一种小型取样分析控制系统的设计与实现

李乐斌 张宾永 武 超 刘 艳 任 英

（中国原子能科学研究院）

核设施退役是一项复杂的综合性科技工程，涉及核化工、 机械及辐射防护等多个技术领域。国际上实施核设施退役是从20 世纪80 年代开始的， 我国则是在2008 年以后全面启动核设施退役工作，与欧美等国家相比，起步晚、技术薄弱且经验不足［1］。 核设施退役是我国核工业短板之一，也是一个新发展的产业。 核工业经历了近六十年的发展， 某些核设施即将进入退役阶段，产生了大量带放射性污染的系统和设备［2］。 根据分析设备受何种污染及其污染程度，相应的去污工艺方法、条件和检验标准都有特殊要求［3］。带污核系统和设备在拆卸前一般都要进行抽空吹扫过程，吹扫数次后由防护人员取样分析，合格后再进行下一步处理。

对涉氢（及同位素）的带污核设备进行吹扫的过程中，需要定时进行取样分析，根据分析结果选择不同的操作步骤，此过程中对样本的定量分析尤为重要。 根据样品浓度的不同，取样方法与分析手段也不相同。 对于高浓度样品气可以用质谱仪做定量分析， 但经过多次抽空吹扫后，气体样本浓度已经达到质谱仪测量的下限，质谱仪不能得出准确的测量结果。 一般低浓度样品气可用监测仪测量进行定性分析。 为了在样本低浓度时得出确切结果，笔者提出将气体样本转换为液体样本，再用液闪谱仪进行定量分析的方法。 针对实际情况， 在实验室建立了一套连续取样装置， 并根据工艺流程设计了取样分析控制系统，模拟在低浓度下， 将气体样本转换为液体样本，再进行定量分析的过程。

1 工艺流程简介

低浓度涉氢（及同位素）的带污核设施退役时，必须经过抽洗过程。 清洗后根据分析样本测量结果进行不同的处理流程。 冲洗步骤开始时，气体取样用质谱仪做样本分析，抽空冲洗到样本测量值达到质谱测量下限时，将样本由气态转换为液态，采用液闪谱仪做定量分析。

根据实际需求，笔者在实验室建立的模拟取样分析装置如图1 所示，该装置主要利用高温氢氧复合将气体样本转换为液体样本，再用液闪谱仪对样本进行定量分析。 气体质量流量计设定气样的进料流量，在催化剂和填料作用下进行高温氢氧复合。 由于反应气量很少，因此需要用温控仪控制合成室温度，气体循环泵驱动混合气体在管道中不停循环流动，使样本气充分反应。 在管道上设有压力信号和温度信号测量仪表，用于监测反应过程。

图1 实验室模拟取样分析装置

高温氢氧合成反应是最简单的爆炸反应，从安全角度和测量准确性方面考虑，可加入惰性气体作为载气抑制反应效率、降低爆炸风险［4］。样品气、氧气和载气从不同位置进入装置，在缓冲罐混合，由气体循环泵驱动混合气体进入合成室反应合成液体样品。 整个反应过程由PLC 1200 控制。

2 取样分析控制系统

2.1 硬件组成

根据工艺流程，工艺参数包括温度、压力及流量等。 选择PLC 1200 为主控制器并辅以IO 模块、安全栅、继电器、串口服务器及交换机等，完成信号的测量与控制功能。 取样分析控制系统结构如图2 所示。

由于流量信号对实验数据影响较大， 本系统没有采用模拟量信号而使用通信方式进行数据交互。从图2 可知，氢气流量计通过串口RS232 接口通信， 氧气和氦气流量计与温控仪通过串口RS485 接口通信。 这些通信仪表接入到串口服务器中，串口服务器包括16 个独立通道，可以单独设置每个通道信号的接口方式，彼此光电隔离。串口服务器经过设置后由以太网口输出到交换机。

