一種智能式野外探傷輻射安全監(jiān)控系統(tǒng)

雷 勇，馬 馳，張春梅，何大國，劉成剛

（1.四川同佳檢測有限責(zé)任公司，四川 德陽；2.什邡市同佳機(jī)械有限公司，四川 德陽）

野外工業(yè)X（γ）探傷是一種常用的無損檢測手段，廣泛應(yīng)用于大型設(shè)備現(xiàn)場裝配、安裝、檢修，以及輸油、輸氣管道工程和城市天燃?xì)赓A罐建設(shè)等領(lǐng)域[1]。由于野外探傷無法實(shí)現(xiàn)全封閉作業(yè)，工況環(huán)境復(fù)雜，連續(xù)輻照時(shí)間較長，接近公眾人群，容易造成輻射安全事故，容易引起公共糾紛事件，根據(jù)相關(guān)法規(guī)要求，野外工業(yè)探傷需要進(jìn)行輻射安全監(jiān)管，這是輻射安全防護(hù)和職業(yè)衛(wèi)生防護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。監(jiān)管措施包括設(shè)定控制區(qū)域、設(shè)置明顯的警戒線和輻射警示標(biāo)識(shí)，以及指定專人進(jìn)行監(jiān)督和監(jiān)測控制區(qū)域的輻射劑量水平。相關(guān)法規(guī)包括《放射性污染防治法》、國務(wù)院《放射性同位素與射線裝置安全和防護(hù)條例》和生態(tài)環(huán)境部《關(guān)于γ 射線探傷裝置的輻射安全要求》等。本研究擬研究設(shè)計(jì)一套先進(jìn)智能的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)，對進(jìn)入控制區(qū)的人員進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測識(shí)別，對控制區(qū)的輻射劑量水平進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測，并將監(jiān)測信息與探傷設(shè)備、報(bào)警設(shè)備相聯(lián)鎖，用科技手段避免野外探傷輻射安全事故發(fā)生。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

（1） 野外探傷輻射安全監(jiān)管存在的問題。目前國內(nèi)野外探傷輻射安全監(jiān)控、防護(hù)方面主要依靠人工值守，缺少科學(xué)有效的裝備和手段[2]。現(xiàn)場控制區(qū)警戒多為繩索提示和專人看守，既不能完全保證對人員誤入的警戒（特別是夜間），又耗費(fèi)大量人力精力，并增加了值守人員自身輻射安全風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)發(fā)生人員誤入時(shí)，目前的處理方式主要依賴看守人員和操作人員之間的喊話、對講等方式進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。然而，這種處理方式存在準(zhǔn)確性、及時(shí)性和科學(xué)性方面的不足。

（2） 智能化野外探傷技術(shù)輻射安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)旨在滿足野外探傷輻射安全的特殊要求，并解決存在的問題[3]。為了達(dá)到這一目標(biāo)，我們將采用輻射劑量自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)、遠(yuǎn)距離紅外線成像識(shí)別技術(shù)、PLC 控制技術(shù)、無線通信及智能物聯(lián)網(wǎng)等多種技術(shù)進(jìn)行集成創(chuàng)新。通過研發(fā)一套先進(jìn)智能的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)，我們能夠?qū)M(jìn)入控制區(qū)的人員進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測識(shí)別，并實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測控制區(qū)的輻射劑量水平。同時(shí)，我們將監(jiān)測信息與探傷設(shè)備、警示報(bào)警設(shè)備相聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)探傷作業(yè)控制區(qū)輻射劑量的自動(dòng)監(jiān)測傳輸，建立紅外線安全警戒網(wǎng)，以便在有人員誤入探傷作業(yè)區(qū)時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。此外，我們還能通過探傷機(jī)的緊急掣動(dòng)功能和輻射安全信息的自動(dòng)記錄等多項(xiàng)系統(tǒng)功能，進(jìn)一步提升輻射安全保障水平。通過采用先進(jìn)的技術(shù)手段，我們能夠有效保障野外探傷作業(yè)的輻射安全，從而保護(hù)公眾及作業(yè)人員的身體安全。圖1 為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的主要功能

