一種小型取樣分析控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李樂(lè)斌 張賓永 武 超 劉 艷 任 英

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院）

核設(shè)施退役是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合性科技工程，涉及核化工、 機(jī)械及輻射防護(hù)等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。國(guó)際上實(shí)施核設(shè)施退役是從20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始的， 我國(guó)則是在2008 年以后全面啟動(dòng)核設(shè)施退役工作，與歐美等國(guó)家相比，起步晚、技術(shù)薄弱且經(jīng)驗(yàn)不足［1］。 核設(shè)施退役是我國(guó)核工業(yè)短板之一，也是一個(gè)新發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。 核工業(yè)經(jīng)歷了近六十年的發(fā)展， 某些核設(shè)施即將進(jìn)入退役階段，產(chǎn)生了大量帶放射性污染的系統(tǒng)和設(shè)備［2］。 根據(jù)分析設(shè)備受何種污染及其污染程度，相應(yīng)的去污工藝方法、條件和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)都有特殊要求［3］。帶污核系統(tǒng)和設(shè)備在拆卸前一般都要進(jìn)行抽空吹掃過(guò)程，吹掃數(shù)次后由防護(hù)人員取樣分析，合格后再進(jìn)行下一步處理。

對(duì)涉氫（及同位素）的帶污核設(shè)備進(jìn)行吹掃的過(guò)程中，需要定時(shí)進(jìn)行取樣分析，根據(jù)分析結(jié)果選擇不同的操作步驟，此過(guò)程中對(duì)樣本的定量分析尤為重要。 根據(jù)樣品濃度的不同，取樣方法與分析手段也不相同。 對(duì)于高濃度樣品氣可以用質(zhì)譜儀做定量分析， 但經(jīng)過(guò)多次抽空吹掃后，氣體樣本濃度已經(jīng)達(dá)到質(zhì)譜儀測(cè)量的下限，質(zhì)譜儀不能得出準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。 一般低濃度樣品氣可用監(jiān)測(cè)儀測(cè)量進(jìn)行定性分析。 為了在樣本低濃度時(shí)得出確切結(jié)果，筆者提出將氣體樣本轉(zhuǎn)換為液體樣本，再用液閃譜儀進(jìn)行定量分析的方法。 針對(duì)實(shí)際情況， 在實(shí)驗(yàn)室建立了一套連續(xù)取樣裝置， 并根據(jù)工藝流程設(shè)計(jì)了取樣分析控制系統(tǒng)，模擬在低濃度下， 將氣體樣本轉(zhuǎn)換為液體樣本，再進(jìn)行定量分析的過(guò)程。

1 工藝流程簡(jiǎn)介

低濃度涉氫（及同位素）的帶污核設(shè)施退役時(shí)，必須經(jīng)過(guò)抽洗過(guò)程。 清洗后根據(jù)分析樣本測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不同的處理流程。 沖洗步驟開(kāi)始時(shí)，氣體取樣用質(zhì)譜儀做樣本分析，抽空沖洗到樣本測(cè)量值達(dá)到質(zhì)譜測(cè)量下限時(shí)，將樣本由氣態(tài)轉(zhuǎn)換為液態(tài)，采用液閃譜儀做定量分析。

根據(jù)實(shí)際需求，筆者在實(shí)驗(yàn)室建立的模擬取樣分析裝置如圖1 所示，該裝置主要利用高溫氫氧復(fù)合將氣體樣本轉(zhuǎn)換為液體樣本，再用液閃譜儀對(duì)樣本進(jìn)行定量分析。 氣體質(zhì)量流量計(jì)設(shè)定氣樣的進(jìn)料流量，在催化劑和填料作用下進(jìn)行高溫氫氧復(fù)合。 由于反應(yīng)氣量很少，因此需要用溫控儀控制合成室溫度，氣體循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)混合氣體在管道中不停循環(huán)流動(dòng)，使樣本氣充分反應(yīng)。 在管道上設(shè)有壓力信號(hào)和溫度信號(hào)測(cè)量?jī)x表，用于監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程。

