中国散裂中子源辐射安全联锁门禁系统的设计

马应林，王庆斌，王宇飞，吴青彪，李俊刚

(1.东莞中子科学中心，东莞523803；2.中国科学院高能物理研究所，北京100049；3.中国科学院大学，北京100049)

中国散裂中子源(CSNS)位于广东省东莞市中子科学城内(规划)，是迄今为止我国最大的大科学装置(国家为解决重大科技前沿、国家战略需求中的战略性、基础性和前瞻性科技问题，谋求重大突破而投资建设的大型研究设施，是国家基础设施的重要组成部分)。CSNS的目标是成为世界主要脉冲散裂中子源科学研究中心之一，为我国基础及应用研究提供一个先进的多学科创新研究平台[1]。目前，加速器束流已经成功打靶，三台谱仪的调试工作正在顺利进行，预计2018年可以开始为用户提供中子束流。

CSNS的核心是质子加速器，在质子加速以及打靶过程中，会入射到原子核内，并且同该核内的核子发生级联碰撞、交换能量、打出中子。激发核退激的过程中，伴随有γ射线发射出来。中子和γ射线会对人引起直接的辐射照射[2]。因此，如果人员误入正在产生脉冲辐射的高辐射区，将造成严重的人身伤害事故。联锁门禁设计的目的就是要避免人员误入或误留在高辐射区。

1 发展现状

早期门禁是通过人工控制实现的，其效率低下并且造成了劳动力的浪费。计算机技术的应用使机器逐渐取代了人工，出现了门禁控制系统[3]。

门禁控制系统的设计首先要保证做到安全可靠、经济易用，作为大型加速器的门禁系统，由于其独特的应用场合，还必须考虑到以下几点：①最优切断：在加速器控制系统的联锁逻辑中，门禁系统应具有最优先的权力切断束流。②失效保护：当系统关键设备失效时，要有应急保护措施来保障人员的安全。③冗余措施:系统必须要有冗余设计，不能因门禁系统的局部故障，影响加速器的整体安全性[4-7]。

由于国内外大型加速器各有自己的特殊建筑结构和使用方式，其门禁系统的设计也没有统一的标准模式，从系统架构到具体功能和使用方式都有自己独特的设计，门禁系统有的是以单片机和电脑为核心架构出了复杂系统，有的是以可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)为核心，有的具有“零计数”、“个人剂量联锁”等功能，有的是全自动无人值守的，有的需要值班员辅助管理[8-12]。这些研究和探索极大的促进了粒子加速器门禁系统的发展，散裂中子源辐射安全联锁门禁系统是以这些研究为基础，结合模块化、系统化的设计思想，将PLC和门禁控制器组合使用，分工合作，实现了一个稳定性高，简单可靠安全可扩展的联锁门禁系统。

2 系统组成

散裂中子源联锁门禁系统由现场门禁控制设备(包括现场门禁控制器、进入读卡器、退出读卡器、紧急开门按钮、防护门内释放按钮、门磁开关和电磁门锁等)、PLC联锁设备(包括PLC、PLC信号采集模块、联锁钥匙、门磁开关、加速器控制系统相关设备和通风控制系统相关设备等)、语音设备、LED显示屏、摄像机、门禁接入控制器、服务器和工作站等设备组成，联锁门禁系统框图如图1所示。

图1 散裂中子源联锁门禁系统框图Fig.1 Diagram of radiation safety interlock access control system

(1)门禁控制器

门禁控制器分为门禁接入控制器和现场门禁控制器；门禁接入控制器向下接控制现场门禁控制器，向上接门禁系统服务器，具有划分防区、监测下层设备的功能；现场门禁控制器直接控制门禁系统现场设备，执行开门联锁程序。

(2)紧急开门按钮

紧急开门按钮也叫玻璃破碎按钮，它是串联在电锁回路里面，防止门禁系统硬件故障导致人员无法开门。当出现紧急情况时，用手按碎玻璃即可断开门锁电源，自由推拉联锁门，散裂中子源在联锁门的内外都安装有紧急开门按钮。

