基于可编程逻辑控制的东华加速器辐射监测安全联锁门禁初步设计*
张 斌，晏 婷，刘 琦
（1.东华理工大学，核技术应用教育部工程研究中心/江西省新能源工艺与装备工程技术研究中心/机械与电子工程学院，南昌 330013；
2.中广核贝谷科技股份有限公司，南昌 330013）
东华加速器中子源（East China Accelerator and Neutron Source，ECANS）是东华理工大学拟建设的大型科技基础设施，该装置利用电子加速器产生电子、X/γ 和中子等多种射线，在核能开发、材料研制、生物制药、深空探测、地质找矿等国防科技工业和地方经济建设中具有广泛的用途。该科学装置将电子束从电子枪注入到加速管中，经第一级加速，电子能量达到10 MeV，该束流可偏转引出用于辐照；
再经第二、第三级加速后得到能量35 MeV、束流强度2 mA、功率70 kW 的中高能电子束，打靶后产生中子和X/γ 射线。
由于加速器运行时束流与物质相互作用会产生瞬发辐射，而由活化产生的剩余辐射在停束后仍然存在[1-2]。这些辐射都会对工作人员、公众及环境造成潜在的辐射危害；
如果人员误入剂量超标的辐射区域，或开机前误留在控制区内，会引起辐射照射事故。为避免人员误入或误留高辐射区域，同时提高工作人员作业效率以及门禁安全性，基于可编程逻辑控制PLC技术和模块化方法，设计一套可靠性和稳定性高、安全性好，具有一定可扩展性的辐射安全联锁门禁方案，对辐射区域的辐射剂量进行监测，同时对门禁进行管制，为工作人员和加速器装置的安全提供可靠保障。
国内外大型加速器的建筑结构、使用方式和具体功能各不相同，因此其辐射安全门禁的设计建造也没有统一的标准[3]。如采用继电器技术设计建设辐射安全联锁系统的同步辐射实验室（NSRL）[4]；
基于PLC 技术和高安全门禁控制器建造辐射安全联锁门禁系统的中国散裂中子源（CSNS）[5]；
结合PLC 和数字化技术设计建设辐射安全联锁系统的北京正负电子对撞机（BEPC）及其升级改造项目（BEPC－II），具有“零计数联锁”、“个人剂量联锁”等功能[6]；
结合PLC技术和EPICS软件开发平台的高能同步辐射光源（HEPS），具有远程监控、数据存储管理功能[7]。
大科学装置系统结构复杂，科学目标的实现依赖于各子系统的高质量协作，还要考虑系统规划和冗余设计，采用可编程逻辑控制器PLC 技术，可以实现安全可靠的辐射监测防护，灵活稳定的安全联锁门禁，抗干扰和扩展性好，稳定性强。
因东华加速器仍在建设中，本文将实物测试安排在某MIB 7.5-300 小型电子感应加速器运行场所进行，通过模拟X、γ 辐射剂量监测和安全联锁门禁实验，验证方案的准确性和有效性，从而为东华加速器辐射安全联锁门禁的深入研究和应用提供方法基础和技术保障。
设计拟采用可编程逻辑控制器PLC 技术结合传感器技术，从辐射监测防护和安全联锁门禁两个方面进行研究。根据东华加速器建筑结构、实验区域设置和工作方式，确定辐射区域，以及门禁架构组成和工作流程，设计联锁控制逻辑和门禁控制策略，并对辐射安全联锁门禁进行稳定性测试，实现安全可靠的辐射监测防护，灵活稳定的安全联锁门禁。图1 所示为辐射安全联锁门禁总体架构。
图1 辐射安全联锁门禁总体架构
1.1 系统架构及组成
区域辐射剂量监测系统架构如图2 所示。主要由辐射剂量监测单元、剂量超标报警单元、安全联锁门禁装置、PLC 控制中心、控制计算机和数据服务器等组成。其中辐射剂量监测单元设置在各个监测点上，主要由多路电源模块、高压电源模块、探测器模块、信号调理模块、微控制器模块、数据传输模块等组成，负责辐射信号的采集、处理及通讯，其结构示意图如图3 所示。剂量超标报警单元跟随辐射剂量监测单元设置，剂量监测数据一旦超过设定阈值就进行报警，同时发送报警信号到PLC 控制中心，通过PLC 控制安全联锁门禁装置来实现剂量联锁门禁的功能；
