CARR仪器中子活化分析自动控制系统设计

CARR仪器中子活化分析自动控制系统设计

姚永刚1，肖才锦1，唐婵娟2，王兴华2，金象春1，华龙1，王平生1，倪邦发1

(1.中国原子能科学研究院 核物理研究所，北京102413；

2.成都理工大学 核技术与自动化工程学院，四川 成都610059)

摘要：在中国先进研究堆设计了一套新的仪器中子活化分析自动控制系统。系统主要由辐照管道、样品架、样品转换器、传输装置和3套可同时连续24 h工作的HPGe探测器组成。测量盒内装有无线射频识别(RFID)电子标签，对样品进行实时跟踪和定位。压缩空气作为样品传输动力。系统由组态王Kingview6.55、可编程逻辑控制器(PLC)控制，可实现批量样品辐照、冷却、测量等一体化控制。

关键词：中国先进研究堆；仪器中子活化分析；样品转换器；自动测量

中图分类号：O657.4 文献标志码：A

收稿日期：2015-04-24;修回日期：2015-06-09

基金项目：CARR基地建设项目资助(17ZYGC-201401)；IAEA-CRP资助项目(IAEA F1.20.25/CRP1888，17284)

作者简介：姚永刚(1985—)，男，山西曲沃人，博士研究生，粒子物理与原子核物理专业

doi：10.7538/yzk.2015.49.11.2102

Design of INAA Automatic Control System at CARR

YAO Yong-gang1, XIAO Cai-jin1, TANG Chan-juan2, WANG Xing-hua2,

JIN Xiang-chun1, HUA Long1, WANG Ping-sheng1, NI Bang-fa1

(1.ChinaInstituteofAtomicEnergy,P.O.Box275-50,Beijing102413,China;

2.CollegeofNuclearTechnologyandAutomationEngineering,

ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China)

Abstract:A new instrument neutron activation analysis (INAA) automatic control system has been designed at China Advanced Research Reactor (CARR). The automation system is mainly composed of irradiation channels, sample holder, sample exchanger, sample driving system and three sets of HPGe spectrometers which can run simultaneously for 24 h. The sample rabbit contains radio frequency identification (RFID) electronic label used for identifying and tracing the sample route or location. The compressed air was used as sample driving force. The system was controlled by Kingview6.55 and the programmable logic controller (PLC), with which the integrated control for the batch sample irradiation, cooling and measurement can be realized.

Key words：CARR; INAA; sample exchanger; automatic measurement

中国先进研究堆(CARR)是一座高性能、多用途的研究堆，热功率为60 MW，满功率时堆芯反射层中的总热中子注量率为8×1014cm-2·s-1，为我国仪器中子活化分析(INAA)的高灵敏度和高准确度提供了平台。近年来，随着电子技术的快速发展，INAA已趋向全自动化方式[1-8]。20世纪90年代末，本实验室建立了一套自动活化分析系统[9]。本工作在原有的基础上使用PLC和组态王Kingview工业控制技术，根据CARR活化分析的特点设计全新的INAA自动控制系统。

1系统总体设计

CARR仪器中子活化分析自动控制系统主要由反应堆辐照孔道、样品传输装置、样品冷却/分装、样品转换器、可编程逻辑控制器和测量系统等组成，图1为CARR自动活化分析辐照测量示意图。

整个系统由组态王Kingview6.55软件进行控制。执行器件主要是PLC、电机驱动装置、光电/光纤传感器、电磁阀、气缸、RFID电子标签等。工作流程包括样品传输、辐照、冷却、样品分装和排队测量；系统可使3套探测器(图1中的1#、2#、3#)同时测量，并可根据被测样品的放射性活度自动调节测量架位[10]；样品盒内的RFID电子标签通过读卡器将标签号与样品测量谱信息一同存入计算机。系统安装有无线报警模块，若测量系统发生故障或测量中断，无线模块将以短信方式自动给管理员发送报警信息。

图1　CARR自动活化分析辐照测量示意图 Fig.1　Schematic diagram of INAA automatic measurement at CARR

1.1样品盒及RFID电子标签

样品盒分辐照盒和测量盒，其中长时间辐照盒为铝材质；短时间辐照盒为铝或聚酰亚胺材料。测量盒材料为聚脂/聚碳酸脂，盒上贴有电子标签。通过读卡器可设置或读取电子标签的编号。电子标签的使用保证了样品与测量谱数据的一致性，提高了系统测量的可靠性。