(3)防护门内释放按钮

防护门内释放按钮是一种紧急逃逸装置，串联在电锁回路里，其原理与玻璃破碎按钮相似，不同之处是防护门内释放按钮只安装在有需要保持常开的防护门处，如部分防护门在打开时要垫平以运输设备，为避免误锁，在放置垫平块前要按下释放按钮，门锁电源断开，门锁无法锁闭；启开垫平块之后由专人复位按钮，门体才能关闭。

(4)门磁开关

门磁开关实际上是一种位置传感器，用于检测联锁门的状态，安全联锁系统一般只关注门是否完全关闭，没有完全关闭的情况都认为联锁门是打开状态。

(5)电磁门锁

电磁锁是利用电流磁效应，当电流通过硅钢片时产生吸力，吸住吸附铁板以达到锁门的效果。电磁门锁是执行机构，完成对人员出入的放行与拒绝操作。

(6)联锁钥匙

联锁钥匙是一种置换式机械联锁设备，进入控制区的人员随身携带的次级和加速器区域控制是置换关系：人员不归还联锁钥匙，加速器区域控制无法就绪，加速器无法开机；加速器开机时，取走区域控制钥匙，加速器会强制停机。散裂中子源直线加速器区域联锁钥匙关系图如图2所示。

图2 直线加速器联锁钥匙示意图Fig.2 Diagram of linac interlocking keys

(7)加速器控制钥匙

加速器控制台有模式控制钥匙和区域控制钥匙，模式控制钥匙有若干档位，对应于不同的机器运行模式；不同模式对应不同的控制区域，每个控制区都有一把区域控制钥匙，如图3所示,区域控制钥匙信号通过硬连线送入安全联锁系统。

图3 加速器模式与区域控制钥匙联锁示意图Fig.3 Interlocking diagram of accelerator model and area control keys

(8)通风控制设备

通风系统的控制区负压状态信号、通风状态信号也送入安全联锁系统，由PLC进行逻辑联锁处理后发送给现场门禁控制器。

(9)可编程逻辑控制器

可编程逻辑控制器具有可靠性高、抗干扰能力强的特点[13]。本文使用PLC采集加速控制系统、通风控制系统、门磁开关和联锁钥匙设备等信号并进行逻辑联锁处理，将联锁结果分为：“禁止进入”、“限制进入”和“控制进入”，并将信号送入现场门禁控制器。

(10)提示设备

联锁门上方安装有LED显示屏、管制状态指示灯和语音提示装置；联锁门禁系统通过LED屏联动控制模块控制LED屏显示控制区的管制状态和控制区内人员的数目和姓名；管制状态指示灯用于显示控制区的管制状态(绿色代表控制进入、黄色代表限制进入、红色代表禁止进入)；语音提示装置播放语音提示操作。

(11)急停与清场设备

隧道内有紧急停机按钮、搜索清场按钮和语音提示装置；隧道内被困人员可以按下紧急停机按钮停掉加速器束流；搜索清场按钮是用于加速器开机前的逐点清场；语音提示装置在搜索清场时和加速器开机前会进行语音播报。

(12)摄像机

每个联锁门都配备了一台摄像机，用于监测人员出入和设备使用情况。在人员执行刷卡、取钥匙动作时，联锁门禁系统会进行联动抓拍和录像。所有录像保存一个月，以备查询。

(13)服务器工作站

CSNS中央控制室设置有辐射防护控制台，联锁门禁系统的发卡授权、视频监控、记录查询以及值班等工作在控制台。控制室旁边设有机柜房，门禁控制系统服务器、视频监控系统工作站、综合管理工作站等设备安装在机柜房专用机柜内。门禁控制系统服务器为一主一备，备用服务器通过心跳信号(主用服务器每隔固定时间向备用服务器发送一个小数据包，备用服务器在设定时间内未成功收到来自主用服务器的数据包，则认为主用服务器故障)判断主用服务器是否正常，在主用服务器故障时，备用服务器自动切换为主用。