网络交换机负责传送数据；
控制计算机上安装有剂量监测软件，对各监测点辐射剂量值实时显示。
图2 区域辐射剂量监测系统架构
图3 剂量监测单元结构示意
根据加速器安全联锁门禁对清场、急停、声光报警、人员出入控制等功能的要求，安全联锁门禁主要包括搜索清场装置、急停装置、联锁装置、警示装置、PLC 控制中心、控制计算机和数据服务器等[8-9]。控制计算机上实时显示安全联锁门禁各装置状态，通过PLC 的控制对这些设备或信号进行联锁。其结构示意如图4所示。
图4 安全联锁门禁结构示意图
（1）搜索清场装置设置在联锁门醒目位置，包括搜索清场按钮和警铃，加速器开机前需按下搜索清场按钮进行搜索清场，此时警铃报警提醒控制区内滞留人员离场，搜索人员进入控制区再次检查是否有滞留人员，同时判断控制区是否满足开机条件。
（2）急停装置设置在控制区及控制室内醒目位置，包括紧急停机按钮和开门按钮，加速器运行故障或异常开机时可抬起紧急停机按钮切断加速器的运行，紧急情况下可按下开门按钮打开联锁门。排除故障或异常后，需要人为恢复紧急停机按钮的初始按下状态，加速器才能再次被启动。
（3）联锁装置主要包括门禁控制组件、监控摄像设备、联锁门钥匙及剂量联锁单元等。门禁控制组件主要对联锁门进行控制和管理；
监控摄像设备主要采集人员信息并与数据库信息比对进行身份智能识别；
联锁门钥匙[10]是一种置换型钥匙，只对搜索清场人员、作业人员及维护人员等相关授权人员释放，实现有人员滞留控制区时无法开启加速器，加速器开启时人员无法进入控制区的功能，保障人员安全的同时，方便其开展工作；
剂量联锁单元包括现场剂量和个人剂量，现场剂量由辐射剂量监测单元采集控制区内各监测点辐射剂量信号，该信号与联锁门和急停装置联锁，联锁门在控制区内辐射剂量超标时无法开启，急停装置在发生误照时及时切断加速器的运行；
个人剂量由工作人员的个人剂量计数据提供，该数据与联锁门联锁，当工作人员的受照剂量超过年剂量限值将会被禁止进入辐射区域。
（4）警示装置主要设置在控制区内、联锁门上方以及控制室中，包括加速器故障指示灯和运行状态指示灯，便于工作人员了解加速器运行情况。
1.2 工作流程
辐射安全联锁门禁的工作流程如图5 所示。在正常情况下，加速器开机时，相关工作人员转动控制室联锁门总钥匙，给系统上电，预热10 s，此时加速器运行状态指示灯亮绿灯；
预热结束后系统进入准备就绪状态，此时加速器运行状态指示灯转橙灯；
之后工作人员按下搜索清场按钮，此时警铃进行离场报警，同时监控摄像设备识别工作人员身份，若为搜索清场的相关授权人员，钥匙交换盘则释放联锁门钥匙，工作人员取下联锁门钥匙后，联锁门开启，搜索清场人员进入控制区搜索是否仍有人员未离场，同时检查当前区域是否满足加速器开机条件，如紧急停机按钮是否复位等；
清场结束后，归还联锁门钥匙，联锁门关闭，离场报警结束，联锁建立，加速器给出准备出束信号，等待系统出束，此时加速器运行状态指示灯橙灯闪烁，成功出束加速器运行状态指示灯转红灯；
加速器停机时，运行状态指示灯红灯熄灭。加速器运行期间，禁止任何人进入，且一旦发现急停或故障信号等，立即切断加速器的运行，故障排除后可重新进入准备就绪状态。等待控制区内剂量衰减至安全范围，工作人员方可进入控制区作业。
图5 安全联锁门禁工作流程
1.3 联锁控制逻辑
当联锁信号到来时，各装置根据联锁逻辑执行联锁动作，以此来保障加速器运行时工作人员的人身安全。安全联锁门禁的联锁逻辑关系如图6 所示。其中，紧急停机按钮和搜索清场按钮为总体级联锁，具有最高的优先权和地位[11]。