考虑到防爆要求，PLC 1200 控制器通过安全栅采集常规的压力与温度信号，DO 输出信号经过继电器隔离。 串口服务器、工控机和PLC 1200控制器通过交换机以星型结构连接，实现数据互访。PLC 1200 控制器输出的参数报警信号通过继电器连接至报警装置，以提示运行人员。 控温用的Pt100 温度信号直接接入温控仪。 温控仪将设定温度与反馈值进行比较，通过内置的PID 模块控制输出脉冲宽度调制信号到连接加热器的固态继电器， 通过控制加热器周期内的通断间隔，实现温度控制。 本实验装置中，将温控仪与加热所需的电气元件进行模块化处理， 集成为一体。在前面板设有仪表面板、 启停按钮和状态指示灯。 其他温度与压力信号经过安全栅隔离后接入PLC 1200 控制器直接采集。 为了实现快速测量，反应合成的液体经过循环冷却水系统进行冷却达到常温，可随时进行取样分析。 取样分析控制系统以PLC 1200 控制器为核心， 通过质量流量计、温控仪、压力表、气体循环泵及冷却水等设备，实现了气体样到液体样的转换，满足了定量分析的要求。

2.2 软件编程

系统的软件程序包括上位机编程和下位机编程两部分。

2.2.1 上位机

上位机程序即人机界面，运行人员可通过人机界面观察运行状态，设置运行参数［5］。

上位机监控界面如图3 所示，在此界面可以设置质量流量计的流量，读取瞬时值、累计值及控制方式等信息。 根据运行要求，上位机监控界面上还设置有超压联锁、气样累计定量自动/手动运行模式等。

图3 上位机监控界面

上位机软件编程中最重要的是仪表通信部分。 本控制系统中，所用仪表的通信方式种类较多（包括串口RS232、RS484、OPC 通信），且仪表通信协议非标准格式，需要按照特定格式进行通信。 PLC 通信口种类少、协议为标准格式，开发自由口通信难度较大，因此没有直接通过PLC 1200系统进行通信，而是利用上位机软件编程实现通信功能。 笔者采用LabVIEW 语言编写的质量流量计读取累计值的通信程序设计如图4 所示。 每个通信仪表都有一个通信开关，读参数操作一直运行，写参数操作需要点击“开关”按钮才能建立连接。 这样操作可以减少网络通信负荷，提高数据传输效率。

图4 质量流量计读取累计值的通信程序

程序中用到的串口操作指令包括VISA Configure Serial Port、VISA Write、属性节点（Bytes at Port）、VISA Read 和VISA Close［6］。 首先配置串口参数（包括地址、波特率、数据位及校验位等信息），按照通信协议写入特定的命令符，延时处理并根据接收的字节数读取数据， 最后关闭串口。返回的数据格式基于IEEE754 单精度浮点标准，按照协议截取字节进行数据处理，得到具体的累计值进行存储并在界面显示。

其他仪表的通信程序类似， 只在发送命令时有所不同。根据需要获得的仪表参数，发送不同的命令符，得到反馈后再进行数据的解析与处理。

上位机程序实现了参数的设置与反馈、显示与记录、报警与联锁等功能，操作简单、便于维护、实用性强。

2.2.2 下位机

下位机程序是指编写PLC 程序，主要完成常规压力、温度信号的测量以及参数报警联锁的逻辑输出功能。

下位机采用梯形图语言进行编程，该语言与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性［7］。部分PLC 程序如图5 所示，程序中包括温度和压力信号读取以及循环泵的启停程序。 PLC 与上位机通过以太网接口经由交换机连接，通过OPC 服务器进行数据交换。上位机软件在OPC 服务器中获得PLC 中的数据，可以通过建立客户端服务器进行调用。

图5 部分PLC 程序

3 结束语

涉氢（及同位素）的带污核设施退役时，在经过多次抽洗过程后， 其放射性气体含量大幅减少。 此过程中样品的定量分析对后续的清洗工艺尤为重要。 为保证在低浓度情况下也能得到准确的测量值， 提出将气体样本转换为液体样本，用液闪谱仪进行定量分析的方法。 根据工艺的具体要求建立模拟装置并设计基于PLC 系统的取样分析控制系统， 该控制系统以PLC 1200 控制器为核心，功能上实现了常规信号采集，温度的PID控制。利用上位机软件完成了流量的串口RS232、RS485 通信以及上位机的OPC 通信,实现了数据显示、存储、参数设定、报警与安全联锁等功能。控制系统具有友好的人机界面、操作简单，实用性强。 实际运行结果表明：取样分析控制系统运行稳定、可靠，能够满足工艺要求，可为放射性分析工程领域提供参考。