1. 概述

2. 系统特点

2.1 刻度过程实现全自动控制

2.2 采用集中式控制系统结构

2.3 真正的自维护体系

2.4 操作简便、实用性强

2.5 技术先上的进性

3. 控制示意图

4. 系统结构图

4.1 运动控制系统

4.1.1 台车定位系统

4.1.2 云台旋转系统

4.1.3 放射源定位系统

4.2 数据采集系统

4.2.1 温湿采集

4.2.2 大气压力采集

4.2.3 标准伽玛剂量率采集

4.2.4 被刻度伽玛仪表剂量率采集

4.2.5 数据存储与打印系统

4.3 故障报警系统

4.3.1 伽玛剂量报警系统

4.3.2 防护门联锁报警

4.3.3 控制程序异常处理

4.4 视频监视系统

4.4.1 试验全景监视

4.4.2 台车位置监视

4.4.3 被刻度仪表监视

5. 控制程序菜单

6. 运行环境

 

 

 

1.概述

伽玛辐射试验装置控制系统通过计算机集中监测、监视和监控，完成对伽玛仪表的自动刻度。系统以工业控制计算机作为上位机，通过由双绞线连接的RS-485通讯网络，完成对数据采集模块、运动控制模块和故障报警模块的全部控制功能。它即能大幅度降低设备成本，又能使刻度控制系统在较大范围内很容易实现自动，半自动，手动三种模式的调节。该系统响应当今工控领域网络化、分布式、面向信息的潮流，立足于可靠性和先进性，实现了控制与信息处理的自动化，是辐射仪表刻度控制系统的发展方向。

本控制系统需要解决的主要问题包括：

●控制放射源处于工作或屏蔽状态

● 控制台车运动到指定的位置

●控制照射云台旋转到指定的角度

●控制防护门的自动联锁

●实时采集各种智能仪表的数据

●动态检测和处理刻度过程中可能出现的各种信号和故障

　●模块与上位机通讯

  ●上位机集中监控管理

2.系统特点

2.1 刻度过程实现全自动控制

    该刻度控制装置由工业计算机，智能化仪表和机械执行部件构成，全过程以工业计算机作为控制大脑，只需预先设置好合适的参数就能自动完成刻度过程的运动控制、数据采集和现场监视等功能。该系统的可靠性指标及自动化程度都接近或超过国内外同类产品水平。 

2.2 采用集中式控制系统结构

    与分布控制模式相比具有极高的可靠性与并行处理能力，位置控制精度和数据采集精度大大提高，同时具有微机全自动、半自动、人工手动三种操作工况，各种工况可以任意切换，并且可以在各工况间传递数据，为用户提供了极大的灵活性。    

2.3 真正的自维护体系

    所有的电控设备，采用高度模块化的工业级板卡和标准件，如有故障，用户可以自行更换备件，实现真正的自维护体系。

2.4 操作简便、实用性强

控制软件人机界面十分友好，所有的操作只需在一个控制面板上就可全部完成，简单易用，实用性强。

2.5技术先上的进性

刻度过程除实现全自动控制外，在技术手段的选择上，使用"Microsoft.net解决方案"、"C#"、"三层结构"和"面向对象" 等比较成熟而又有发展前途的先进技术，保证整套系统在一定时期内的技术领先。

3.控制示意图

 

系统的控制核心主要由两台工业控制计算机组成。第一台计算机作为主要控制计算机，它通过多轴运动控制卡控制步进电机驱动器，由各驱动器驱动相应的步进电机来完成对多源装置控制器、轨道台车控制器和旋转照射台的运动控制；在RS485网络中连接数据采集器（带I/O输入输出）、γ标准剂量仪和γ剂量报警仪等设备，用数据采集器采集室内温度、湿度和气压等数据，并通过数据采集器中开关量的输入输出来控制防护门和空压机上活塞的往复运动（即快门的打开和关闭）使之进行联锁控制。

