核试样气动送样系统控制单元设计

陆学峰，李卫民，刘振东，魏艳

（1.银川东方气力运输设备有限公司，宁夏 银川 750002；2.中国原子能科学研究院，北京 102413）

气动送样系统是以压缩空气为动力，特定直径管线为通道，通过自动阀门组成的气路进行传输方向控制，把样品从某一起点快速输送到指定点的管道密封输送装置。在国内主要应用在铁路、冶金、矿山等部门，完成铁路货票、钢厂钢样的快速传递，极大的提高了样品传送效率，降低运行成本。在核系统中，法国已将气动送样系统广泛地应用在后处理厂及放化实验室等核设施中，进行放射性样品的传递。我国的中试厂也采用了气动送样系统。但该项技术未见公开推广。

1 核试样气动送样系统

1.1 工作原理

核试样气动送样系统属于正压发送气动送样系统中的一类，是以洁净压缩空气为动力，把装有试样的样盒沿输送管线高速吹向目的端的机电一体的自动化系统。整个发送过程由PLC 进行自动化控制，并可通过“道岔”实现一对多的发送试样。

1.2 结构组成

本系统主要包括收发装置、控制单元、气控柜、泄压装置、管路光电传感装置、方向转换装置（道岔）、输送管线及连接辅件、样盒、语音对讲系统等，详见图1。

图1 气动送样原理示意图

1.3 系统特点及要求

核试样气动送样系统在钢厂、铁路等民用气动送样系统基础上，针对放射性样品传送要求，设计开发了适用于核系统的样盒、收发装置、方向转换装置（道岔）、管路及光电检测装置等设备，设计过程中重点考虑了系统运行的安全性、可靠性、可操作性和少维护性，提高了整体控制精准度，增加了减速缓冲功能模块和语音对讲功能模块，避免了样品传输过程中的破损，同时保障了运行过程中信息的及时传输和沟通。核试样气动送样系统具有以下特点：

（1）采用一对多的发送结构简化了管网结构，节约了箱室空间并降低装置成本。

（2）装置中的线路光电检测装置可检测核试样的行踪，减速缓冲功能提高了传输样品的安全性。

（3）核试样气动送样系统设计过程中安全性、可靠性、少维护性的理念贯穿始终，同时考虑了故障工况下的处理措施。

（4）友好的人机界面及语音对讲系统可大大提供了运行过程中的信息传输，满足了运行人员信息沟通需求，降低了人员的操作强度，该功能在放射性工作中显得尤为重要。

2 核环境下控制单元设计要求

控制单元是整个气动送样系统的指挥控制中心，相当于人的大脑、神经中枢，对整个气动送样系统进行指挥控制，实现系统中各个环节设备的有序运转，满足运行要求，其重要性不言而喻。由于核系统的气动送样系统的收发装置都安装在密封箱室中，运行过程中通过工作人员戴手套操作或操作机械手完成，增加了系统运行的复杂性和操作难度，给控制系统提出了更高的要求。核试样气动送样系统控制系统应具备可靠性高、操作简便、耐腐蚀、方便快速维修等性能，设计时应考虑以下几点：

（1）机械驱动系统部件必须满足其耐辐照性能和硝酸环境下的耐腐蚀性能，确保运行的可靠性和较长的使用寿命，也可通过改变设计及布局来延长其使用寿期或方便操作和维修。

（2）必须提供冗余设计，在系统出现故障时，有被选的应急处置方案，有信号反馈。

（3）设置必要的安全连锁机构和锁止程序，避免人员和系统运行发生危险，确保安全。

（4）热室设备的设计考虑其长期使用的稳定性和可靠性，尽可能与设施寿期同步，如无法满足，要考虑模块化、标准化、易更换维修设计。

（5）放射性场所使用的部件、材料应考虑耐辐射损伤，也可对易受辐射损伤的材料局部屏蔽，或将其适当布置及安装，以实现快速更换。

（6）人机界面视图应实时显示核试样传输状态及堵塞位置、传输部件状态、分流器状态。

3 控制单元设计

控制单元主要包括光电检测模块、方向转换装置（道岔）驱动模块、语音通讯模块、电气驱动模块、人机界面模块组成。

3.1 光电检测模块设计

光电传感器通常具有发射器和接收器单元。光电传感器很容易受到辐射损伤，放置在热室外，安装于管道沿线，用于检测传输样盒是否通过管线的这个位置，从而启停控制气路。

光电传感器安装于输送管道靠近收发器端的转弯处。样盒通过光电传感器安装点时，会瞬间遮断由光电传感器发出的红外光线，从而使传感器产生通断感应而发出信号，控制系统依此信号控制气路电磁阀的开关及换向器的转动。

3.2 方向转换装置（道岔）驱动模块设计

根据所需的控制精度、转速、扭矩、功率、机座尺寸、电压要求、现场要求、负载因子和工作循环等因素，对电机进行选型。同时考虑现场辐射气氛、湿度、腐蚀性烟雾等因素的影响，选择可靠性高、定位精准的伺服电机和驱动控制器。

伺服电机包括交流伺服电机(无刷)、直流有刷伺服电机和直流无刷伺服电机。其中永磁交流异步伺服电机其惯量小、体积小、散热性能好、工作可靠、维护和保养要求低等特点较符合在特殊环境中的应用。闭环伺服控制系统通过与伺服电机同轴连接的编码器作为反馈装置向数字控制器提供信息，数字控制器据此生成驱动电机的指令信号。在热室环境下首选使用该类伺服电机将其作为位置和速度反馈方法。