图6 安全联锁门禁的联锁逻辑关系
1.3.1 门禁通行模式
根据加速器运行状态和辐射区域内剂量实时监测值设定以下3 种门禁通行模式。（1）禁止进入：加速器开机状态下和控制区内剂量实时监测值超过安全阈值情况下，任何人不允许进入控制区内，联锁门一直处于关闭状态；
（2）限制进入：加速器开机前，工作人员经身份识别为搜索清场人员后可持联锁门钥匙I 进入控制区搜索清场；
（3）控制进入：加速器处于停机状态且控制区内剂量衰减至安全范围内时，工作人员经身份识别为作业人员后可持相应联锁门钥匙1、2、II、III…进入控制区内作业。在正常情况下，以上3 种门禁通行模式中，联锁门钥匙I、II、III…取下后，联锁门一直处于开启状态，联锁门钥匙I、II、III…归位后联锁门才会关闭，联锁门钥匙1、2…取下后，联锁门开启，延迟不同时间后自动关闭，按下控制区内的开门按钮可打开联锁门，联锁门钥匙1、2…归位后联锁门才会关闭。各门禁通行模式下联锁门和联锁门钥匙状态如图7所示。
图7 各门禁通行模式下联锁门和联锁门钥匙状态
1.3.2 基于身份智能识别的门禁控制策略
基于身份智能识别的方式[12-13]，对照工作人员在数据库中存储的信息，从而获取该工作人员对应的工作类别，根据其工作内容输出对应的门禁通行模式，针对不同工作类别的人员，在满足其作业要求的前提下，定制门禁开关门时间，进而提高工作效率和保障人员安全。
基于身份智能识别方式的门禁控制策略为：（1）对于搜索清场人员，采取允许取下联锁门钥匙I，开启联锁门后不关门，归还联锁门钥匙I 后关门策略，方便人员快速离场；
（2）对于作业人员，因不同工种其作业需求不同，采取不同策略。如对于给设备定期维护的维护人员，允许其取下联锁门钥匙1，开启联锁门后，根据工作类别信息与数据库信息的比对结果，对联锁门发送延迟相应时间后自动关闭的命令（如短期维护人员相对于长期维护人员维护频率更高，只需配带少量维护工具，通过联锁门更快，联锁门延迟时间比长期维护人员短），按下控制区内的开门按钮可打开联锁门，归还联锁门钥匙1 后联锁门关闭；
（3）对于任何工作人员在作业中发生误照或加速器异常开机等情况，采取紧急通行策略，控制区内人员抬起紧急停机按钮切断加速器运行，按下开门按钮打开联锁门，无需归还联锁门钥匙联锁门延迟一段时间即自动关闭，排除故障或异常后，人为恢复紧急停机按钮的初始按下状态，此前需归还联锁门钥匙，加速器才能再次被启动。
对人员进行身份智能识别时，通过监控摄像设备获取人员的视频数据，截取其中一幅或多幅静态图像，基于训练好的卷积神经网络获取图像中的生物特征，得到人员的面部特征、体态特征和步态特征，与数据库中的信息进行比对，确定人员的身份信息，以调取数据库中存储的工作类别信息，从而确定门禁控制策略，主要由信息获取模块、综合特征确认模块、身份信息判断模型获取模块、身份信息判断模块和门禁控制策略确定模块5 部分实现。身份智能识别的实现如图8所示。
图8 身份智能识别的实现
首先，信息获取模块获取人员的面部信息、体态信息和步态信息，基于训练好的特征提取模型，综合特征确认模块对获取到的人员信息进行特征提取和特征融合，以确定人员的综合特征；
然后，身份信息判断模型获取模块对人员生物特征及其对应身份信息的样本类型进行标记，基于训练样本及标记的样本类型训练身份信息判断模型，将获取的综合特征输入身份信息判断模型，输出人员身份信息判定结果，由身份信息判断模块判断人员的身份信息，将身份信息与数据库中存储的信息比对，获取人员的工作类别。最后，基于人员的工作类别，由门禁控制策略确定模块确定对应的门禁控制策略。