第二台计算机（硬盘刻录机）用于监视刻度的控制过程，配以云台控制器和四画面分割器来完成监视和读数任务。

另外整个控制系统通过UPS提供稳定的电源来保证系统的正常运行。

 全部控制系统可由运动控制系统、数据采集系统、故障报警系统和视频监视系统四大组成。

4.1 运动控制系统

4.1.1台车定位系统

台车定位系统用来控制被刻度仪器到放射源的距离。它由台车、轨道、丝杠和标尺组成，台车由步进电机驱动的丝杠传动。台车行走时由距离标尺指示被刻度仪器到放射源的距离。在控制软件中输入台车的当前位置（当前距放射源的距离）和目标位置（目的地距放射源的距离）后，控制软件驱动多轴运动控制卡向驱动器发出脉冲+方向的弱电信号，驱动器则将其转化为步进电机线圈的强电电流来驱动步进电机向某个方向转动一定数量的步距角，步进电机将其运动传给丝杠，使台车运动到指定的位置。

 

 

软件

控制卡

驱动器

电机

丝杠

指定位置

指令 状态

脉冲 方向

电流 电

步距角 方向

旋转运动 直线运动

运动控制图一

 

 

 

 

4.1.2云台旋转系统

云台旋转系统用来调节被刻度仪器的照射角度，云台下面的两个手柄可以调节云台的高度。它由云台、齿轮传动装置和步进电机组成。云台旋转系统的控制过程与台车定位系统类似（请参看4.1.1的“运动控制图一”），只是将丝杠换成了齿轮，直接将步进电机的转动转化为齿轮和云台的转动。

4.1.3放射源定位系统

放射源定位系统用于，在工作状态时，快门打开并且使指定的源处于照射位置，非工作状态时，快门关闭并且所有的源都处于屏蔽位置。它由多源装置（放射源容器）、齿轮传动装置、步进电机、快门、空气压缩机组成。放射源安装在由齿轮驱动的轴上，每隔90°放置一个源，共放置四个放射源。另外还有用于防护和测量的屏蔽马槽、准直孔和快门。如下图“运动控制图二”所示，多源装置的换源动作与快门开关动作是一对连锁动作（即：快门打开，源工作；快门关闭，源屏蔽）。

 

 

运动控制图二

软件

数据采集器(控制器)

电磁阀

汽缸

快门

指定状态

继电器输出

开关 状态

往复 运动

打开 关闭

指令 状态

脉冲 方向

电流 电压

步距角 方向

控制卡

驱动器

电机

齿轮

X源转到指定位置

运动 传递

 

 

 

 

 

 

 

4.1.4防护门联锁控制系统

为保证工作人员的安全,需要将放射源装置、快门装置和进入门装置联锁。在放射源没有复位、快门打开的情况下，门通道不能打开。在出现故障的情况下，有紧停操作，包括源复位和快门关闭。必要时可以断开电源。另外，在没有刻度工作的情况下，剂量超阈报警也与安全防护门联锁。防护门的控制由软件通过数据采集器进行控制，其控制图类似“运动控制图二”中的快门控制，只是其开关状态由以上的联锁需求分析确定。

4.2 数据采集系统

4.2.1温湿采集

4.2.2大气压力采集

4.2.3标准伽玛剂量率采集

为了记录刻度室的伽玛剂量率，在刻度室内安装一个标准伽玛剂量仪器，标准伽玛剂量仪器采集的信号通过RS485网络传到计算机中，控制软件自动获取数据采集器中的数据，并保存到数据库中。

4.2.4被刻度伽玛仪表剂量率采集

被刻度伽玛仪表的在刻度时的读数，通过监视系统中一台固定的摄象机进行摄象后传到控制台，由工作人员目测仪表的读数后，登记在控制软件的刻度登记表中进行存储。

4.2.5数据存储与打印系统

数据存储与打印系统，用来设置或存储刻度前系统的各项参数，并将刻度过程采集的各种数据进行保存、打印等。特殊的数据提供导出Word或Excel文件的功能，实现控制过程中的计算机管理。

4.3 故障报警系统

4.3.1伽玛剂量报警系统

如果周围伽玛剂量超过设定的阀值则伽玛剂量报警仪进行声光报警，并且报警信息通过RS485网络传递到控制计算机上，在控制软件的界面中进行相应的报警。

4.3.2防护门联锁报警

    在仪表刻度过程中，如果控制系统侦测到安全防护门没有被关上或被非法打开，防护门将进行声光报警，并且报警信息通过RS485网络传递到控制计算机上，在控制软件的界面中进行相应的报警。