（1） 探傷過程中的聲光提示和警示是重要的。完成探傷準(zhǔn)備工作后，操控人員按下預(yù)警按鈕，警示喇叭會(huì)發(fā)出三次語音提示：“準(zhǔn)備探傷，請離開”。只有在這之后，才能啟動(dòng)射線機(jī)的高壓按鈕（γ 機(jī)出源按鈕），否則無法啟動(dòng)。

（2） 為了防止人員誤入控制區(qū)域，系統(tǒng)配置了8對遠(yuǎn)程紅外線對射監(jiān)測器。這些監(jiān)測器構(gòu)成了一個(gè)環(huán)形監(jiān)控網(wǎng)，在白天、黑夜、風(fēng)雨和冰雪等各種氣候條件下，能夠全天候監(jiān)測是否有人員誤入控制區(qū)域。

（3） 當(dāng)有人員誤入控制區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過聲光報(bào)警進(jìn)行提示。紅外線監(jiān)測網(wǎng)會(huì)快速識(shí)別并發(fā)出信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)立即連續(xù)發(fā)出聲音警告：“前面危險(xiǎn)，請退出”。同時(shí)，警示燈也會(huì)發(fā)出警示燈光。此外，主控機(jī)上還會(huì)顯示誤入人員的方位和時(shí)間信息。

（4） 如果有人員誤入警戒區(qū)域并在警報(bào)發(fā)出后30 s 內(nèi)仍未離開，控制系統(tǒng)將立即執(zhí)行緊急掣動(dòng)。這將導(dǎo)致射線機(jī)的高壓關(guān)閉，并使放線源自動(dòng)收回，以防止輻射事故的發(fā)生。

（5） 如果有人員誤入控制區(qū)域并在30 s 內(nèi)離開，操作人員可以按下復(fù)位開關(guān)，以恢復(fù)探傷作業(yè)。這樣可以避免重復(fù)曝光導(dǎo)致廢片的產(chǎn)生，并減少探傷單位的經(jīng)濟(jì)損失。

（6） 進(jìn)行自動(dòng)記錄相關(guān)信息。系統(tǒng)自動(dòng)記錄人員進(jìn)入控制區(qū)的時(shí)間、方位，離開控制區(qū)的時(shí)間，探傷機(jī)緊急掣動(dòng)時(shí)間等信息，為事故鑒定及糾紛界定提供依據(jù)。

（7） 警戒區(qū)邊緣輻射劑量率與PLC 主控機(jī)聯(lián)鎖。當(dāng)控制區(qū)邊緣輻射劑量率超過2.0 μGyh 時(shí)，PLC主控機(jī)自動(dòng)關(guān)閉探傷機(jī)作業(yè)。系統(tǒng)工藝流程見圖2。

圖2 系統(tǒng)工藝流程

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

（1） 遠(yuǎn)程紅外線監(jiān)控器。規(guī)格TJJK-Ι 型（含藍(lán)光鐳射瞄準(zhǔn)器），射程100～200 m，數(shù)量4～8 組，可組成直徑100 m～500 m 的在環(huán)形控制區(qū)域內(nèi)，可以全天候監(jiān)測是否有人員誤入警戒區(qū)，無論是白天、黑夜，風(fēng)雨還是冰雪氣候。

（2） 程序控制器PLC。型號(hào)：松下FPG-C32TH型，高速運(yùn)算處理速度: 0.32 μs～/步，程序容量32 K步，Modbus RTU 的主/從站通信，傳輸速度115.2 kbits/s。

（3） 人機(jī)交互平臺(tái)。型號(hào)：威綸通MT8071iE 人機(jī)界面，該設(shè)備具備以下特點(diǎn)：搭載Cortex A8 600 MHz CPU 和128 MB 內(nèi)存，擁有高彩度顯示（1 600萬色），內(nèi)置電源隔離功能，能有效抑制電源浪涌和異常地電流。此外，它還具備流動(dòng)快、操作記錄和配方數(shù)據(jù)庫等功能。

4 系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新性點(diǎn)

