基于全集成自动化的区域γ辐射监测系统

2012-07-26王希涛

自动化仪表 2012年2期

王希涛

(中国辐射防护研究院保健物理与核安全研究所，山西太原 030006)

0 引言

我国核军工及核燃料循环中的区域γ辐射监测系统普遍存在技术陈旧、测量误差大、量程窄、寿命短，以及多数信号仍然是模拟量传输、线缆布设繁杂等问题;而目前市场上的区域γ辐射监测系统在容错性、可靠性、可维护性和远距离数据传输等方面，往往能力不足，特别是系统大多独立运行，很难与工业控制领域普遍使用的PLC、DCS接口，难以系统集成。

为有效地解决上述问题，本文提出了基于全集成自动化(totally integrated automation，TIA)的区域γ辐射监测系统。

1 总体设计

1.1 全集成自动化概述

TIA集高度的集成统一性和前所未有的开放性于一身，采用统一的编程组态环境、高度一致的数据集成和标准化的网络体系结构，使TIA为企业实现了横向和纵向信息集成。领先的通信标准、基于组件的自动化技术、PC自动化解决方案和IT集成，使TIA对整个自动化市场的产品和服务范围实现了真正开放。

TIA优化了所有部件间的相互影响，可以使企业现有的潜能得到最大限度的发挥，同时也提高了组态工程师、程序员、操作员和服务人员的工作效率。TIA使所有的自动化结构(直到现场的各个部件)都是清晰和透明的，用户能快速完成过程的优化、扩展和调整，并将生产中断的可能性降到最低，大大提高了TIA在工厂的可用性。

1.2 系统配置及TIA模块软件选型

区域γ辐射监测系统分就地处理、过程控制和区域管理三级，采用10/100/1000(单位:Mbit/s)工业以太网结构。

每个区域的各个就地处理单元(local processing unit，LPU)采集并处理现场的相应γ探头传来的信号，通过该区域的网络交换机实现信息共享。过程控制单元集中处理该区域的信息，操作站提供人机交互功能，中央控制室实现数据的全局管理功能［1］。TIA模块及软件采用德国西门子(SIMATIC)的TIA产品。

就地处理单元(LPU)采用紧凑型PLC:S7-1200。该PLC具有模块化、结构紧凑和功能全面等特点，具有可扩展的灵活设计和符合工业通信最高标准的通信接口，以及全面的集成工艺功能。因此，它可以作为一个组件集成在完整的综合自动化解决方案中。由于LPU所需控制点数不多，因此，S7-1200 PLC满足系统要求，且所需空间小、性价比高。

根据I/O的多少，过程控制单元可选用小型PLC(如S7-200 CN)、中型PLC(如 S7-300)或大型PLC(如S7-400)。而软件则选择与PLC配套的TIA软件，例如S7-1200选择TIA Portal V10.5_SP2。该软件已有简体中文版。

系统配置如图1所示。

图1 系统配置Fig.1 System configuration

2 γ探头

2.1 性能模拟与实测

γ探头的性能是系统性能的关键因素，因此γ探头性能模拟与实测是系统研制的基础。γ探头模拟与实测步骤如下:①按照γ探头内的γ探测器的能量响应和多探测器组合等的MCNP4(一种“蒙特卡罗”软件)模拟计算结果，决定γ探头所用的理论上最佳屏蔽体组合、材质和开孔方法;②进行γ探测器的能响试验验证，并同步进行探测效率、测量范围和温度稳定性试验;③然后比对模拟与实测结果，确保满足系统测量要求;④最后根据试验结果研制对应的γ探头电路。

2.2 γ探头电路原理

为扩宽测量范围同时减小误差，γ探头电路采用两个γ探测器:低量程段用高灵敏度γ探测器，高量程段用低灵敏度γ探测器。γ探测器与γ光子作用，产生极微弱的脉冲信号，经电荷灵敏前置放大器与主放大器两级放大，脉冲幅度可达到预定大小;经甄别成型电路，可获得稳定整齐的方波脉冲信号，有利于LPU处理。

γ探头电路原理图如图2所示。

图2 γ探头电路原理图Fig.2 Principle of γ probe’s circuit

因系统所需的量程很宽(10－6～1 Gy/h)，不同监测区域的噪声大小差别很大，为提高测量精度，我们研制了偏置电压设置电路和阈值设置电路。通过偏置电压设置电路，可以调整γ探测器的反向工作电压，从而改变γ探测效率。通过阈值设置电路，可以设定甄别成型电路的合适阈值。

为确保系统可靠运行，我们研制了电子学和光学自检电路。电子学测试采用LPU产生的可设定幅度与宽度的脉冲信号，光学测试(仅对高量程部分的低灵敏度γ探测器)选用内置于γ探头内的带聚光功能的LED灯。

当γ探头所处环境振动较严重时，振动测量电路使LPU对低量程计数进行补偿(减少计数)。通过温度测量电路，LPU可进行温度补偿计算。

2.3 γ探头PCB(印刷电路板)

γ探头PCB的高稳定电源电路采用“低噪声、低压降线性稳压器”芯片(TPS7A4901和TPS7A3001)，“电荷灵敏前置放大器”选用“高增益、高带宽、高速、超低噪声、场效应管输入”型集成运放芯片(AD8067)放大探测器输入信号。

