基于可编程逻辑控制的东华加...射监测安全联锁门禁初步设计_张斌.pdf

基金项目：国家自然科学基金（编号：11875286、11565002、51567001）；江西省新能源工艺与装备工程技术研究中心开放基金项目（编号：JXNE 2018-04）；东华理工大学博士科研启动基金项目（编号：DHBK2017124）；核技术应用教育部工程研究中心项目（编号：HJSJYB2021-3）；江西省教育厅科技项目（编号：GJJ180411）；江西省博士后科研择优资助项目（编号：2019KY54）收稿日期：20221014基于可编程逻辑控制的东华加速器辐射监测安全联锁门禁初步设计*张斌1,2，晏婷1，刘琦1（1.东华理工大学，核技术应用教育部工程研究中心/江西省新能源工艺与装备工程技术研究中心/机械与电子工程学院，南昌330013；2.中广核贝谷科技股份有限公司，南昌330013）摘要：为保证人员能够安全出入东华加速器辐射区域，避免发生辐射伤害事故，根据东华加速器建设规划，通过可编程逻辑控制PLC技术和模块化方法研究了一套辐射监测安全联锁门禁方案。以西门子 PLC 为联锁控制器，结合上位机软件监测，在一台MIB7.5-300小型电子感应加速器的运行场所进行X、辐射剂量监测和安全联锁门禁的模拟实验，验证了辐射安全联锁门禁初步设计的可行性与有效性。结果表明：该方案设计的辐射剂量监测系统可测辐射剂量区间远超东华加速器各厅及其墙外辐射最高剂量率范围；安全联锁门禁测试可行；方案有效可靠。该辐射监测安全联锁门禁方案适用于东华加速器运行场所，可为东华加速器辐射安全联锁门禁的深入研究和应用提供方法基础和技术保障。关键词：加速器；辐射监测；可编程逻辑控制；安全联锁中图分类号：TP249文献标志码：A文章编号：10099492(2023)02018906Preliminary Design of Safety Interlock Access Control for Radiation Monitoring ofEast China Accelerator Based on Programmable Logic ControlZhang Bin1,2，Yan Ting1，Liu Qi1（1.Engineering Research Center of Nuclear Technology Application,Ministry of Education/Jiangxi Engineering Research Center for NewEnergy Technology and Equipment/School of Mechanical and Electronic Engineering,East China University of Technology,Nanchang 330013,China;2.CGN Begood Technology Co.,Ltd.,Nanchang 330013,China）Abstract:In order to ensure that personnel can safely enter and exit the radiation area of East China Accelerator and avoid radiation injuryaccidents,according to the construction plan of East China Accelerator,programmable logic control technology and modular method were usedto study a set of radiation monitoring safety interlock access control scheme.Siemens PLC was used as the interlocking controller,combinedwith the monitoring of the host computer software,and the simulation experiment of X and radiation dose monitoring and safety interlockingaccess control were carried out in the operating place of a MIB 7.5-300 small electronic induction accelerator to verify feasibility andeffectiveness of preliminary design of interlocking access control.The results show that the radiation dose monitoring system designed in thescheme can measure the radiation dose range far beyond the maximum radiation dose rate range of each hall of the East China Accelerator andits outer walls;the safety of interlock access control test is feasible;the scheme is effective and reliable.It is concluded that the radiationmonitoring safety interlocking access control scheme is suitable for the operation site of East China Accelerator,and it can provide methodbasis and technical support for the in-depth research and application of radiation safety interlocking access control of East China Accelerator.Key words:accelerator;radiation monitoring;programmable logic control;safety interlock2023年02月第52卷第02期Feb.2023Vol.52No.02机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.02.043张斌，晏婷，刘琦.