（1） 根據(jù)野外探傷輻射安全的特殊要求，集成創(chuàng)新，提供新的系統(tǒng)集成平臺(tái)，在國內(nèi)首次將紅外線監(jiān)測技術(shù)和可編程控制技術(shù)（PLC）應(yīng)用于野外探傷輻射安全控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“預(yù)警、監(jiān)測、報(bào)警、緊急掣動(dòng)、恢復(fù)作業(yè)、輻射安全信息記錄”等功能[4]。系統(tǒng)用紅外線監(jiān)測網(wǎng)代替現(xiàn)用的繩索警戒線；用自動(dòng)聲光警示代替人工現(xiàn)場呼喊；用PLC 控制系統(tǒng)代替人工操作；用電子自動(dòng)記錄代替人工現(xiàn)場記錄。解決了野外探傷的主要安全隱患，提高事故處理的科學(xué)性、準(zhǔn)確性、可靠性[5]。系統(tǒng)比較全面和準(zhǔn)確地體現(xiàn)了國家關(guān)于野外探傷輻射安全管理的基本要求。紅外線監(jiān)控網(wǎng)見圖3。

圖3 紅外線監(jiān)控網(wǎng)

（2） 研發(fā)數(shù)據(jù)采集傳輸儀，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離信號(hào)的準(zhǔn)確、穩(wěn)定傳輸，保證了輻射劑量、紅外線監(jiān)控網(wǎng)與PLC 控制器的無線對接[6]。因?yàn)橐巴馓絺乩憝h(huán)境復(fù)雜，各種電磁干擾、無線干擾、輻射干擾等都會(huì)影響到系統(tǒng)信號(hào)的正常傳輸，為攻克這一技術(shù)難題，自主研發(fā)了TJKT-Ⅰ型無線信號(hào)發(fā)射接收器，其電路方框圖見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)采集電路方框圖

（3） 建立基于輻射安全的多輸入多輸出函數(shù)數(shù)學(xué)模型，自主設(shè)計(jì)開發(fā)PLC 系統(tǒng)控制軟件和人機(jī)界面控制程序[7]。利用梯形圖編制了一套系統(tǒng)控制軟件，成功地實(shí)現(xiàn)了多個(gè)復(fù)雜信號(hào)的比較、判定、轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)控制要求。系統(tǒng)軟件梯形圖見圖5。

圖5 系統(tǒng)軟件梯形圖

（4） 系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，功能可靠，采用防輻射材料保護(hù)電子元件，保證設(shè)備使用壽命，產(chǎn)品主要使用國內(nèi)成熟電子元件，性能可靠，價(jià)格優(yōu)勢明顯，符合IEC61131 標(biāo)準(zhǔn)，便于推廣應(yīng)用，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，現(xiàn)場安裝簡單，操作、維護(hù)方便[8]。

結(jié)束語

經(jīng)過多年的實(shí)踐探索和不斷的優(yōu)化改進(jìn)，我們的智能化野外探傷技術(shù)輻射安全監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于中國第一安裝公司、東方汽輪機(jī)廠、四川藍(lán)星機(jī)械等多家企業(yè)，并取得了顯著的治理效果。下一步，我們計(jì)劃進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能，增加對外傳輸?shù)哪芰Γ詫?shí)現(xiàn)野外探傷相關(guān)信息的實(shí)時(shí)傳輸至政府監(jiān)管部門的平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)野外探傷輻射安全的信息化監(jiān)管。這一功能的引入將使得政府監(jiān)管部門能夠及時(shí)了解野外探傷作業(yè)的輻射安全情況，有效監(jiān)控和管理輻射源的使用情況，進(jìn)一步提升輻射安全管理的水平。同時(shí)，通過信息化監(jiān)管，我們還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和追溯，為輻射安全管理提供更加科學(xué)和精準(zhǔn)的依據(jù)。我們相信，通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和系統(tǒng)優(yōu)化，我們的智能化野外探傷技術(shù)輻射安全監(jiān)控系統(tǒng)將在未來發(fā)揮更大的作用，為野外探傷作業(yè)提供更全面、更可靠的輻射安全保障，同時(shí)也為政府監(jiān)管部門提供更便捷、高效的信息化監(jiān)管手段。