī)構(gòu)及光電傳感器等組成（圖2）。 氣動(dòng)二指夾手用來夾住取樣布， 防止在擦拭過程中取樣布脫落；彈性機(jī)構(gòu)用來提供壓力，保證取樣布與固化桶有一定的壓力，壓力大小可以通過彈簧調(diào)節(jié)。

d. 固定安裝取樣布， 取樣布手動(dòng)裝卸方便（取樣人員能盡可能快地裝卸取樣布， 避免不必要的放射性照射）。

e. 系統(tǒng)帶動(dòng)取樣布在給定的空間內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。

f. 計(jì)算取樣布桶壁的距離， 并實(shí)時(shí)輸出信號（西門子PLC 能處理的信號） 在現(xiàn)場就地控制箱顯示。

圖1 擦拭取樣單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 柔性氣動(dòng)夾頭結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 劑量率檢測單元

劑量率檢測單元由主機(jī)、劑量探頭、劑量測量托盤和數(shù)據(jù)處理軟件組成， 其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 劑量率檢測單元結(jié)構(gòu)示意圖

取樣布置于測量托盤管內(nèi)， 測量托盤布置于固化桶附近及其1m 處， 劑量探頭測得的數(shù)據(jù)通過電纜傳輸?shù)街鳈C(jī)，主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。

數(shù)據(jù)處理軟件用來對檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，部分軟件界面如圖4、5 所示。 數(shù)據(jù)處理軟件采用VB6.0 進(jìn)行編程［9，10］。通過軟件設(shè)計(jì)了友好的登錄界面；然后和主機(jī)建立通信，通過點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集按鈕，實(shí)現(xiàn)從劑量檢測主機(jī)采集數(shù)據(jù)的工作到收到停止采集的觸發(fā)信號為止，并賦予本次數(shù)據(jù)采集行為一個(gè)名稱或編號；再將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括找出最大值、最小值、算出平均值，并將最大值、最小值、平均值與賦予的名稱或編號作為一個(gè)事件保存； 后續(xù)可以通過數(shù)據(jù)查詢按鈕，對保存的數(shù)據(jù)查詢。

軟件可在現(xiàn)有的個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，軟件運(yùn)行期間可重復(fù)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。

1.3 控制系統(tǒng)單元

1.3.1 系統(tǒng)組成

固化桶表面劑量率檢測系統(tǒng)采用PLC 作為控制器［11～13］，包 括6ES7 307-1EA01-0AA0 電源模塊、6ES7 153-1AA03-0XB0 從站模塊、6ES7 353-1AH01-0AE0 定 位 模 塊、6ES7 321-1BL00-0AA0輸入模塊及6ES7 322-1BL00-0AA0 輸出模塊等。控制系統(tǒng)I/O 點(diǎn)詳見表1， 系統(tǒng)控制流程如圖6所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理軟件監(jiān)控界面

圖5 數(shù)據(jù)處理軟件通信界面

表1 控制系統(tǒng)I/O 點(diǎn)

圖6 控制系統(tǒng)流程框圖

1.3.2 控制過程

取布/卸布的控制過程： 系統(tǒng)處于原點(diǎn)位，由工人通過操作面板按鈕實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)夾頭的夾持與松開，取樣布夾持完成后，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行到等待位。

擦拭控制過程：系統(tǒng)檢測到桶到位和夾持完成信號后，直線機(jī)構(gòu)運(yùn)行，取樣布前進(jìn)。 當(dāng)取樣布距桶200mm 時(shí)，直線機(jī)構(gòu)降速前進(jìn)。 柔性氣動(dòng)夾頭的中間位置檢測開關(guān)檢測到信號時(shí)，直線機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行。輥道旋轉(zhuǎn)電機(jī)啟動(dòng)，桶旋轉(zhuǎn)。桶旋轉(zhuǎn)完成后，直線機(jī)構(gòu)向后運(yùn)行，完成擦拭。

擦拭完成后，系統(tǒng)運(yùn)行到原點(diǎn)位，由人工通過操控操作面板，使氣動(dòng)夾頭松開，完成取樣布的拆取。

1.3.3 操作方法

系統(tǒng)的所有操作都在操作面板上進(jìn)行，按鈕包括急停、復(fù)位、開始、前進(jìn)、后退、正向旋轉(zhuǎn)、反向旋轉(zhuǎn)、夾持、松開、點(diǎn)動(dòng)及遠(yuǎn)程/就地選擇開關(guān)等。

