（电气工程专业论文）高能电子辐照加速器束下传输系统的设计与控制研究.pdf

高能电子辐照加速器束下传输系统的设计与控制研究 摘要 随着电子加速器制造技术的进步，电子加速器辐照装置在世界辐射加工产业 中的地位日趋明显。由于电子加速器射束集中，能量利用率高，适合大批量辐照 加工生产，而且在停机状态下没有辐射危害，对环境不产生有害影响，因而电子 加速器在辐射加工行业中的应用越加广泛。 本文着重介绍分析了高能电子加速器束下辐照传输系统的设计和电气控制策 略，以辐照加工生产对束下传输系统的设计要求，对束下传输系统的设计特点及 满足要求的电气控制目标等逐项展开描述。束下传输系统是连接辐照装置的高放 射区和非放射区的纽带，由于它的使用而使工作人员与辐射源隔开，是最重要的 安全措施。鉴于高能电子加速器束下传输控制系统的特点，我们选用了与i p c ( 工 业计算机) 相比具有编程容易、输入输出接口简单、可靠性高、抗干扰能力强、 安装调试周期短等优点的可编程序控制器( p l c ) 作为控制系统的中心部件，使系 统达到高可靠性和易维护性。 、 系统使用p l c 作为控制系统的直接控制级，触摸屏作为人机交互界面，设置 被辐照物的高度、运行速度、辐照遍数、翻面与否等参数；若为实验品还可设置 实验往返次数等。经过p l c 运算后控制束下升降机构的升降改变被辐照物与扫描 窗之间的距离、变频器的频率、设备直通或翻面等。对来自现场的实时数据和报 警信息进行处理，同时以各种形象直观的用户界面显示实时数据、运行状态、报 警等。并具备与加速器控制系统的信息传输功能，数据信息的交换采用工业以太 网。在静态具备加速器控制系统可对传输系统运行参量设置的功能，且按设置参 量运行；在动态加速器控制系统可停止传输系统运行。 在文章最后结合现场调试对该系统的突出特点及有待进一步开展的工作进行 了归纳和探讨。 关键词：高能电子辐照加速器；传输系统：p l c ；控制 s t u d yo n t h e d e s i g na n dc o n t r o lo ft r a n s m i s s i o ns y s t e m u n d e ri r i r r a d i a t i o nb e a mo fh i g h - e n e r g ye l e c t r o n i c c c e l e r a t o r a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to ft h ee l e c t r o n i ca c c e l e r a t o rm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，t h e s t a t u so fe l e c t r o n i ca c c e l e r a t o ri r i r r a d i a t i o nd e v i c e si nt h ew o r l di r r a d i a t i o np r o c e s s i n g i n d u s t r yh a sb e c o m em o r ei m p o r t a n t a st h ei r i r r a d i a t i o nb e a mo fe l e c t r o n i ca c c e l e r a t o r f o c u s i n g ，h i g he n e r g ye f f i c i e n c y , s u i t a b l ef o rl a r g e s c a l ep r o d u c t i o n ，a n di nd o w n t i m e ， n oi r r a d i a t i o nh a z a r d s ，n oh a r m f u lt ot h ee n v i r o n m e n t ，t h u se l e c t r o n i ca c c e l e r a t o r si nt h e i r r a d i a t i o np r o c e s s i n gi n d u s t r yh a sb e e n u s e dm o r ew i d e l y i nt h et h e s i s ，t h ed e s i g na n de l e c t r i c a lc o n t r o ls t r a t e g i e so ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e m u n d e ri r i r r a d i a t i o nb e a mo fh i g h e n e r g ye l e c t r o n i ca c c e l e r a t o ra r ei n t r o d u c e da n d a n a l y s e dp r i n c i p a l l y , i t sd e s i g nr e q u i r e m e n t s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n de l e c t r i c a lc o n t r o lg o a l s m e e t i n gi r r a d i a t i o np r o d u c t i o nd e s c r i b e do n eb yo n et o o t h et r a n s m i s s i o ns y s t e mu n d e r i r i r r a d i a t i o nb e a mi st h el i n kc o n n e c t i n gt h eh i g hi r i r r a d i a t i o na r e aa n dn o n i r i r r a d i a t i o n a r e a ，t h ew o r k e r sa n di r i r r a d i a t i o ns o u r c e sa r es e p e r a t e db e c a u s eo fi t su s i n g ，a n di ti st h e m o s ti m p o r t a n ts a f e t