圖1 實(shí)驗(yàn)室模擬取樣分析裝置

高溫氫氧合成反應(yīng)是最簡(jiǎn)單的爆炸反應(yīng)，從安全角度和測(cè)量準(zhǔn)確性方面考慮，可加入惰性氣體作為載氣抑制反應(yīng)效率、降低爆炸風(fēng)險(xiǎn)［4］。樣品氣、氧氣和載氣從不同位置進(jìn)入裝置，在緩沖罐混合，由氣體循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)混合氣體進(jìn)入合成室反應(yīng)合成液體樣品。 整個(gè)反應(yīng)過(guò)程由PLC 1200 控制。

2 取樣分析控制系統(tǒng)

2.1 硬件組成

根據(jù)工藝流程，工藝參數(shù)包括溫度、壓力及流量等。 選擇PLC 1200 為主控制器并輔以IO 模塊、安全柵、繼電器、串口服務(wù)器及交換機(jī)等，完成信號(hào)的測(cè)量與控制功能。 取樣分析控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

由于流量信號(hào)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)影響較大， 本系統(tǒng)沒(méi)有采用模擬量信號(hào)而使用通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。從圖2 可知，氫氣流量計(jì)通過(guò)串口RS232 接口通信， 氧氣和氦氣流量計(jì)與溫控儀通過(guò)串口RS485 接口通信。 這些通信儀表接入到串口服務(wù)器中，串口服務(wù)器包括16 個(gè)獨(dú)立通道，可以單獨(dú)設(shè)置每個(gè)通道信號(hào)的接口方式，彼此光電隔離。串口服務(wù)器經(jīng)過(guò)設(shè)置后由以太網(wǎng)口輸出到交換機(jī)。

考慮到防爆要求，PLC 1200 控制器通過(guò)安全柵采集常規(guī)的壓力與溫度信號(hào)，DO 輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)繼電器隔離。 串口服務(wù)器、工控機(jī)和PLC 1200控制器通過(guò)交換機(jī)以星型結(jié)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互訪。PLC 1200 控制器輸出的參數(shù)報(bào)警信號(hào)通過(guò)繼電器連接至報(bào)警裝置，以提示運(yùn)行人員。 控溫用的Pt100 溫度信號(hào)直接接入溫控儀。 溫控儀將設(shè)定溫度與反饋值進(jìn)行比較，通過(guò)內(nèi)置的PID 模塊控制輸出脈沖寬度調(diào)制信號(hào)到連接加熱器的固態(tài)繼電器， 通過(guò)控制加熱器周期內(nèi)的通斷間隔，實(shí)現(xiàn)溫度控制。 本實(shí)驗(yàn)裝置中，將溫控儀與加熱所需的電氣元件進(jìn)行模塊化處理， 集成為一體。在前面板設(shè)有儀表面板、 啟停按鈕和狀態(tài)指示燈。 其他溫度與壓力信號(hào)經(jīng)過(guò)安全柵隔離后接入PLC 1200 控制器直接采集。 為了實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量，反應(yīng)合成的液體經(jīng)過(guò)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行冷卻達(dá)到常溫，可隨時(shí)進(jìn)行取樣分析。 取樣分析控制系統(tǒng)以PLC 1200 控制器為核心， 通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)、溫控儀、壓力表、氣體循環(huán)泵及冷卻水等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了氣體樣到液體樣的轉(zhuǎn)換，滿足了定量分析的要求。

2.2 軟件編程

系統(tǒng)的軟件程序包括上位機(jī)編程和下位機(jī)編程兩部分。

2.2.1 上位機(jī)

上位機(jī)程序即人機(jī)界面，運(yùn)行人員可通過(guò)人機(jī)界面觀察運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置運(yùn)行參數(shù)［5］。

上位機(jī)監(jiān)控界面如圖3 所示，在此界面可以設(shè)置質(zhì)量流量計(jì)的流量，讀取瞬時(shí)值、累計(jì)值及控制方式等信息。 根據(jù)運(yùn)行要求，上位機(jī)監(jiān)控界面上還設(shè)置有超壓聯(lián)鎖、氣樣累計(jì)定量自動(dòng)/手動(dòng)運(yùn)行模式等。