3.3 语音通讯模块设计

语音对讲系统极大的方便了操作者在传送样品前后与对方进行有效沟通，以确保设备和样品的安全。

该语音系统由于应用领域的特殊性，要求此语音对讲系统操作简便、语音效果较佳，具备网络化、可视化、一键呼叫、排队应答、免接听、一对一通话和一对多通话、广播、自动排障、组网简单、主副机设置便捷等诸多功能。

3.4 电气驱动模块设计

电气驱动模块由电气组态和PLC 的控制程序组成。

3.4.1 电气组态

控制单元设置了1 台总站控制柜和10 台道岔控制柜，各站点的控制元件和检测元件按所属道岔划分，分别受该道岔控制柜的控制。

基于控制单元应用环境的特殊性和系统中各站点之间相关联的复杂性，采用进口的西门子S7-400 系列高端PLC 控制器作为整个系统的核心控制部分，置于总站控制柜内，而10 台方向转换装置所用到的传动系统均采用西门子S120 系列伺服系统，分别置于10 台道岔控制柜内，同时采用10 套西门子ET200 系列远程I/O 模块对分散于各个楼层的检测信号进行采集和对动作元件的控制。

3个主站点采用触摸屏控制进行控制操作，其界面、功能更加丰富。在42个分站采用操作箱进行终端控制。分站操作箱具有设备状态显示和发送功能，指示明了，操作简单。

由于采用多级道岔串联一对多的发射状架构、输送管径小、管路切换精度高、站点数量多且样盒轻巧难检测等特点。因此，控制单元设计的关键在于整个网络架构的布局和方向转换装置精确定位。

PLC 与10 套伺服控制器以及上位工控机之间均通过profibus 总线进行组网。PLC 作为通讯主站，其DP 口下挂6个DP 信号放大和隔离模块，然后再连接至各从站设备（10个ET200 远程I/O 从站+10个S120 伺服从站），这样确保网络通讯的稳定性。

3.4.2 PLC 的控制程序

系统中10个道岔控制柜及受其控制的站点的分布都具有较大的相似性，因此PLC 的程序设计应采用模块化的程序结构，这样更有利于程序的稳定性和可移植性。

该系统不但I/O 点数较多而且程序内部所用的中间寄存器点位（M）和定时器（T）数量也较多，必须通过合理的区域划分，才能确保在编程中各点位不被搞混弄错，程序思路更清晰、可读性更强。

伺服电机的控制需要配置好伺服电机和伺服驱动器的各种参数，比如控制模式、传动比例、启停坡度、运行方式、曲线参数、运动位置、报文结构等内容。

实际运行过程中由PLC 通过报文指令向伺服控制器发送动作信号，控制器则按照配置好的运动参数来控制电机的启停、速度、方向和定位位置使电机运动起来并最终精确定位到目标点位，使其运用于现场道岔在各工位之间的切换运动。采用高精度绝对值编码器可实施反馈电机所处的位置和速度，形成一个闭环控制，以实现道岔的精准定位。

为达到对方向转换装置的可靠控制和对伺服系统详细状态显示的目的，PLC 与各S120 伺服从站之间通过“999 自由报文”格式进行通讯，实现伺服系统与PLC 之间的命令控制和状态反馈，报文内容根据具体需要进行自定义，较为灵活实用。如表1 所示。

表1 部分999 报文状态字和控制字详解

3.5 人机界面设计

控制单元的体系结构实际上是一个小型的集散系统，人机界面借助某种监控软件平台进行实际工程的组态编程，最终形成工程程序，运行与监控软件平台之上。

上位机监控软件运行点数规模为1024 点，自带各种自动化通讯协议，通过该监控软件组态好相应的通讯设备和链接变量，设计出所需的人机交互画面和内部数据处理程序。最终完成的工程文件依托监控软件平台运行在工控机上，与PLC 之间以PROFIBUS-DF 协议进行通讯，从而对PLC 中所需的各种状态数据进行读写操作，由此实现与现场各站点的按钮、电磁阀、伺服驱动器、触摸屏等设备的连系。提供了丰富的数据采集、数据处理，控制功能和友好的人机界面满足了实际的需要。

触摸屏与PLC 之间以PROFIBUS-DF 协议进行通讯，触摸屏上的人机界面与工控机上的人机界面具有某些相同的功能，只是因为应用区域和操作级别的不同而在功能上具有不同的侧重点。

在工控机的主控窗口中可以看到整套气动送样系统中各个发送站点及道岔装置间的相互连接关系，以及各站点的发送记录和故障记录。发送记录部分可显示设备发送、到达、故障等信息。故障记录部分可帮助用户快速的了解设备故障状况以便进行及时对故障处理和恢复。

3.6 维修模式决策程序

尽管通过各种措施尽可能的提高了设备的可靠性和安全性，但也仍然需要在设计阶段考虑热室设备的维修方法。通常对热室部件的故障实施就地维修较为困难。优选方法是拆掉故障部件并直接更换成新部件，其次是尝试修理故障部件。不能使用热室内机械手完成修理或更换的部件通常被转移到维修区，由穿防护服的工作人员进行手动修理。在维修区等待修理的设备应先行去污到适于接触维修的水平。

4 结语

在充分考虑核系统中核试样特点和传输要求的基础上，借鉴了钢厂气动送样系统的设计，成功地设计开发了适用于核系统的气动送样系统控制单元，设计满足了放射性复杂环境下运行操作的各种要求。

目前，气动送样系统已在放化实验设施中得到应用。经现场安装调试及后续运行结果表明，气动送样系统控制单元满足核系统中核试样传输要求，有效解决了核试样跨区域安全快速传递的难题，部分设备填补了国内空白，得到用户认可和高度肯定。