ym e a n s b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a n s m i s s i o nc o n t r o l s y s t e m ，p l ci sc o r ec o n t r o lc o m p o n e n t s ，i ti se a s yt op r o g r a m m ，s i m p l ei n p u t o u t p u t i n t e r f a c e ，h i g hr e l i a b i l i t y , s t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t y ，s h o r tc y c l eo fi n s t a l l a t i o n a n dd e b u g g i n gc o m p a r e dv v i t l li p c ，i tm a k e st h es y s t e mt oa c h i e v eh i g hr e l i a l s i l i t ya n d e a s ym a i n t e n a n c e p l ci st h ec o n t r o ll e v e lo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h et o u c h - s c r e e ni st h ei n t e r a c t i v e i n t e r f a c e n l e p a r a m e t e r ss u c h a st h e h e i g h to fe r a d i a t e do b j e c t s ，m o v i n gs p e e e d ， i r r a d i a t i o nt i m e s ，t u r n o v e ro rn o t ，e t c c a nb es e t i ft h ee r a d i a t e do b j e c t sa r ee x p e r i m e n t a l s a m p l e ，t h ee x p e r i m e n t a lt r i pt i m e sc a nb es e ta l s o t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ee r a d i a t e d o b j e c t sa n das c a n n i n gw i n d o w , f r e q u e n c yo ft r a n s d u c e r , d e v i c et h r o u g hm o v i n go r t u r n o v e r e r e c a nb ec h a n g e dw i t hu p - a n d d o w nm o v e m e n to fl i f t i n gm a c h e n i s mu n d e r i r i r r a d i a t i o nb e a ma f t e rp l cc o m p u t i n g t h et r a n s m i s s i o ns y s t e mc a np r o c e s sr e a l t i m e d a t aa n da l a r mi n f o r m a t i o n ，a n dd i s p l a yt h e mv i s u a l l yo ns c r e e na tt h es a m et i m e i th a s i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nf u n c t i o nw i t hc o n t r o ls y s t e mo fa c c e l e r a t o r , a n dt h ed a t u m e x c h a n g eu s e si n d u s t r i a le t h e r n e t i ns t a t i cs t a t e ，t h et r a n s m i s s i o ns y s t e mp a r a m e t e r s c a nb es e tt h r o u g ht h ec o n t r o ls y s t e mo fa c c e l e r a t o r ，a n de n s u r ei tr u n n i n g c o r r e c t l y i n d y n a m i cs t a t e ，t h ec o n t r o ls y s t e mo fa c c e l e r a t o rc a ns t o pt h et r a n s m i s s i o ns y s t e m r u n n i n g i nt h ee n do ft h i st h e s i s ，b a s e do nd e b u g g i n gi nt h ea c t u a ll o c a l e ，t h ep r o m i n e n t p r o p e r t i e sa n di t e m st ob ei m p r o v e da b o u tt h es y s t e ma r ec o n c l u d e da n dd i s c u s s e d k e yw o r d s ：h i g h e n e r g ye l e c t r o n i ce r a d i a t i n ga c c e l e r a t o r ；t r a n s m i s s i o ns y s t e m ； p l c ：c o n t r o l 插图清单 图3 1 高能电子辐照加速器束下传输系统示意图9 图3 2 束下升降机构示意图l o 图3 3 束下段板机机械结构示意图1 1 图3 4 翻转机构结构示意图11 图3 5 控制系统硬件配置图1 3 图3 - 6 系统运行控制程序( 1 ) 。