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安防系统毕业设计论文

2017-12-04 14:50:30  字体:   打印 收藏 

摘 要:中子厅安全联锁系统设计探索 摘要:介绍了对中国原子能科学研究院中子厅实验室安全联锁系统升级技术方案及控制电路设计。针对中子厅实验室原有设施所存在的隐患,设计安全联锁系统。分别设计实验室水门控制系统及巡更清场联锁系统。实现了实验室进出口水门与

关键词:安防系统毕业设计论文


  中子厅安全联锁系统设计探索

  摘要:介绍了对中国原子能科学研究院中子厅实验室安全联锁系统升级技术方案及控制电路设计。针对中子厅实验室原有设施所存在的隐患,设计安全联锁系统。分别设计实验室水门控制系统及巡更清场联锁系统。实现了实验室进出口水门与剂量测量装置联锁、水门自动开关到位、四个点巡更急停、通风系统联锁这四个功能功能,提升了实验室使用的安全性。

  关键词:中子发生器;安全联锁;巡更系统;PLC控制

  中子厅为中国原子能科学研究院核技术所管辖与使用的中子实验室。目前614中子厅使用的中子源为氘氘、氘氚中子发生器。氘氘、氘氚中子发生器为加速器中子源。由中子发生器离子源部分电离得到氘离子并引出,经高压加速后轰击氘靶或氚靶,发生D(d,n)3He、T(d,n)4He聚变核反应产生中子[1]。中子发生器及配套中子探测技术在安防反恐、中子快速成像和军事方面都有广泛用途[2]。中子发生器工作时,不可避免产生辐射。为防止实验人员误入而受到辐射伤害,应依照我国辐射安全相关规范[3],设计一套稳定、可靠的辐射安全联锁系统。因PLC可编程控制器抗干扰能力强、可靠性高的特性,现在大部分的安全联锁系统,都围绕PLC控制来开展[4]。本项目在清场巡更联锁系统中,使用PLC作为主控制器,实现搜索清场、声光报警、通风排气系统联锁、急停断电功能;而出入口水门控制则因地制宜,使用限位开关及中间继电器等硬控制器件[5],对其进行了技术升级,实现了防护水门自动开关到位及与实验室内剂量测量装置联锁功能,可防止高剂量时误开水门,及开关不到位造成的剂量泄露。

  1设计原则

  中子实验室在长期使用过程中,出现若干安全隐患:清场报警不利,造成人员滞留;急停开关单一,滞留人员急停断电时可能已受照射;防护门未与剂量探测装置联锁,剂量超标时也可动作;实验室排气装置未联锁。有可能造成易燃易爆气体浓度过大,放射性氚气泄漏到实验室环境中;水门未设限位开关,半开状态下仍可以出束。中子厅实验室的安全联锁系统设计,需要排除以上安全隐患,做到在实验装置运行时任何一个潜在的违反辐射安全能引起事故照射的行为,都将会产生一个终止实验装置运行的联锁信号,以切断辐射源项,保护人员的安全[6]。

  2联锁系统设计方案

  2.1进出口控制系统设计

  在水门电机开关电路原有的基础之上,设计一个点动与自动切换电路,并对水门加装限位开关。水门可自动一次行程到位,也可手动控制。加装限位开关,仅在水门动作到位时,方可对辐射装置进行上电出束。将水门与试验室安装的中子环境剂量仪和γ环境剂量仪的报警开关信号联锁。如图1所示,共三个剂量探测装置,剂量仪开关信号串联,成“与”逻辑。四个剂量仪中任一一个超过设定阈值,水门不能打开,可防止出束状态下防护门误开。中子出束完毕但伴随γ剂量仍显著高于本底值时,γ剂量仪仍处在报警状态并锁死水门不能打开,可防止高本底、非出束状态下防护门误开。

