基于冗余PLC的废物桶无损检测仪控制系统设计

袁 骏，何志军，张 伟

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

0 引言

近年来，随着我国核工业的发展，核技术被应用于各个行业，由此不可避免地产生了大量亟待检测、管理的核废料和核废物[1]。对此，我国制定了放射性废物管理的相关国家标准，规定了放射性废物的产生、收集、预处理、处理、整备与贮存等各个阶段的管理目标和基本要求[2]。因此，在处理、处置之前，对核废物的检测和分类显得尤为必要[3]。

放射性废物经过一系列的处理后，形成密封包装的废物桶。废物桶产生后通常不再进行取样分析，只能采用无损检测方法对其进行测量，以得到核素及活度信息[4-5]。因此，废物桶无损检测仪是核废物产生单位必须配备的重要设备之一。废物桶无损检测间处于高放射性环境，现有国内废物桶无损检测仪控制系统缺少冗余设计。当废物桶处于无损检测间时，工作人员无法进入检测间。这对废物桶无损检测仪控制系统的可靠性和高效性设计提出了更高的要求。

本文开发了一种基于冗余可编程序逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)和以太网控制自动化技术工业现场总线通信网络的废物桶无损检测仪控制系统。该系统采用2套PLC，实现控制器的一主一备同时运行；通过软件编程，实现双控制器的冗余切换；结合伺服运动控制、工业现场总线和工业以太网等技术，提升了控制系统的可靠性和高效性，有效避免了由于控制系统出现故障而引起的安全事故。

1 废物桶无损检测仪组成及功能

以某乏燃料后处理厂为例。废物桶无损检测仪包括测量转台和探测器组件2部分。测量转台由辊道传动机构、转台旋转机构和转台平移机构组成。探测器组件由探测器升降机构、探测器平移机构和准直孔开关机构组成。废物桶无损检测仪控制系统需要实现以上机构的六轴协调控制，高效、可靠地完成整个检测工艺流程。废物桶无损检测仪组成及功能如表1所示。

表1 废物桶无损检测仪组成及功能

2 控制系统硬件设计

2.1硬件总体架构设计

废物桶无损检测仪控制系统硬件部分主要由上位机、下位机、输入/输出(input/output，I/O)模块、驱动执行及检测机构组成。

上位机用于系统控制指令设定和运行可视化监控等。废物桶检测时，操作员借助上位机实现与PLC的信息交互。上位机界面下发操作员的指令和系统参数，并显示设备实时运行的三维动画。

下位机是整个控制系统的控制器。废物桶无损检测仪控制系统属于运动控制系统。下位机选用倍福公司的PLC。该控制器可同时对6根运动轴进行控制，满足设备需求。此外，下位机采用冗余PLC设计，一主一备独立运行。PLC冗余控制技术是提高控制系统可靠性的有效方法和主要措施[6-7]，能够使控制系统在运行时不受局部单一故障的影响，实现在线维护工作，从而达到提高控制系统可靠性和降低失效率的目的。

I/O模块用于远程收集与输出信号。收集的信号包括行程开关、传感器和第三方设备信号。输出的信号包括指示灯和第三方设备信号。

控制系统硬件总体架构如图1所示。

图1 控制系统硬件总体架构图Fig.1 Overall architecture diagram of the control system hardware

驱动执行及检测机构主要包括伺服驱动器、伺服电机、行程开关和传感器等设备。PLC通过现场总线与驱动执行机构连接，并控制其动作和接收其反馈信息；PLC通过I/O模块与检测机构连接，并收集和输出相关信号。

2.2 冗余PLC控制器的设计

2台PLC通过以太网连接，交互信号，实现冗余。2台PLC的型号和运行程序一致，供电来自不同的开关电源，保证了2台PLC能够可靠、稳定地同步运行。2台PLC再分别通过交换机与上位机和工业总线各从站连接，独立的网络连接，互不影响，实现了对上位机信息交互和工业总线各从站控制的网络冗余。

2.3 通信网络的设计

控制系统中采用了工业现场总线和以太网这2种通信方式。其中:上位机与下位机、主控制器与备控制器之间采用以太网通信；下位机与I/O模块、伺服驱动器之间采用以太网控制自动化技术(ethernet control automation technology，EtherCAT)工业现场总线通信。EtherCAT工业现场总线的100 Mbit/s传输速度保证了控制系统的高效性[8]。上位机自带2个网口。下位机自带2个网口，搭配EtherCAT工业现场总线扩展模块的1个网口。交换机自带8个网口，均满足废物桶无损检测仪控制系统通信网络的硬件设计要求。

