放射性污染物粘膜鋪設車控制系統設計

，，吳中， ,2

(1.軍事科學院 工程兵科研三所，河南 洛陽 471023； 2.河南省放射性污染清除材料與裝備技術工程實驗室，河南 洛陽 471023)

0 引言

核能在能源、軍事、醫療、檢測等領域的廣泛應用，為人類的進步發展提供了新的動力。然而，在核能造福人類的同時，諸如核電站泄露、核燃料裝卸運輸過程中的意外事故、核武器實驗以及戰場上的使用、核與輻射恐怖襲擊等等，均會產生嚴重的輻射后果。因此，在防范此類事件發生的同時，還要做好發生最壞情況的處置準備[1]。

經過多年的研究發展，針對放射性污染物清除處理的膜法去污方法，以其處置迅速、去污率高、沒有二次污染等優點，得到了廣泛認可。放射性污染物去污粘膜是一種在具有特定強度專用基材上涂覆有高粘度膠質的特種膜體。使用時將粘膜卷材展開，加熱到預定溫度以便更好粘附放射性顆粒；然后鋪設、壓實于沉降有放射性粉塵和氣溶膠的地面；揭走粘膜，即可達到放射性沾染清除的目的。

放射性污染物粘膜鋪設車是去污粘膜的專用作業設備，具有粘膜卷材展開、加熱和鋪設等功能，為保證各功能及作業過程的可靠執行，需要設計一套功能性強、穩定可靠、操作便捷鋪設車控制系統。

1 粘膜鋪設車控制需求

1.1 作業原理

1.1.1 作業流程

系統作業流程如圖1所示。在非輻射區完成粘膜卷材上裝后，到達作業區域展開鋪設器，從車廂內輸送一卷粘膜至初始位置就位，然后人工張開粘膜穿過鋪設器固定于地面，車輛行進時同步加熱并鋪設粘膜。

圖1 作業系統流程圖

1.1.2 卷材鋪設過程

放射性污染物粘膜鋪設車功能部分結構如圖2所示，其作業過程如下：

1)人工將處于就位位置的粘膜卷材張開穿過鋪設器，通過壓輥壓實于沉降有放射性污染物粉塵的地面；

2)車輛行進時，同步將粘膜不斷張開并鋪設于地面；

3)粘膜鋪設前，在鋪設器中將粘膜加熱到一定溫度，以保證膠質層具有良好粘附能力；

4)單卷粘膜鋪設完后，系統自動將下一卷粘膜輸送至就位位置。

重復以上1)～2)，直至完成作業或車載卷材使用完。

圖2 粘膜鋪設器結構圖

粘膜鋪設車在作業準備及作業過程中，涉及卷材吊裝、機構翻轉、高溫加熱和卷材張開等多道危險工序，需要作業人員在不同工位精準操控、協同配合，才能安全可靠地發揮其功能。對此，需要研制一套多控制終端的操控系統，以滿足上述需求。

1.2 控制對象

1.2.1 卷材上裝與就位

開始作業前向車內裝載一定數量的粘膜卷材：在非輻射區通過車載電動葫蘆起吊粘膜卷材到車廂尾部，將粘膜卷材軸推入傳動鏈條上固定卡扣卡緊；粘膜卷材由鏈傳動至車箱內部，直至傳感器檢測到下一個固定卡扣達到卷材上裝位置。

1.2.2 鋪設器收放控制

鋪設器在收起狀態時充當車輛后廂門，起到密閉車廂作用；作業時在電機和汽缸配合作用下向后翻轉，直至壓輥觸地。收起操作中，通過壓力傳感器控制鋪設器壓緊廂門密封橡膠；放下操作中，通過壓力傳感器調節氣缸控制鋪設器壓輥對地基本壓力。

1.2.3 粘膜加熱

粘膜鋪設時需要根據氣候變化，將膠質層加熱到不同的預定作業溫度，為此采用兩種措施達到快速加熱目的：一是通過車輛發動機尾氣為粘膜預熱；二是利用電加熱器進行快速加熱，并通過調節使粘膜溫度控制在設定范圍內。

1.2.4 粘膜壓實

在粘膜鋪設過程中，由于地表硬化程度不同、地面高低起伏、污染物粒徑不同和厚度不均等因素，造成需要在壓輥對地基本壓力基礎上進行高效實時調節，以保證有效壓力在理想范圍內波動。經本文作者大量實驗表明：通過傳感器檢測主動調節，系統響應遲滯，難以達到理想效果，故采用彈簧組被動調節，能基本滿足壓實需求。

2 控制系統總體設計

為滿足作業車上述需求，可以采取兩種控制策略：一是全智能控制；二是多操控終端操控。功能原型機研發過程中，需要頻繁調整、改進各功能機構，程序也需要相應改變。采用第一種策略，不僅調試難度大，而且在核工業領域，對有較大危險性的機構操控，應盡量避免全智能控制[2-3]。