  2.2巡更联锁装系统设计方案

  设计巡更联锁装置,根据中子厅空间分布,设置四个巡更点。图2为巡更点分布图。主控制箱设在水门出入口处。主控制箱与四个巡更点、东厅排气系统及水门外防盗门微触开关全部联锁。主控制箱的动作施逻辑如下。(1)每个巡更点设置一个巡更开关、一个急停开关。巡更点为与逻辑:每个巡更点的开关触点均闭合,主控制箱才能够对中子发生器进行供电。任何一个巡更点开关触电打开,都会造成中子发生器掉电。由此,每个巡更点均可急停。(2)排气系统与主控制箱联锁。排气系统共有两路风道。一路为接在中子发生器机械泵出口处的风道,另一路是中子厅换风通道。设计逻辑为当且仅当两路风道均正常工作时,系统才能上电。(3)巡更系统主控制箱由急停按钮,清场按钮,清场计时调节按钮和总急停按钮组成。按下总控制箱急停按钮,四个巡更点的开关触点全部断开。若需对中子发生器重新上电,则重新巡更。满足清场条件时,以进行清场操作。按下总控制箱清场开关,蜂鸣器鸣响,并有灯光闪烁报警。清场时间到,蜂鸣器停止鸣响,巡更系统可以上电。总急停按钮不通过PLC而直接使用机械方式对整个系统断电。(4)水门到位信号与PLC清场上电信号串联,为“与”逻辑。人员撤离实验室。出入口防护水门旋转到位,此时中子发生器上电。

  3安全联锁系统的控制电路设计

  3.1水门控制电路的设计

  设计水门控制电路图如图3所示,由图3可见,控制电路点动开关加入限位开关信号、γ剂量仪及中子剂量仪超阈值报警开关信号作为限制条件;设计手动-自动状态存储用中间继电器K3。K3的开启条件为限位状态继电器KM1或KM2常开触点闭合;限位状态继电器KM1、KM2常闭触电闭合作为控制电路中电机交流接触器上电的必要条件;KM1、KM2的上电吸合由限位开关SQ1、SQ2触发并保持。水门处于中间状态时,限位状态中间继电器KM1、KM2常开触点断开,此时K3常开触点打开,电机控制电路中“起-保-停”的反馈保持电路不能工作,因而只能点动。当水门到达限位位置并触发限位行程开关SQ1或SQ2时,限位状态继电器KM1或KM2被触发,且状态保持。KM1或KM2的常闭触电打开,电机不能再向原来方向动作。此时闭合自动-手动选择开关SB3,则自动状态中间继电器K3吸合,水门控制电路中反馈保持电路能够工作,即此时水门工作在自动状态下。从中子剂量仪和γ剂量仪中引出两路开关信号。剂量仪不报警时为接通状态,报警时开关断开。将两路信号串联入电机控制电路的主路中,则任何一个剂量仪报警,其常闭开关断开,电机交流接触器不能上电,从而水门不能动作。