圖3 上位機(jī)監(jiān)控界面

上位機(jī)軟件編程中最重要的是儀表通信部分。 本控制系統(tǒng)中，所用儀表的通信方式種類較多（包括串口RS232、RS484、OPC 通信），且儀表通信協(xié)議非標(biāo)準(zhǔn)格式，需要按照特定格式進(jìn)行通信。 PLC 通信口種類少、協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)格式，開(kāi)發(fā)自由口通信難度較大，因此沒(méi)有直接通過(guò)PLC 1200系統(tǒng)進(jìn)行通信，而是利用上位機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)通信功能。 筆者采用LabVIEW 語(yǔ)言編寫的質(zhì)量流量計(jì)讀取累計(jì)值的通信程序設(shè)計(jì)如圖4 所示。 每個(gè)通信儀表都有一個(gè)通信開(kāi)關(guān)，讀參數(shù)操作一直運(yùn)行，寫參數(shù)操作需要點(diǎn)擊“開(kāi)關(guān)”按鈕才能建立連接。 這樣操作可以減少網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)荷，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

圖4 質(zhì)量流量計(jì)讀取累計(jì)值的通信程序

程序中用到的串口操作指令包括VISA Configure Serial Port、VISA Write、屬性節(jié)點(diǎn)（Bytes at Port）、VISA Read 和VISA Close［6］。 首先配置串口參數(shù)（包括地址、波特率、數(shù)據(jù)位及校驗(yàn)位等信息），按照通信協(xié)議寫入特定的命令符，延時(shí)處理并根據(jù)接收的字節(jié)數(shù)讀取數(shù)據(jù)， 最后關(guān)閉串口。返回的數(shù)據(jù)格式基于IEEE754 單精度浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，按照協(xié)議截取字節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到具體的累計(jì)值進(jìn)行存儲(chǔ)并在界面顯示。

其他儀表的通信程序類似， 只在發(fā)送命令時(shí)有所不同。根據(jù)需要獲得的儀表參數(shù)，發(fā)送不同的命令符，得到反饋后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析與處理。

上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)了參數(shù)的設(shè)置與反饋、顯示與記錄、報(bào)警與聯(lián)鎖等功能，操作簡(jiǎn)單、便于維護(hù)、實(shí)用性強(qiáng)。

2.2.2 下位機(jī)

下位機(jī)程序是指編寫PLC 程序，主要完成常規(guī)壓力、溫度信號(hào)的測(cè)量以及參數(shù)報(bào)警聯(lián)鎖的邏輯輸出功能。

下位機(jī)采用梯形圖語(yǔ)言進(jìn)行編程，該語(yǔ)言與電氣操作原理圖相對(duì)應(yīng)，具有直觀性和對(duì)應(yīng)性［7］。部分PLC 程序如圖5 所示，程序中包括溫度和壓力信號(hào)讀取以及循環(huán)泵的啟停程序。 PLC 與上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)接口經(jīng)由交換機(jī)連接，通過(guò)OPC 服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。上位機(jī)軟件在OPC 服務(wù)器中獲得PLC 中的數(shù)據(jù)，可以通過(guò)建立客戶端服務(wù)器進(jìn)行調(diào)用。

圖5 部分PLC 程序

3 結(jié)束語(yǔ)

涉氫（及同位素）的帶污核設(shè)施退役時(shí)，在經(jīng)過(guò)多次抽洗過(guò)程后， 其放射性氣體含量大幅減少。 此過(guò)程中樣品的定量分析對(duì)后續(xù)的清洗工藝尤為重要。 為保證在低濃度情況下也能得到準(zhǔn)確的測(cè)量值， 提出將氣體樣本轉(zhuǎn)換為液體樣本，用液閃譜儀進(jìn)行定量分析的方法。 根據(jù)工藝的具體要求建立模擬裝置并設(shè)計(jì)基于PLC 系統(tǒng)的取樣分析控制系統(tǒng)， 該控制系統(tǒng)以PLC 1200 控制器為核心，功能上實(shí)現(xiàn)了常規(guī)信號(hào)采集，溫度的PID控制。利用上位機(jī)軟件完成了流量的串口RS232、RS485 通信以及上位機(jī)的OPC 通信,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、參數(shù)設(shè)定、報(bào)警與安全聯(lián)鎖等功能。控制系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面、操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。 實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：取樣分析控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，能夠滿足工藝要求，可為放射性分析工程領(lǐng)域提供參考。