據此，系統采取多操控終端操控的方式，系統主要由主控板、控制柜、主控屏、輔控屏和手持終端組成，如圖3所示。主控板位于控制柜內，控制柜安裝于車廂內中部，并經耐輻射屏蔽處理，提高其在輻射環境中的工作穩定性；主控屏位于駕駛室內，具有整車所有作業系統的操控和監視功能；輔控屏在車輛尾部側壁嵌入安裝，便于作業準備時就近操控；手持終端用于粘膜卷材上裝和機械機構調試等近距操作存在危險，又需目視操控環節的控制。

圖3 控制系統邏輯關系圖

主控屏與主控板通過RS232串口通信，主控屏和輔控屏通過CET-5E網線連接，手持終端與主控屏通過藍牙無線通信連接。

3 硬件設計

控制系統采用主從設計，主控屏與輔控屏、手持終端共同作為上位機(又稱主機)，主控板為下位機(又稱從機)。

3.1 下位機

下位機以主控板作為控制系統的中樞，由信號處理板和接口板兩塊電路板組成，邏輯圖如圖4所示。信號處理板負責時域控制、邏輯運算與信息處理等，選擇ARM7系列的STM32F103ZET6芯片作為主控芯片，搭載Cortex-M3內核，32位處理器，72 M主頻，片內Flash容量為512 K，片內SRAM容量為64 K。另配備4個存儲單元：4 M SRAM、2M EEPROM、16 M Nor Flash和1 G Nand Flash。

圖4 主控板邏輯圖

接口板有3個功能：一是輸入數字量信號濾波和穩壓；二是輸出數字量信號功率增強和電壓調節；三是對各類模擬量進行調制，將輸入信號轉變為信號處理板能處理的0～3.3 V或4～20 mA范圍，將輸出信號調制成執行器件需要的電壓或電流[4-5]。

在組成涉核作業設備的所有材料或器件中，耐輻射性能從低到高依次是電子器件、有機材料、光學材料和金屬[6]。根據鋪設車所處的輻射作業環境(100 Gy以下)，有機材料的輻射損傷劑量在102～103Gy，因此僅需考慮電子器件輻射防護。電子器件中，數字集成電路耐輻射性能相對模擬電路比較弱，其中微處理器和存儲電路輻射損傷劑量最低，通常在10～500 Gy。因此，整車輻射防護的重點是下位機，采取主控板整體鉛防護方式進行耐輻射屏蔽處理。

對于加熱系統和大功率電機等強電控制部分，通過控制主控柜中的可控硅功率調整器和電機控制模塊實現。

3.2 上位機

上位機由主控屏、輔控屏和手持終端等3種控制終端組成。主控屏和輔控屏均選用Kinco公司的MT系列觸控一體機，手持終端為android手機。主控屏的通信接口用到了2路串行接口(COM1、COM2)和1路網絡接口(RJ-45)。其中，COM1接口通過RS232與主控板連接；COM2接口通過外接HC-06藍牙轉串口模塊，與手持終端進行通信[7]；RJ-45通過CET-5E標準網線與輔控屏連接。主控屏、輔控屏和手持終端的寄存器數據互為映射，均通過主控屏對主控板內地址數據進行讀寫，邏輯不分優先級。

4 軟件設計

工作時上位機程序對下位機數據定時進行查詢與實時寫入，下位機程序不主動發送數據，只對來自上位機的數據幀進行數據回傳。

為了系統拓展的方便，并保證系統的通用性，上下位機數據通信沒有采用自定義協議的形式，而是采用Modbus通信協議[8]。通信時由主站發起數據請求，從站若未收到主站發出的請求時不會進行數據發送。

4.1 上位機程序

控制屏程序采用步科自動化有限公司的Kinco HMIware組態軟件進行開發，該軟件采用可視化開發平臺，設備驅動程序齊全，內置功能元件豐富、美觀，腳本文件簡捷，系統開發周期短。

上位機程序的開發流程：①在設備窗口選擇與硬件設備對應進行設備元件，并按實際連接方式選擇相應通信線纜元件進行關聯；②在用戶窗口利用功能組件搭建運行窗口，并為各功能原件配置屬性；③在腳本編輯窗口將功能組件與變量、策略等進行關聯，根據邏輯功能編寫腳本程序。

輔控屏程序中，其按鍵與參數顯示元件相當于主控屏對應寄存器的映射，只需保證其地址一致即可達到功能需求。

手持終端程序采用基于Java的開源平臺Eclipse開發，附帶標準插件集[9-10]。Eclipse除了作為Java繼承開發環境使用，還可以通過其插件開發環境(plug-in development environment，PDE)極大提高開發效率。本文構建的3種控制終端效果如圖5所示。