  3.2巡更联锁系统控制电路设计

  巡更联锁系统主控制箱拟使用可编程控制器PLC作为逻辑控制的核心部件,使用少量中间继电器作为PLC的输入输出端口扩展,使用一个交流接触器作为主电路供电的驱动部件。设计巡更联锁系统电路图如图4所示。如图5所示,选用型号为FX1s-10MR的PLC作为主控制器[7],控制四个巡更点。每个巡更点使用一个中间继电器作为巡更状态储存,且配有巡更、急停两个按钮,和一个巡更指示灯。当此巡更点巡更有效时,指示灯点亮,否则指示灯熄灭。巡更点4多加了一个由总控制箱继电器KA31控制的蜂鸣器P1,这样在清场时,在实验室远端也能清楚听见蜂鸣器的清场通知。四个巡更点的中间继电器常开触点串联,并且与通风系统开关串联。5个串联触点驱动中间继电器KM5,KM5上电又作为系统上电的必要条件。使用交流接触器KM1作为系统供电的驱动,KM1线圈由PLC的输出Y2及出入口到位开关KA102串联驱动。使用中间继电器KA31来驱动蜂鸣器工作,KA21作为四路巡更系统的供电开关,在控制箱急停时可以一次关闭四路巡更系统的供电,即将巡更系统全部清零。使用总控箱工作及清场指示灯H11作为总控箱工作状态的指示,其驱动信号直接由PLC赋予。而开关SB2作为清场计时的调节开关,将清场时间在30秒至2分钟内5档可调。将X0定义为清场允许信号输入端口,X1定义为清场触发信号输入端口,X2定义为控制箱急停信号输入端口;Y0定义为报警蜂鸣器信号输出端口,Y1定义为巡更点控制信号输出端口,Y2定义为中子发生器上电输出端口(其中上电指示灯由交流接触器KM1的辅助触点控制),Y3定义为系统未上电状态指示灯信号及清场光闪烁报警信号输出端口,设计PLC的逻辑如下。(1)未上电状态时,Y3与COM接通,Y2、Y1、Y0均与COM口断开。(2)X0输入开关信号为闭合的情况下,X1上升沿触发清场程序。(3)清场程序执行时,清场程序计时开始。Y0与COM口接通;Y3输出1Hz开关脉冲信号,Y2与COM口不接通。(4)X4的闭合时间可调节清场计时时间。清场计时时间到时,PLC执行上电程序。执行上电程序时,Y3与COM断开,Y2与COM口接通,Y0与COM口断开。(5)无论PLC工作在哪个环节,X2输入闭合信号时,Y1与COM接通;X0闭合信号断开时,系统回到未上电状态。由此,编写PLC程序,进行软件时序模拟,模拟图如图6所示。如图6所示,未上电状态,除Y3外,其余输出均为断开状态;当X0连通时,给X1一个脉冲信号,系统进入清场计时状态。此时Y3输出1Hz脉冲,Y0联通;当清场计时时间到后,系统进入上电状态,此时Y3与Y0断开,Y2接通;而按下停止键后,即给X2一个脉冲之后,Y1同步输出一个脉冲,系统掉电,Y2断开,Y3重新接通(在这里给X0强制置1,实际上X0的输入由巡更点和通风系统决定)。测试PLC程序符合之前设计的逻辑,可以使用。

  3.3系统的测试与运行

  在电路设计完毕后,制作了总控制箱与四个巡更点控制箱,并搭建了防护水门控制的继电器逻辑电路。根据水门动作特性,按时序对限位的行程开关进行动作,并与巡更控制系统同时动作,测试安全联锁系统的可靠性。经测试,系统能够完成设计要求。进而在中子厅实验室安装安全联锁系统,投入使用。系统自2016年7月份安装完毕投入使用至今,运行情况良好,没有出现产生安全问题后系统不动作,或无安全问题时系统掉电动作的问题,有效保障了中子厅实验室的人员安全。

  4结论

  根据中子厅实验室空间与设施的特性,结合以往使用中子厅所发现的安全隐患,设计了全新的中子厅实验室安全联锁装置。通过对出入口保护水门开关控制以及对实验室内部巡更系统的联锁设计,有效排除了中子厅使用过程中的各项隐患,提高了辐射安全性,对试验人员及周边环境进行有效保护。

  参考文献:

  [1]肖坤祥,冉汉正,等.高产额中子发生器研制[J].原子能科学技术,2012,46(B09):713-717.

  [2]丁大钊,叶春堂,赵志祥,等.中子物理学-原理、方法与应用[M].北京:原子能出版社,2001.

  [3]GB18871-2002.电离辐射防护与辐射源安全基本标准[S].

  [4]王志坚.钴-60辐射装置安全联锁系统逆向逻辑控制的应用[J].电子测量与仪器学报,2009(S1):305-308.

  [5]王仁祥.常用低压电器原理及其控制技术[M].北京:机械工业出版社,2008.

  [6]蔡军,徐杰,王建华,等.中子物理实验装置辐射安全联锁系统[J].核电子学与探测技术,2014,34(11):1325-1329.

  [7]廖常初.PLC基础及应用[M].北京:机械工业出版社,2007.

  作者:赵潇 丰树强 张国光 单位:中国原子能科学研究院

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