2.4 硬件选型清单

在废物桶无损检测仪控制系统硬件总体设计的基础上，结合工艺测量要求，完成了控制系统相关硬件选型。控制系统硬件的主要器件如下：上位机(型号DIAVH-PPC155100A)具有15英寸(1英寸=25.4 mm)显示屏、2个网络接口、2个USB接口；下位机(型号CX2020-0125)具有4 GB内存卡、40 GB的Cfast存储卡；交换机(型号CU2008)具有8个网络接口；总线拓展模块(型号EK1110)是EtherCAT工业现场总线扩展模块，具有1个网络接口；数字量输入模块(型号EL1018)具有8路数字量输入信号；数字量输出模块(型号EL2008)具有8路数字量输出信号；模拟量输入模块(型号EL3152)具有2路4～20 mA模拟量输入通道；伺服驱动器(型号AX5106-0000-0200)额定输出电流6 A，输出峰值电流13 A。

3 控制系统软件设计

3.1 控制系统运行检测流程图

废物桶无损检测仪控制系统可实现由上位机自动加载工艺参数，控制设备完成废物桶的无损检测工艺流程。运行检测流程主要包括设备初始化、启动检测、接收废物桶、加载工艺参数、测量转台动作、探测器组件动作、送出废物桶和设备复位等步骤。控制系统运行检测流程如图2所示。

图2 控制系统运行检测流程图Fig.2 Flowchart of control system operation detection

3.2 下位机软件设计

废物桶无损检测仪控制系统的下位机编程软件使用倍福公司的基于Windows的控制和自动化技术工程软件(the windows control and automation technology 3， TwinCAT 3)。TwinCAT 3是以结构化文本语言(structured text，ST)为主、符合IEC 61131-3标准的编程系统标准，可在线/离线对PLC程序进行修改，易于调试和维护。

下位机软件采用模块化编程方法，根据设备的功能和工艺的要求，将下位机程序分成了7个主要功能模块，即调试运行功能块、手动运行功能块、自动运行功能块、故障复位功能块、安全保护功能块、冗余控制功能块和数据监测功能块。其中，每个功能块又包括若干个子程序模块，例如速度控制模块、绝对位置控制模块、编码器零位设置模块等。

3.3 上位机软件设计

废物桶无损检测仪控制系统的上位机编程软件使用易控公司的组态软件，以标准c#语言作为编程语言， 与下位机之间通过先进设计系统协议(advanced design system，ADS)进行通信，实现对设备工艺参数和控制指令的下发，以及对设备的运行数据的采集和状态监控。

除常规的二维流程图和报警指示灯显示画面外，该上位机还开发了三维动画实时显示画面，更加直观、生动地展示工艺检测流程。

4 测试

样机研制调试过程中，经过了长期的调试和大量的测试，分别对每根运动伺服轴的速度、加速度、减速度、比例、积分和微分参数进行修正[9-11]，以保证每根运动伺服轴在负载工况下可以平顺的完成动作。以转台侧搭载500 kg废物桶、探测器组件侧搭载探测仪器的测试工况为例，使转台旋转电机以18°/s和探测器平移电机以14 mm/s的速度正负连续往复运动。测试过程中对运动曲线进行了监测。运动曲线如图3所示。

图3 运动曲线Fig.3 Motion curves

从图3可知，2根轴在以上工况和运动状态下，位置偏差值微小，速度曲线平顺，满足废物桶无损检测仪对控制系统的要求。

5 结论

本文设计了基于冗余PLC的废物桶无损检测仪控制系统。为保证废物桶无损检测仪的可靠性和高效性，本文提出了一种基于冗余PLC和EtherCAT工业现场总线通信网络的控制方案，重点介绍了设备的功能、控制系统硬件架构、硬件选型、工艺检测流程、下位机PLC软件设计、上位机画面软件设计等内容。本控制系统已通过了相关课题的验收，可以满足对于废物桶无损检测仪可靠性和高效性的要求，弥补了现有国内废物桶无损检测仪控制系统缺少冗余设计的空白，具备广阔的工程应用前景和巨大的经济效益。