圖5 3種控制終端

4.2 下位機程序

下位機程序在Keil uVision 4開發環境下進行開發與調試，根據系統結構組成和工作流程。為了保證通信的穩定性，在程序中設計了通信握手過程。下位機采用單字節接收中斷觸發，在中斷函數void USART1_IRQHandler(void)中設計了握手程序，當第一個字節為01，且第二個字節為01、03、05時，接收標志位置為2時，表示握手成功。接收到錯誤幀后，相關標志位將清零，需要重新進行握手。

4.3 軟件流程

控制系統軟件按照圖1的作業系統流程分為卷材上裝、鋪設機構展開、卷材就位、卷材張緊和卷材加熱與鋪設等5個子程序，程序之間由操作者根據現場情況通過手持終端按鍵調用執行。本文以粘膜卷材裝載和加熱為例進行說明。

4.3.1 卷材裝載

粘膜卷材裝載程序流程如圖6所示，通過物位傳感器和接近開關配合，可以實現卷材裝載過程的自動化流水作業。卷材就位程序與裝載程序類似，基本按照裝載程序逆向執行。

圖6 卷材上裝程序流程

4.3.2 卷材加熱

加熱控制主要分為3個環節：熱流預熱、電加熱、恒溫控制。

①熱流預熱：熱流來源自發動機尾氣，汽車正常行駛時尾氣排出至外部環境，當需要作業時，切換三通閥將尾氣導入氣流回轉加熱器，經耐熱軟管導入鋪設器加熱艙，對粘膜預熱，提高加熱效率。

②電加熱：在鋪設器加熱艙中安裝有電加熱器，用以快速調節熱流預熱后的粘膜溫度。

③恒溫控制：粘膜鋪設時，溫度過高容易使粘附層融化，甚至損壞基材；溫度過低，達不到粘膜鋪設的作業指標。通過檢測粘膜實時溫度，調節電加熱器功率，控制粘膜溫度在理想溫度區間內。

粘膜卷材加熱程序流程如圖7所示。

圖7 卷材加熱程序流程

主程序中，為避免溫度波動太大影響對污染物的粘附效果，引入了PID參數整定。

5 實驗結果與分析

對放射性污染物粘膜鋪設車控制系統進行了上裝前耐輻照實驗和車載功能實驗。

5.1 耐輻照實驗

耐輻照性能檢測實驗在60Co輻照條件下進行。待測系統在非輻射環境中裝配、調試穩定后，置于線控可移動平臺上，在輻照條件下進行了測試。由于輻照裝置的迷道對無線信號具有一定的屏蔽作用，未對手持終端進行無線測試，僅測試了有線控制方式。

測試分兩步進行，第一步，將除主控屏外的控制系統其它部分置于線控可移動平臺上，平臺上安裝有電離室來確定所處位置的輻射水平。分別在空氣比釋動能率為30 Gy/h(持續60 min)、60 Gy/h(持續40 min)、90 Gy/h(持續20 min)的輻射水平下進行了三階段測試。測試過程中，通過主控屏每間隔5min進行一次操控，執行機構動作參數通過傳感器反饋并顯示在主控屏上。測試電機正、反轉，不同轉速旋轉，氣缸伸縮等等，均與非輻射條件下的測試結果一致。測試完成后，將系統移至正常環境，立即操控輔控屏和手持終端，執行機構動作正常，檢測電路精準無誤。

第二步，將除輔控屏外的控制系統其它部分置于線控可移動平臺上進行測試，流程與第一步一樣?？刂葡到y操控正確，數據傳輸穩定。

5.2 車載功能實驗

將控制系統安裝于實車，進行了車載功能實驗，如圖8所示。首先，測試單個執行機構動作情況：粘膜卷材上裝與就位動作平穩，精準可靠；鋪設器收起后與車廂密封平整，放下后對地壓力滿足要求；加熱系統升溫快，溫度波動平穩。主控屏、輔控屏和手持終端均能可靠操控。

其次，測試粘膜鋪設連貫作業工況：粘膜鋪設過程中，粘膜加熱溫度波動不大，且能隨車速變化快速調節；卷材需要更換提示準確；所有動作銜接平穩，無卡滯或誤動作。

圖8 車載功能實驗

6 結語

這種多終端控制系統中，輔控屏和手持終端作為主控屏外設，不與主控板直接通信，而是通過映射地址的方式對共用寄存器進行實時讀寫操作，將唯一的操作指令發往主控板，不僅避免了主控板對不同指令來源的邏輯仲裁，而且各種終端的數據無需主控板交換，減少了數據冗余、提高了系統時效。上位機數據具有更高實時性，符合粘膜鋪設車作業工況要求。這種通過主屏地址映射實現多終端控制的方式，適合在各種特種車輛的控制系統中推廣應用。

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