安防系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計論文

　　摘要：介紹了對中國原子能科學(xué)研究院中子廳實驗室安全聯(lián)鎖系統(tǒng)升級技術(shù)方案及控制電路設(shè)計。針對中子廳實驗室原有設(shè)施所存在的隱患，設(shè)計安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。分別設(shè)計實驗室水門控制系統(tǒng)及巡更清場聯(lián)鎖系統(tǒng)。實現(xiàn)了實驗室進出口水門與劑量測量裝置聯(lián)鎖、水門自動開關(guān)到位、四個點巡更急停、通風系統(tǒng)聯(lián)鎖這四個功能功能，提升了實驗室使用的安全性。

　　關(guān)鍵詞：中子發(fā)生器;安全聯(lián)鎖;巡更系統(tǒng);PLC控制

　　中子廳為中國原子能科學(xué)研究院核技術(shù)所管轄與使用的中子實驗室。目前614中子廳使用的中子源為氘氘、氘氚中子發(fā)生器。氘氘、氘氚中子發(fā)生器為加速器中子源。由中子發(fā)生器離子源部分電離得到氘離子并引出，經(jīng)高壓加速后轟擊氘靶或氚靶，發(fā)生D(d，n)3He、T(d，n)4He聚變核反應(yīng)產(chǎn)生中子[1]。中子發(fā)生器及配套中子探測技術(shù)在安防反恐、中子快速成像和軍事方面都有廣泛用途[2]。中子發(fā)生器工作時，不可避免產(chǎn)生輻射。為防止實驗人員誤入而受到輻射傷害，應(yīng)依照我國輻射安全相關(guān)規(guī)范[3]，設(shè)計一套穩(wěn)定、可靠的輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。因PLC可編程控制器抗干擾能力強、可靠性高的特性，現(xiàn)在大部分的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，都圍繞PLC控制來開展[4]。本項目在清場巡更聯(lián)鎖系統(tǒng)中，使用PLC作為主控制器，實現(xiàn)搜索清場、聲光報警、通風排氣系統(tǒng)聯(lián)鎖、急停斷電功能;而出入口水門控制則因地制宜，使用限位開關(guān)及中間繼電器等硬控制器件[5]，對其進行了技術(shù)升級，實現(xiàn)了防護水門自動開關(guān)到位及與實驗室內(nèi)劑量測量裝置聯(lián)鎖功能，可防止高劑量時誤開水門，及開關(guān)不到位造成的劑量泄露。

　　1設(shè)計原則

　　中子實驗室在長期使用過程中，出現(xiàn)若干安全隱患：清場報警不利，造成人員滯留;急停開關(guān)單一，滯留人員急停斷電時可能已受照射;防護門未與劑量探測裝置聯(lián)鎖，劑量超標時也可動作;實驗室排氣裝置未聯(lián)鎖。有可能造成易燃易爆氣體濃度過大，放射性氚氣泄漏到實驗室環(huán)境中;水門未設(shè)限位開關(guān)，半開狀態(tài)下仍可以出束。中子廳實驗室的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計，需要排除以上安全隱患，做到在實驗裝置運行時任何一個潛在的違反輻射安全能引起事故照射的行為，都將會產(chǎn)生一個終止實驗裝置運行的聯(lián)鎖信號，以切斷輻射源項，保護人員的安全[6]。

　　2聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計方案

　　2.1進出口控制系統(tǒng)設(shè)計

　　在水門電機開關(guān)電路原有的基礎(chǔ)之上，設(shè)計一個點動與自動切換電路，并對水門加裝限位開關(guān)。水門可自動一次行程到位，也可手動控制。加裝限位開關(guān)，僅在水門動作到位時，方可對輻射裝置進行上電出束。將水門與試驗室安裝的中子環(huán)境劑量儀和γ環(huán)境劑量儀的報警開關(guān)信號聯(lián)鎖。如圖1所示，共三個劑量探測裝置，劑量儀開關(guān)信號串聯(lián)，成“與”邏輯。四個劑量儀中任一一個超過設(shè)定閾值，水門不能打開，可防止出束狀態(tài)下防護門誤開。中子出束完畢但伴隨γ劑量仍顯著高于本底值時，γ劑量儀仍處在報警狀態(tài)并鎖死水門不能打開，可防止高本底、非出束狀態(tài)下防護門誤開。