3 工作流程

散裂中子源控制区的联锁门统计见表1，按照材质可以将联锁门分为带钢化玻璃的不锈钢密闭门和铁板内含混凝土的防护门，为简便起见，后文简称为玻璃门和防护门。

表1 联锁门统计表Table 1 Interlocking door statistics table

注：由于篇幅限制，表中只列举了部分有代表性的区域联锁门

玻璃门一般安装在迷宫外，门内为控制区，门外为监督区。从监督区进入控制区时，门禁系统将执行如图4(a)所示的控制流程。门禁卡分为有高权限的巡更卡和普通权限的工作卡，巡更卡只发放给有巡更权限的值班人员，可以在控制区“限制进入”模式和“控制进入”模式下使用；工作卡发放给安全管理部门批准授权的放射性工作人员，只能在“控制进入”模式下使用。进入控制区时，必须携带个人剂量卡和安全联锁钥匙，个人剂量未超标和按照要求取下一把安全联锁钥匙是门禁系统开门的必要条件。工作人员离开辐射工作场所控制区的门禁控制流程如图4(b)所示，即有效的授权卡均可直接刷卡开门。

图4 辐射工作场所控制区进出门控制流程Fig.4 Entrance and exit process of the radiation control area

联锁门的内部和外部均配置有玻璃破碎开门按钮，紧急情况发生时，可以按碎玻璃，断开门锁电源，强制开门。

防护门一般安装在迷宫与隧道的连接处，防护门内侧是加速器隧道，防护门外侧是迷宫，加速器隧道与迷宫为同一控制区，因此，防护门门禁一般不判断刷卡人员携带的个人防护设备，只判断门禁卡是否有对应管制模式的授权。

4 系统实现

联锁门禁系统的核心内容是联锁控制逻辑和门禁控制程序，控制逻辑中最重要的部分是控制区的状态管制程序，如图5所示，系统根据加速器状态、搜索清场状态和紧急停机按钮、联锁门磁状态等信号综合判断控制区安全状态，输出管制模式 (1)禁止进入：禁止所有人员进入控制区；(2)限制进入：仅允许持巡更卡人员进入；(3)控制进入：允许持巡更卡或工作卡人员进入。

图5 控制区管制模式转换关系图Fig.5 State transition diagram of access states

联锁控制程序使用横河(YOKOGAWA)FA-M3顺控PLC编写，该系列的PLC在日本高能加速器研究机构(KEK)、上海光源(SSRF)和散裂中子源等项目中有很多成功的应用[14]。

PLC联锁控制程序输出的信号通过定制的PLC信号采集模块输入现场门禁控制器，现场门禁控制器中写入门禁控制程序。这样做的好处是，即使上层网络通讯出现问题，现场设备也不会受到影响，可以保证人员的正常出入。图6为散裂中子源控制区入口的一个联锁门。

图6 控制区联锁门实物图Fig.6 The interlocking door picture

5 结束语

联锁门禁系统是CSNS辐射防护设施的重要部分，担负着保障人员安全进出控制区的重要责任，根据“三同时”制度，加速器的辐射防护设施，必须与主体工程同时设计、同时施工、同时投入生产和使用[15]。

CSNS的建设和调试是分段进行的，按照工程进展，2014年12月，联锁门禁系统直线隧道段投入试运行；2016年12月，环隧道段投入试运行；2017年7月，靶站谱仪段投入试运行。在试运行期间，除去检修升级时间，系统保持24小时运行，到目前为止，系统运行稳定。

2017年8月28日，散裂中子源首次打靶成功，获得中子束流。在此期间，联锁门禁系统安全稳定运行，有效保证了加速器和靶站谱仪的调试时间，保障了工作人员的人身安全。

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