MIB7.5-300 小型电子感应加速器输出X 射线能量范围为2.5～7.5 MeV，加速器能量小于10 MeV，不产生中子剂量，需对X、γ剂量进行监测[14]。
实验中，分别设置加速器背部、屏蔽房内门口、屏蔽房外门口、屏蔽房过道、控制室内为监测点，如图9所示。辐射剂量监测系统使用Python 语言在PyQt 上开发上位机，以STM32F103C8T6 为核心控制器芯片，选用内置塑料闪烁体晶体探测器的BG9830PG-03 型X、γ 辐射探测器采集辐射信号，其能量测量范围30 KeV～10 MeV，剂量率测量范围0.01 μSv/h～100 mSv/h，设置每个监测点的超限剂量，剂量超限报警。信号经放大、AD转换后，由工作在TCP SERVER 模式下的TCP232-S2 数据传输模块传输给网络交换机，最后传输到上位机显示实时剂量以及统计剂量。上位机监测界面如图10 所示。加速器从开机到关机状态转换下[15]，上位机监测到的各监测点X、γ剂量数据如表1所示。
图9 监测布点
图10 辐射剂量监测系统上位机
表1 在MIB 7.5 - 300 小型电子感应加速器开关机状态下上位机监测到的剂量值统计
根据东华加速器工程建设内容，需要进行辐射防护的场所是电子直线加速器设备间、靶室、高/低能电子束实验设备间、中子计量厅、测井和辐照室，根据用途和间隔将工作场所划分为监督区和控制区，监督区在装置运行期间可以有人员进入，控制区在装置运行期间禁止人员进入。采用FLUKA 蒙特卡洛程序对不同厅分别建模，计算得到厅内及其墙外周围剂量当量率以及有效剂量率。γ能量在10 MeV 以下时，通常周围剂量当量要比有效剂量大，可以作为有效剂量的保守估算量使用，而γ能量在10 MeV 以上时，周围剂量当量一般比有效剂量小，因此在二者不一致的情况下取其大者作为有效剂量率的参考值[16]。各厅及其监督区内墙体的最高剂量率如表2所示。
表2 东华加速器各厅及其监督区内墙体的最高剂量率
由表1和表2数据可知，该辐射剂量监测系统监测到小型电子感应加速器运行环境下X、γ 剂量0.02～142.0 μSv/h，而由FLUKA 蒙特卡洛程序模拟的东华加速器不同厅内及其墙外一定范围内的最高剂量率在0.1～25.1 μSv/h 范围内，说明该辐射剂量监测系统可用于东华加速器运行场所中。
在安全联锁门禁测试中，联锁控制器选用西门子S7-300 系列PLC，西门子PLC 相对于其他控制器来说具有更高的稳定性以及更强的抗干扰能力。采用的PLC 模块有CPU、电源模块、数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块、导轨、前连接器及编程电缆。逻辑程序在西门子博途（TIA Portal）V15.1中用LAD 语言进行编写，主程序模块有搜索清场、联锁建立、异常急停及报警4个FC功能模块。辐射安全联锁门禁界面在HMI控制面板中设计并仿真，监测界面如图11所示。
图11 辐射安全联锁门禁监测界面
基于可编程逻辑控制的东华加速器辐射监测安全联锁门禁初步设计方案，在小型电子感应加速器运行场所中完成了X、γ 辐射剂量监测和安全联锁门禁的测试实验，验证了设计方案的有效性和可行性。基于身份智能识别的门禁控制策略，工作人员在出入联锁门时无需佩戴门禁卡，进而避免弄丢或忘带门禁卡等情况发生，在保障人员安全的同时，提高了工作人员的作业效率。该设计方案为东华加速器辐射安全联锁门禁的研究和应用提供了方法基础和技术保障。
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