4.3.3控制程序异常处理

程序异常是指由于程序控制以外而使程序不能正常执行时发生的情况。某些操作（包括对象创建和输入/输出）容易出现错误以外的故障。例如，仪表刻度已经全部完成，而快门因特殊的问题没有关闭等情况。

为了保证刻度过程的安全运行，系统应该能捕获到控制程序运行过程抛出的所有异常，并对各类异常进行相应的安全保护处理后，提交给操作人员进行裁决。

4.4 视频监视系统

4.4.1试验全景监视

监视系统通过一匀速球型一体化摄象机来监视刻度室内所有场景。在控制台中配有该摄象机的云台控制器（或通过硬盘录象机中的软件）来控制摄象机的拍摄角度，达到全场360度监控的目的，摄象机如下图所示：

4.4.2台车位置监视

台车距放射源的距离由轨道上的标尺可以确定，在台车的合适位置上安装一固定的摄象机，来监视轨道标尺的读书，并通过硬盘录象在四分屏的显示器上显示。

4.4.3被刻度仪表监视

为了读取刻度过程中，被刻度仪表的读数，需要在台车的合适位置安装一固定的摄象机来监视仪表的读数，并通过硬盘录象在四分屏的显示器上显示。

5.控制程序菜单

 

 

 

以上控制程序菜单将完成“4. 系统结构图”中各模块所描述的功能。该控制菜单以方便操作为原则来设计，主要包括设置（设置程序运行时所需要的必须系统参数）、操作（刻度过程的全自动化控制和数据保存与打印功能）、调试（各控制部件单项独立操作）和使用帮助。

6. 运行环境

开发语言：Microsoft.Net  C#

操作系统：Windows2000 Server

  程序运行环境：Microsoft.Net FrameWork 1.1

数据库：Microsoft Access

  支持软件：Microsoft Office

  其他软件：Symantec Antivirus（诺顿杀毒软件）

 

辐射标准装置建设中的主要设备介绍

LMJ-1标准γ剂量（率）仪与LMJ-2安全剂量报警仪

（中国辐射防护研究院研制与生产0351-2202243）

一.标准仪器设计要求按国家标准JJG009-91执行：

1.共用一台MOS场效应管静电计测量小电流，自动换挡，静计漏电流小于5×10^-16安培。二次仪表后面板配有打印机及计算机接口，设定报警阈后仪器可给出报警信号。

2.标准仪器探头与二次仪表为单片机控制的MOS场效应管静电计，相对湿度低于70%时，静电计漏电小于5×10^-16安培。

    作为次级标准仪器，除漏电之外，还有许多其他的技术指标要求，如重复性（或称变异系数），复现性（长期稳定性）等，它们是靠元件的质量，设计的合理以及生产工艺来保证的。例如探头的选择方面，有最古老的电离室型探头以其优越的稳定性指标而牢固占据标准仪器的探测器的地位。复现性是靠经年的的数据累积证明。市售的仪器基本上没有次级标准仪器这一档次。性能较好（广告上的技术指标）的仪器买回来之后要作次及标准使用时，也须经年的数据累计才能为其定档次。

    作为弱电流测量的静电计，有的市售产品其灵敏度可以高达10^-17安培，但在一般的实验室环境条件下是达不到这个指标的。作为次级标准实验室，购置一同台这样的仪器，创造一个局部小环境满足其使用条件的要求，是应该有的一个手段。但不能指望它的高电阻档会以满意的重复性给出10^-15安排的电流测量结果。