1.2样品进样器

样品进样器由样品架(图2)和进样气动装置组成。样品架由10个带孔的长方体夹组成，每个样品夹可容纳20个样品。在样品测量过程中，样品依次垂直下落，当一个样品测量完成后，将从夹子顶部返回排队。当一个夹子样品全部测量完成后，样品架自动向前移动一个位置，进行下一个夹子的样品测量。

图2　样品架示意图 Fig.2　Schematic diagram of sample holder

1.3样品转换器

样品转换器(图3)是自动控制系统的一个重要部分，主要负责样品的传输和定位。由6个样品输入/输出管道、电机、传感器和样品移动仓、PLC及通信设备、气缸和电磁阀等组成。

图3　样品转换器 Fig.3　Sample exchanger

图4　样品转换器控制连接图 Fig.4　Control system diagram of sample exchanger

样品转换器控制连接图如图4所示，其工作原理是组态王Kingview通过设备(FX-485PC、FX-485ADP)与PLC进行通信下达控制命令，当样品仓移动到指定位置后由光电传感器反馈电机位置信号给PLC，Kingview收到正确信号后控制样品传输到相应HPGe探测器开始测量。样品测量完成后反馈信号，并开始下一个样品测量。其中控制系统由3种编程语言对不同设备进行控制，组态王专用语言编写系统界面、控制算法、存储设置参数等功能；在GX develper软件中用梯形图LAD方式编写PLC通信和控制算法；过程设计语言(PDL)编写电机控制接口算法。其中电机移动的精确度是设计的关键，位置校准功能确保了电机每次上电后移动位置的准确度。

1.4测量系统

测量系统包括3套HPGe探测器谱仪，每台探测器上端设计了样品架位自动调节装置，由步进电机控制，根据样品放射性测量死时间对样品架位高度进行调节，同时设置了最低/最高架位限制。

样品测量室内部安装有电子标签读卡器，在测量样品时读取样品盒内的电子标签，以确保标签号码与样品测量谱名称相对应。另外，系统在样品传输的重要位置设有信号监测，当样品未准时到位时，无线报警装置GRRS-MODEM将自动将预设的问题短信发给管理员或工作人员进行处理。

1.5软件控制

除自动控制样品测量外，系统增加了手动控制方式。系统控制界面左侧第1列为手动进样装置电磁阀控制按钮，样品驱动装置共有6个电磁阀控制样品进样和出样，相对应的指示灯代表每个电磁阀的开关状态(ON/OFF)。界面中第2列图标为样品转换器跑兔电磁阀、气缸电磁阀和电机位置控制按钮。电机共有6个移动位置，其分别对应进样口、样品仓和3个HPGe探测器样品入口，每个位置都安装光电传感器监测样品到位情况。指示灯亮表示样品到位或处于工作状态。界面中还增加了视频监控界面，可通过远程控制查看房间内系统运行状况。

2测试与讨论

系统中，需采用重复精度高的光电接近传感器，如重复精度为0.005 mm。电机归零移动速度要慢，如0.1 m/s。在样品传输中系统控制电磁阀开关时间与供气气压和管道的长度有直接的关系，需反复调节测试才能确定。为了样品传输通畅且当传输距离较远时，需增加气源中间存储罐。

样品进样装置可同时容纳200个样品，控制简单并能实现样品排队循环测量，减少了工作人员所受的辐射剂量。其中进样管道和出样管道固定在样品架的中心，目的是减少电机的移动距离，降低了屏蔽空间和成本。

3总结

本文在CARR设计了一套新仪器中子活化分析自动控制系统，其系统由组态王Kingview软件进行自动控制，其特点如下。

1) 实现了批量样品辐照、冷却、测量一体化控制，进一步减少或避免对人体的辐射，提高了活化分析的安全性。

2) 测量系统包括3套HPGe探测器，可连续同时工作，提高了实验室测量分析样品的效率。

3) 在样品测量架上安装了架位自动调节装置，减小了由放射性强度不同所带来的不确定度，提高了样品测量的准确度。

4) 样品跑兔盒上安装有电子标签，可实现样品跟踪和定位以及样品与测量谱数据一致性关联，提高了系统测量的可靠性。

5) 进样装置能实现样品排队循环测量，减少了工作人员所受的辐射剂量。

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