　　2.2巡更聯(lián)鎖裝系統(tǒng)設(shè)計方案

　　設(shè)計巡更聯(lián)鎖裝置，根據(jù)中子廳空間分布，設(shè)置四個巡更點。圖2為巡更點分布圖。主控制箱設(shè)在水門出入口處。主控制箱與四個巡更點、東廳排氣系統(tǒng)及水門外防盜門微觸開關(guān)全部聯(lián)鎖。主控制箱的動作施邏輯如下。(1)每個巡更點設(shè)置一個巡更開關(guān)、一個急停開關(guān)。巡更點為與邏輯：每個巡更點的開關(guān)觸點均閉合，主控制箱才能夠?qū)χ凶影l(fā)生器進行供電。任何一個巡更點開關(guān)觸電打開，都會造成中子發(fā)生器掉電。由此，每個巡更點均可急停。(2)排氣系統(tǒng)與主控制箱聯(lián)鎖。排氣系統(tǒng)共有兩路風道。一路為接在中子發(fā)生器機械泵出口處的風道，另一路是中子廳換風通道。設(shè)計邏輯為當且僅當兩路風道均正常工作時，系統(tǒng)才能上電。(3)巡更系統(tǒng)主控制箱由急停按鈕，清場按鈕，清場計時調(diào)節(jié)按鈕和總急停按鈕組成。按下總控制箱急停按鈕，四個巡更點的開關(guān)觸點全部斷開。若需對中子發(fā)生器重新上電，則重新巡更。滿足清場條件時，以進行清場操作。按下總控制箱清場開關(guān)，蜂鳴器鳴響，并有燈光閃爍報警。清場時間到，蜂鳴器停止鳴響，巡更系統(tǒng)可以上電�？偧蓖０粹o不通過PLC而直接使用機械方式對整個系統(tǒng)斷電。(4)水門到位信號與PLC清場上電信號串聯(lián)，為“與”邏輯。人員撤離實驗室。出入口防護水門旋轉(zhuǎn)到位，此時中子發(fā)生器上電。

　　3安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的控制電路設(shè)計

　　3.1水門控制電路的設(shè)計

　　設(shè)計水門控制電路圖如圖3所示，由圖3可見，控制電路點動開關(guān)加入限位開關(guān)信號、γ劑量儀及中子劑量儀超閾值報警開關(guān)信號作為限制條件;設(shè)計手動-自動狀態(tài)存儲用中間繼電器K3。K3的開啟條件為限位狀態(tài)繼電器KM1或KM2常開觸點閉合;限位狀態(tài)繼電器KM1、KM2常閉觸電閉合作為控制電路中電機交流接觸器上電的必要條件;KM1、KM2的上電吸合由限位開關(guān)SQ1、SQ2觸發(fā)并保持。水門處于中間狀態(tài)時，限位狀態(tài)中間繼電器KM1、KM2常開觸點斷開，此時K3常開觸點打開，電機控制電路中“起-保-停”的反饋保持電路不能工作，因而只能點動。當水門到達限位位置并觸發(fā)限位行程開關(guān)SQ1或SQ2時，限位狀態(tài)繼電器KM1或KM2被觸發(fā)，且狀態(tài)保持。KM1或KM2的常閉觸電打開，電機不能再向原來方向動作。此時閉合自動-手動選擇開關(guān)SB3，則自動狀態(tài)中間繼電器K3吸合，水門控制電路中反饋保持電路能夠工作，即此時水門工作在自動狀態(tài)下。從中子劑量儀和γ劑量儀中引出兩路開關(guān)信號。劑量儀不報警時為接通狀態(tài)，報警時開關(guān)斷開。將兩路信號串聯(lián)入電機控制電路的主路中，則任何一個劑量儀報警，其常閉開關(guān)斷開，電機交流接觸器不能上電，從而水門不能動作。