3.量值

辐射场给出物理量为空气比释动能，单位为戈瑞（Gy）,量值由标准仪器测得，标准仪器在工程验收之前经国家计量科学研究院或国防科工委放射性计量一级站检定。

   在实验室交付验收之前，测定辐射场的空气比释动能率分布，随后的实验中，量值可用半衰期推算，但至少每年应用标准仪器核实一次辐射场量值。

4.γ剂量报警仪

探头安装在主屏蔽墙射束区，二次仪表安装并固定在控制台上。测量范围：10 uGy/h—1Gy/h.基本误差小于20%。

二、γ辐射测量标准仪

（一）结构原理及主要功能简述

　　γ辐射测量标准仪由探测器、主机、报警系统和通信接口四部分组成，由单台或多台与监控中心联接，可组成一个监测网系统见图（1）。主机是以８０３１单片机为核心组成的单板机系统，具有自动控制、自动调零、多种参数数据显示、数据采集及处理、存储、报警和通信等功能。可常年连续监测实时记录。仪器连接见附录1说明。

探测器是高气压电离室，由高绝缘ＭＯＳ场效应管为输入级和高增益运算放大器经电容反馈组成电流积分器，输入端由短路继电器保护。测量结果由下面的公式得出：

   D=I/Kr

     其中D为剂量率，I为测量电流，Kr为刻度系数。

主机主要由8031CPU、8路12位的模数变换器，四路12位的数摸变换器，键盘显示接口，扩展输入输出口，实时时钟，标准的RS-232C异步通信口，单片机监控芯片及键盘显示器面板组成。报警系统包括一个蜂鸣器和一个发光管。

 

单片机处理器

报警系统

方式2

探测器

通信接口

调制解调器

通信电缆

监控中心

公用电话网

调制解调器

方式1

方式2

方式2

方式2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图（1）监测网系统原理框图（该设计供用户参考使用）

（二）技术性能和指标

01. 量程范围：1.0´10^{- 8} Gy/h 到1.0×10^-3  Gy/h 。

02. 测量精度：相对误差小于±5%，变异系数小于2% 。

03. 环境温度：-20°C到+50°C，附加误差小于2%。

04. 环境湿度：小于100%,无凝结,附加误差小于2% 。

05. 能量响应：60Kev到3Mev。

06. 供电电源：+12V 直流电源，或220V 交流电源任选 。

07. 通信接口：RS-232C 标准接口，通过调制解调器经公用电话网传输距离不限。与微机相接时，可由微机完全控制和进行数据处理。

08. 主机重量：1.25公斤。

09. 主机体积：240´215mm´110mm。

10. 存储容量：32K字节，可以存储5000个数据。

11. 报警阈值: 任意设置。

12. 工作时间：可常年连续运行。

13．数据保护：在突然停电情况下，数据存储器有掉电保护电池供电，保证数据不会丢失。

14. 探测器：高压电离室直径160mm，不锈钢外壳,内充氩气，气压为20大气压；常压电离室直径90mm，不锈钢外壳，内充常压空气。

15．时钟：采用美国DALLAS公司的DS12887日历时钟芯片，实时记录测量时间，月计时误差小于1分钟。

（三）按键设置及各键功能设计

仪器共有8个操作按键(见图2)，结合“换档”与“参数”按键共组合成个种不同的功能。其中“显示选择”、“复位”在任何情况下都能使用。

 

•  换档

     仪器复位后“换档”键处于上档位置，上档指示灯（红灯）亮。这种复位状态下，“常规”、“连续”、“快速”、“继续”、“打印1”、“显示选择”、“复位”都可操作。“参数”、“光滑”、“剔除”、“读出”、 “+”、“-”、“.”、“→”都不起作用。

  当按下“换档”键后，“换档”键处于下档位置，下档指示灯（绿灯）亮。这种复位状态下，“参数”、“光滑”、“剔除”、“读出”、 “显示选择”、“复位”都可操作。“常规”、“连续”、“快速”、“继续”、“打印1” “+”、“-”、“.”、“→”都不起作用。

⑵  测量

测量键有四个，其中包括“常规”、“连续”、“快速”三种不同的方式。这三种方式的积分下阈均为0.2V，常规测量与连续测量的积分上阈均为1.8V，快速测量的积分上阈为0.6V。在所有方式中，如果短路继电器断开（即开始积分）40秒后还没有达到积分下阈，则以当时的实际电压值为积分下阈，当测量时间到达定时时间周期时，如果积分电压还没有到达上阈，则以当时的实际电压值为积分上阈。