基于可编程逻辑控制的东华加速器辐射监测安全联锁门禁初步设计 J.机电工程技术，2023，52（02）：189-194.0引言东华加速器中子源（East China Accelerator and Neutron Source，ECANS）是东华理工大学拟建设的大型科技基础设施，该装置利用电子加速器产生电子、X/和中子等多种射线，在核能开发、材料研制、生物制药、深空探测、地质找矿等国防科技工业和地方经济建设中具有广泛的用途。该科学装置将电子束从电子枪注入到加速管中，经第一级加速，电子能量达到10 MeV，该束流可偏转引出用于辐照；再经第二、第三级加速后得到能量35 MeV、束流强度2 mA、功率70 kW的中高能电子束，打靶后产生中子和 X/射线。由于加速器运行时束流与物质相互作用会产生瞬发辐射，而由活化产生的剩余辐射在停束后仍然存在1-2。这些辐射都会对工作人员、公众及环境造成潜在的辐射危害；如果人员误入剂量超标的辐射区域，或开机前误留在控制区内，会引起辐射照射事故。为避免人员误入或误留高辐射区域，同时提高工作人员作业效率以及门禁安全性，基于可编程逻辑控制PLC技术和模块化方法，设计一套可靠性和稳定性高、安全性好，具有一定可扩展性的辐射安全联锁门禁方案，对辐射区域的辐射剂量189进行监测，同时对门禁进行管制，为工作人员和加速器装置的安全提供可靠保障。国内外大型加速器的建筑结构、使用方式和具体功能各不相同，因此其辐射安全门禁的设计建造也没有统一的标准3。如采用继电器技术设计建设辐射安全联锁系统的同步辐射实验室（NSRL）4；基于PLC技术和高安全门禁控制器建造辐射安全联锁门禁系统的中国散裂中子源（CSNS）5；结合PLC和数字化技术设计建设辐射安全联锁系统的北京正负电子对撞机（BEPC）及其升级改造项目（BEPCII），具有“零计数联锁”、“个人剂量联锁”等功能6；结合PLC技术和EPICS软件开发平台的高能同步辐射光源（HEPS），具有远程监控、数据存储管理功能7。大科学装置系统结构复杂，科学目标的实现依赖于各子系统的高质量协作，还要考虑系统规划和冗余设计，采用可编程逻辑控制器PLC技术，可以实现安全可靠的辐射监测防护，灵活稳定的安全联锁门禁，抗干扰和扩展性好，稳定性强。因东华加速器仍在建设中，本文将实物测试安排在某 MIB 7.5-300 小型电子感应加速器运行场所进行，通过模拟 X、辐射剂量监测和安全联锁门禁实验，验证方案的准确性和有效性，从而为东华加速器辐射安全联锁门禁的深入研究和应用提供方法基础和技术保障。1辐射安全联锁门禁设计设计拟采用可编程逻辑控制器PLC技术结合传感器技术，从辐射监测防护和安全联锁门禁两个方面进行研究。根据东华加速器建筑结构、实验区域设置和工作方式，确定辐射区域，以及门禁架构组成和工作流程，设计联锁控制逻辑和门禁控制策略，并对辐射安全联锁门禁进行稳定性测试，实现安全可靠的辐射监测防护，灵活稳定的安全联锁门禁。图1所示为辐射安全联锁门禁总体架构。1.1系统架构及组成区域辐射剂量监测系统架构如图2所示。主要由辐射剂量监测单元、剂量超标报警单元、安全联锁门禁装置、PLC控制中心、控制计算机和数据服务器等组成。其中辐射剂量监测单元设置在各个监测点上，主要由多路电源模块、高压电源模块、探测器模块、信号调理模块、微控制器模块、数据传输模块等组成，负责辐射信号的采集、处理及通讯，其结构示意图如图3所示。剂量超标报警单元跟随辐射剂量监测单元设置，剂量监测数据一旦超过设定阈值就进行报警，同时发送报警信号到 PLC控制中心，通过 PLC 控制安全联锁门禁装置来实现剂量联锁门禁的功能；网络交换机负责传送数据；控制计算机上安装有剂量监测软件，对各监测点辐射剂量值实时显示。根据加速器安全联锁门禁对清场、急停、声光报警、人员出入控制等功能的要求，安全联锁门禁主要包括搜索清场装置、急停装置、联锁装置、警示装置、PLC控制中心、控制计算机和数据服务器等8-9。控制计算机上实时显示安全联锁门禁各装置状态，通过 PLC 的控制对这些设备或信号进行联锁。其结构示意如图4所示。（1）搜索清场装置设置在联锁门醒目位置，包括搜索清场按钮和警铃，加速器开机前需按下搜索清场按钮进行搜索清场，此时警铃报警提醒控制区内滞留人员离场，搜索人员进入控制区再次检查是否有滞留人员，同时判断控制区是否满足开机条件。（2）急停装置设置在控制区及控制室内醒目位置，包括紧急停机按钮和开门按钮，加速器运行故障或异常开机时可抬起紧急停机按钮切断加速器的运行，紧急情况下可按下开门按钮打开联锁门。排除故障或异常后，图1辐射安全联锁门禁总体架构图2区域辐射剂量监测系统架构图3剂量监测单元结构示意图4安全联锁门禁结构示意图2023年02月机 电 工 程 技 术第52卷第02期190需要人为恢复紧急停机按钮的初始按下状态，加速器才能再次被启动。（3）联锁装置主要包括门禁控制组件、监控摄像设备、联锁门钥匙及剂量联锁单元等。门禁控制组件主要对联锁门进行控制和管理；监控摄像设备主要采集人员信息并与数据库信息比对进行身份智能识别；联锁门钥匙10是一种置换型钥匙，只对搜索清场人员、作业人员及维护