1.3.4 自動(dòng)運(yùn)行

當(dāng)操作面板上的就緒指示燈亮?xí)r，就可對系統(tǒng)進(jìn)行夾取取樣布的手動(dòng)操作。 通過操作面板上的夾持、松開按鈕實(shí)現(xiàn)取樣布的夾取與拆卸。

取樣布夾持完成后，通過操作面板上的開始按鈕，實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。 在操作面板上實(shí)時(shí)顯示夾頭與桶之間的距離和夾頭與桶之間的狀態(tài)（遠(yuǎn)位、近位和中間位置）。

在操作面板上將遠(yuǎn)程/就地選擇開關(guān)撥向就地，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的手動(dòng)運(yùn)行。

前進(jìn)/后退按鈕可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)直線移動(dòng)機(jī)構(gòu)的前行或者后退。 后退到原點(diǎn)位，就緒指示燈亮；前進(jìn)到遠(yuǎn)位，距桶遠(yuǎn)位指示燈亮；前進(jìn)到中間位置，距桶中間位置燈亮且就緒指示燈亮； 前進(jìn)到近位，距桶近位指示燈亮，且停止前進(jìn)。

正向旋轉(zhuǎn)/反向旋轉(zhuǎn)按鈕：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的正/反向旋轉(zhuǎn)。 正向旋轉(zhuǎn)到180°位置， 停止旋轉(zhuǎn)，就緒指示燈亮；反向旋轉(zhuǎn)到0°位置，停止旋轉(zhuǎn)，就緒指示燈亮。

夾持/松開按鈕： 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)氣動(dòng)夾頭的夾持/松開操作。

停止按鈕：終止系統(tǒng)的運(yùn)行。

急停按鈕：緊急停止設(shè)備。

復(fù)位按鈕：解鎖故障報(bào)警聯(lián)鎖。

開始按鈕：開始系統(tǒng)的運(yùn)行。

2 系統(tǒng)調(diào)試

運(yùn)動(dòng)控制調(diào)試主要包括：機(jī)械及電氣設(shè)備完整性、組件裝配調(diào)試及運(yùn)動(dòng)進(jìn)度檢測等［14，15］。

綜合調(diào)試驗(yàn)證包括：功能試驗(yàn)、單臺(tái)安裝試驗(yàn)、狹小空間安裝試驗(yàn)和拆卸試驗(yàn)。

柔性氣動(dòng)夾頭機(jī)構(gòu)運(yùn)行順暢平穩(wěn)， 無卡澀，無異響，當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行到正負(fù)極限位置，限位傳感器應(yīng)輸出正負(fù)端的限位信號，防止機(jī)構(gòu)運(yùn)行超出行程范圍發(fā)生碰撞。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行順暢平穩(wěn)， 無卡澀和異響，旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)達(dá)到180°，旋轉(zhuǎn)速度和精度滿足工藝要求。

直線機(jī)構(gòu)運(yùn)行順暢平穩(wěn)，無卡澀，無速度抖動(dòng)和異響，行走速度和精度滿足工藝要求。

表面劑量率檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件應(yīng)能夠正確采集數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行查詢。

3 應(yīng)用效果

固化桶表面劑量率檢測系統(tǒng)通過安裝調(diào)試已投入使用。 本系統(tǒng)對固化桶表面的劑量水平進(jìn)行了有效的檢測，從檢測開始到獲取測量數(shù)據(jù)，全程無人工干預(yù)，完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測，自動(dòng)化水平高。 新舊檢測系統(tǒng)效果對比詳見表2。

表2 新舊檢測系統(tǒng)效果對比

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)主要是對固化桶進(jìn)行劑量率和污染水平的檢測。 在傳統(tǒng)固化桶劑量率檢測系統(tǒng)上增加了自動(dòng)擦拭取樣單元，采用兩個(gè)探頭對固化桶及其1m 處的劑量率進(jìn)行檢測， 并采用數(shù)據(jù)處理軟件來對劑量檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，解決了現(xiàn)有固化桶表面劑量率檢測費(fèi)時(shí)、費(fèi)力和自動(dòng)化程度低的問題，減少了人員的受照射劑量。