电子元器件全部采用贴片型的，双面紧凑布局，并尽可能缩小电路板尺寸。这样不仅可以减少线路的电容分布，缩小受干扰面积，而且大大减轻了能响补偿部分和电磁屏蔽部分的重量。

3 就地处理单元(LPU)

3.1 功能设置

可编程逻辑控制器(PLC)为该区域的过程控制单元，过程控制单元不仅处理该区域γ辐射信号，而且控制该区域的其他所有工艺设备。若探头距离过程控制单元较近(＜100 m)，可不必设LPU，信号直接由过程控制单元处理。由于采用了TIA架构，γ辐射信号如同其他工艺信号(位置、速度、压力、流量、温度等)，可流畅地参与该区域的工艺自动控制系统。

区域γ辐射监测系统具体功能如下［2］。

①输入功能，包括高低量程偏置电压、高低量程阈值和高低报警值设置，光学和电子学测试，刻度系数输入，脉冲计数允许/禁止，LPU网址，探头ID，选择显示单位和设置计数时间。

②显示功能，包括剂量率和累计剂量。

③状态查询功能，包括高低声光报警、温度指示、电源(220 VAC、+5 V、±12 V)电压指示和振动指示。

④数据查询功能，包括剂量率和累计剂量从现在开始1 min、1 h、1 d或操作人员设定的时间的平均值、历史趋势曲线、索引和日期/时间。

⑤数据存储功能，以数据库形式储存数据，插入存储卡(如SIMATIC MC 24 MB)，可自动存储海量数据。

⑥(可选)短消息功能，通过添加GPRS Modem模块(如西门子的SINAUT MD720-3)并开通短信(short messaging service，SMS)业务，可向有关人员的手机发送辐射监测信息，按手机短息收费。

3.2 LPU 配置

根据γ探头电路原理图与功能设置，配置LPU的PLC模块。具体I/O(输入/输出)点数如表1所示。

表1 I/O点Tab.1 I/O points

LPU配置图如图3所示。

图3 LPU配置图Fig.3 LPU configuration

LPU配置S7-1200系列的三个模块如下。

①CPU模块(CPU1212C DC/DC/继电器)板载8个DI点、6个DO点、2路AI，包含4个高速计数器(每个DI点都有脉冲输入捕捉功能)和2路脉冲输出;

②AI/AO混合模块(SM1234 AI4/AO2)板载4路AI和2路AO;

③ AO模块(SM1232 AO2)板载2路AO。

以上三个模块总共可驱动8个DI点和6个DO点、6路AI、2路AO、4路脉冲输入计数、2路脉冲输出，是满足表1要求的最佳配置(模块最少、所占空间最小)。

触摸屏为可选件，可选 KTP600 Basic(Color，PN)，5.7 英寸(1 英寸 =25.4 mm)。该触摸屏侧重于基础方面，提供大量标准软件功能(如报警系统、配方管理、趋势功能和语言切换);可与S7-1200无缝兼容;防护等级为IP65，可在恶劣的工业环境中使用。

LPU与过程控制单元的CPU模块集成的标准以太网接口RJ45支持电缆交叉自适应，因此，标准或交叉的以太网线都可用。

4 系统集成

4.1 统一的通信

系统内所有单元(LPU、触摸屏、过程控制单元、操作站PC、中央控制室PC以及编程PC)通过统一的物理接口——标准以太网接口 RJ45、统一的通信协议——Profinet，组成 10/100/1000(单位:Mbit/s)工业以太网。

Profinet是Profibus＆ Profinet International现场总线组织提出并制定的一种开放的、跨供应商的、基于工业以太网技术的自动化总线标准。通过该协议，系统可获得以太网标准IT功能，实现就地处理、过程控制和区域管理三级之间高速流畅的数据通信;同时不失现场总线系统的耐用性，可在极端工业环境下，依靠高速冗余功能构造故障安全型网络［3］。

通过Profinet强大的通信能力(支持的现场安装节点数量可超过210万个)、各种耐用连接器(如工业以太网交换机等，满足EMC和温度要求)和特别设计的工业电缆(或光缆)，系统可以采用星型、总线型和环型拓扑结构，形成庞大而又灵活的网络。

Profinet支持以下三种通信方式。

① TCP/IP标准通信，响应时间100 ms量级，满足区域管理级使用标准的 IT服务(如 http、HTML、SNMP、DHCP和XML等)，加强对整个网络的管理和维护，节约调试和维护成本;

② 实时(real time，RT)通信，Profinet提供了一个优化的、基于以太网Layer 2(第二层)的实时通信通道，响应时间5～10 ms量级，满足γ探头与LPU或过程控制单元(即就地处理和过程控制两级)对响应时间的较严格要求;

③ IRT(同步实时)通信，当节点数≤100个时，响应时间＜1 ms，抖动误差＜1 μs，满足对通信实时性要求最高的运动控制，如某处突然出现较强的γ辐射或其他危险情况，立即声光报警，启动联锁装置。

4.2 统一的数据管理

在TIA中，所有数据都存储在一个项目中，修改后的应用程序数据(如变量)会在整个项目内(甚至跨越多台设备)自动更新。通过跨项目组成部分的符号寻址，可以在程序中的任意位置创建或修改该变量。TIA提供了三种创建PLC变量的方式:①在PLC变量表中定义;②在程序编辑器中定义;③通过PLC输入和输出的链接来定义。变量修改是集中执行且不断进行更新的。一致的数据管理免去了在同一项目内的不同参与者之间进行同步的必要。