　　3.2巡更聯(lián)鎖系統(tǒng)控制電路設(shè)計

　　巡更聯(lián)鎖系統(tǒng)主控制箱擬使用可編程控制器PLC作為邏輯控制的核心部件，使用少量中間繼電器作為PLC的輸入輸出端口擴展，使用一個交流接觸器作為主電路供電的驅(qū)動部件。設(shè)計巡更聯(lián)鎖系統(tǒng)電路圖如圖4所示。如圖5所示，選用型號為FX1s-10MR的PLC作為主控制器[7]，控制四個巡更點。每個巡更點使用一個中間繼電器作為巡更狀態(tài)儲存，且配有巡更、急停兩個按鈕，和一個巡更指示燈。當此巡更點巡更有效時，指示燈點亮，否則指示燈熄滅。巡更點4多加了一個由總控制箱繼電器KA31控制的蜂鳴器P1，這樣在清場時，在實驗室遠端也能清楚聽見蜂鳴器的清場通知。四個巡更點的中間繼電器常開觸點串聯(lián)，并且與通風系統(tǒng)開關(guān)串聯(lián)。5個串聯(lián)觸點驅(qū)動中間繼電器KM5，KM5上電又作為系統(tǒng)上電的必要條件。使用交流接觸器KM1作為系統(tǒng)供電的驅(qū)動，KM1線圈由PLC的輸出Y2及出入口到位開關(guān)KA102串聯(lián)驅(qū)動。使用中間繼電器KA31來驅(qū)動蜂鳴器工作，KA21作為四路巡更系統(tǒng)的供電開關(guān)，在控制箱急停時可以一次關(guān)閉四路巡更系統(tǒng)的供電，即將巡更系統(tǒng)全部清零。使用總控箱工作及清場指示燈H11作為總控箱工作狀態(tài)的指示，其驅(qū)動信號直接由PLC賦予。而開關(guān)SB2作為清場計時的調(diào)節(jié)開關(guān)，將清場時間在30秒至2分鐘內(nèi)5檔可調(diào)。將X0定義為清場允許信號輸入端口，X1定義為清場觸發(fā)信號輸入端口，X2定義為控制箱急停信號輸入端口;Y0定義為報警蜂鳴器信號輸出端口，Y1定義為巡更點控制信號輸出端口，Y2定義為中子發(fā)生器上電輸出端口(其中上電指示燈由交流接觸器KM1的輔助觸點控制)，Y3定義為系統(tǒng)未上電狀態(tài)指示燈信號及清場光閃爍報警信號輸出端口，設(shè)計PLC的邏輯如下。(1)未上電狀態(tài)時，Y3與COM接通，Y2、Y1、Y0均與COM口斷開。(2)X0輸入開關(guān)信號為閉合的情況下，X1上升沿觸發(fā)清場程序。(3)清場程序執(zhí)行時，清場程序計時開始。Y0與COM口接通;Y3輸出1Hz開關(guān)脈沖信號，Y2與COM口不接通。(4)X4的閉合時間可調(diào)節(jié)清場計時時間。清場計時時間到時，PLC執(zhí)行上電程序。執(zhí)行上電程序時，Y3與COM斷開，Y2與COM口接通，Y0與COM口斷開。(5)無論PLC工作在哪個環(huán)節(jié)，X2輸入閉合信號時，Y1與COM接通;X0閉合信號斷開時，系統(tǒng)回到未上電狀態(tài)。由此，編寫PLC程序，進行軟件時序模擬，模擬圖如圖6所示。如圖6所示，未上電狀態(tài)，除Y3外，其余輸出均為斷開狀態(tài);當X0連通時，給X1一個脈沖信號，系統(tǒng)進入清場計時狀態(tài)。此時Y3輸出1Hz脈沖，Y0聯(lián)通;當清場計時時間到后，系統(tǒng)進入上電狀態(tài)，此時Y3與Y0斷開，Y2接通;而按下停止鍵后，即給X2一個脈沖之后，Y1同步輸出一個脈沖，系統(tǒng)掉電，Y2斷開，Y3重新接通(在這里給X0強制置1，實際上X0的輸入由巡更點和通風系統(tǒng)決定)。測試PLC程序符合之前設(shè)計的邏輯，可以使用。

　　3.3系統(tǒng)的測試與運行

　　在電路設(shè)計完畢后，制作了總控制箱與四個巡更點控制箱，并搭建了防護水門控制的繼電器邏輯電路。根據(jù)水門動作特性，按時序?qū)ο尬坏男谐涕_關(guān)進行動作，并與巡更控制系統(tǒng)同時動作，測試安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)測試，系統(tǒng)能夠完成設(shè)計要求。進而在中子廳實驗室安裝安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，投入使用。系統(tǒng)自2016年7月份安裝完畢投入使用至今，運行情況良好，沒有出現(xiàn)產(chǎn)生安全問題后系統(tǒng)不動作，或無安全問題時系統(tǒng)掉電動作的問題，有效保障了中子廳實驗室的人員安全。

　　4結(jié)論

　　根據(jù)中子廳實驗室空間與設(shè)施的特性，結(jié)合以往使用中子廳所發(fā)現(xiàn)的安全隱患，設(shè)計了全新的中子廳實驗室安全聯(lián)鎖裝置。通過對出入口保護水門開關(guān)控制以及對實驗室內(nèi)部巡更系統(tǒng)的聯(lián)鎖設(shè)計，有效排除了中子廳使用過程中的各項隱患，提高了輻射安全性，對試驗人員及周邊環(huán)境進行有效保護。

　　參考文獻：

　　[1]肖坤祥，冉漢正，等.高產(chǎn)額中子發(fā)生器研制[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2012，46(B09)：713-717.

　　[2]丁大釗，葉春堂，趙志祥，等.中子物理學(xué)-原理、方法與應(yīng)用[M].北京：原子能出版社，2001.

　　[3]GB18871-2002.電離輻射防護與輻射源安全基本標準[S].

　　[4]王志堅.鈷-60輻射裝置安全聯(lián)鎖系統(tǒng)逆向邏輯控制的應(yīng)用[J].電子測量與儀器學(xué)報，2009(S1)：305-308.

　　[5]王仁祥.常用低壓電器原理及其控制技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

　　[6]蔡軍，徐杰，王建華，等.中子物理實驗裝置輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2014，34(11)：1325-1329.

　　[7]廖常初.PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

【安防系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計論文】相關(guān)文章：

畢業(yè)設(shè)計管理系統(tǒng)研究的論文05-12

畢業(yè)設(shè)計管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)論文05-12

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計管理論文05-11

JavaEE框架下畢業(yè)設(shè)計管理系統(tǒng)論文05-12

基于ASP. NET 的畢業(yè)設(shè)計信息管理系統(tǒng)的研究論文05-12

管理系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計致謝04-21

畢業(yè)設(shè)計的論文致謝04-21

畢業(yè)設(shè)計論文致謝04-27

畢業(yè)設(shè)計論文評語04-18