1 4 图3 7 系统运行控制程序( 2 ) 1 4 图3 8 系统运行控制程序( 3 15 图3 - 9 系统运行控制程序( 4 ) 1 5 图3 1 0 系统运行控制主画面1 8 图3 - 1l 参数设置画面19 图3 1 2 变频器速度显示画面1 9 图3 1 3 手动控制画面2 0 图3 1 4 报警事件显示画面2 0 图3 1 5 变频器速度系数设定画面2 1 图4 1p l c 输出原理图2 2 图4 2 主柜元件布置图( 正面) 2 3 图4 3 主柜元件布置图( 背面面) 2 3 图4 4 辅助控制柜门上的器件布置2 6 图4 5c b l 操作站上的按钮功能2 8 插表清单 表3 1 辐照产品参数表8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 佥旦墨王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 一虢声孑警 签字日期：力n ，萨，1 月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金旦巴兰些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权尘 照王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文； ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：辆 签字日期乒彬歹年ff 月f 歹日 鬻差翁嚣世叫髯松 工作单位：舀承- 移p 世冽哆形父 通讯地址： 导师签名： 签字日期：少辑f f 月，? 日 电话：多毋7 ，弓r 罗，矿 邮编：d 7 一口 致谢 在论文写作及整个求学期间，深切地感受到来自各方面的关心和帮助，能有 机会表达对他们的感谢是我真诚的愿望。 在论文完成之际，我首先要感谢我的指导老师温阳东教授和邓志高高级工程 师，感谢他们在我求学及撰写论文期间给予我的悉心指导和教育。导师扎实渊博 的专业知识、严谨的治学态度、积极进取的精神和谦逊务实的工作作风使我受益 匪浅，我将永远铭记在心。在三年的学习、工作和生活中，导师给予我的关怀和 帮助令我永生难忘。本论文从选题、撰写到修改、定稿无处不凝结着导师的心血 和汗水，在此向我的导师表示崇高的敬意和深深的感激之情! 同时，我还要感谢我的家人，以及在工作期间给予我很大帮助的同事和朋友 们，是您们无私的奉献和积极的工作才使我得以完成此项课题研究。 在今后的工作和学习生活中，我将更加勤奋，更加珍惜美好时光，决不辜负 各位老师、同学和朋友对我的信任和期望。 作者：蔡文轩 2 0 0 8 年8 月1 8 日 第一章绪论 1 1 辐照加工技术 近年来，随着我国经济的高速发展和国际贸易的空前繁荣，对各种产品质量、 食品安全、卫生防疫等的要求越来越高。由此应运而生的辐照加工技术作为一种 新兴产业，得到迅猛的发展，渗透到国民经济和社会生活的各个领域。辐照加工 是核科学技术的一个重要组成部分，也是应用于民用较早的一项核技术。 辐照加工技术也称辐射加工技术，是指利用x 射线、y 射线、高能电子等电离 辐射透过物质时，沿其运动的路径与物质相互作用，其携带的能量被物质吸收， 能直接或间接地通过初级或次级过程使物质发生电离效应，即轨道电子被逐出， 中性的原子变为离子的特性，并通过与辐照物质相互作用所产生的物理效应、化 学效应和生物效应，对被加工物品进行处理，以达到( 如材料改性、消毒灭菌、 生物变异等) 预定的目标。 1 2 高能电子辐照加速器加工技术及其主要应用范围 目前辐照加工的辐照源主要有两种：一种是利用放射性同位素c o - - 6 0 产生的 1 ，射线作为辐照源；一种是以高能电子加速器产生的高能大功率电子束作为辐照 源。 同国内外应用较多的钻源辐照装置相比，大功率电子辐照加速器在加速器装 置本身和辐照加工的技术和工艺方面具有如下特点： ( 1 ) 处理时间短，处理过程快。根据大功率电子辐照加速器的工作特点，其 在进行辐照操作时不需对被辐照物进行预处理就可直接进行辐照处理，而且束下 传输系统可以使被照物连续不断的传输，实现流水作业。 ( 2 ) 产品辐照的一致性。由于大功率电子辐照加速器工作时其所发出电子束 的能量和加速器出束功率仅受辐射剂量这一变量的控制，当根据被照物的性质确 定好辐射剂量后，大功率电子辐照加速器的出束功率和电子束能量能够基本保持 恒定，因此，在使用大功率电子辐照加速器对同一批被照物进行辐照加工时，在 保证束下被照物恰当的辐射距离和传输速度的情况下，所得到的产品的辐照质量 完全能够保证并且保持一致性。 ( 3 ) 辐照加工成本低。大功率电子辐照加速器是靠电能驱动进行工作的，其 在运行时不需要其它能源和辅助生产材料，这就使得大功率电子辐照加速器本身 就具有较低的运行成本。另外，大功率电子辐照加速器可根据被照物的性质选择 合适的辐照剂量，通过控制恰当的出束功率和电子束能量以及束下被照物的辐射 距离和传输速度来提高能量的利用率，从而也降低辐照加工的成本，提高辐照加 工的经济性。 ( 4 ) 安全性高。大功率电子辐照加速器是依靠其所发出电子束的能量来进行 辐照生产的，在运行时不会产生任何放射性废物，仅在运行过程中会产生一定量 的电离辐射和臭氧，这些都可以通过迷宫设计和柬下传输系统的设计和控制等采 取相应的屏蔽和防护措施加以解决，不会对操作人员、公众以及环境产生危害。 同时，使用大功率电子辐照加速器进行辐照a n t 时，不会改变受照物本身的性质， 且在辐照加工过程中不添加任何化学物质，所以辐照产品中不会存在有害化学物 质的残留，使产品具有很高的安全性。 ( 5 ) 投资少。国际上通常认为，一个功率为1 6 k w 的加速器相当于1 0 0 万居 里的钴源，但建造一台2 0 k w 的电子加速器的投入远低于建造同等功率的钴源的 投入。另外，加速器辐照装置在建造及运行过程中不使用任何放射性物质( 源) ， 其不需进行专门的退役治理，因此加速器辐照装置在退役时的投入将远低于钴源 装置。 因此，高能电子辐照加速器能够缩短照射时间，在保证照射质量的前提下， 提高生产效率，适于大批量的辐照加工生产。同时，电子束又不存在放射性元素 污染问题，使其安全性、可控性大大提高，因此，其应用范围越来越广泛。 高能电子辐照加速器加工技术主要应用于医疗卫生用品的辐照消毒、食品的 辐照保鲜、粮食和其它农副产品的检疫和贮藏、出口海产品辐照加工、电力半导 体器件和高分子材料的辐照改性、涂层固化、工业三废治理、新材料的制备领域 等。 1 3 国内外现状和技术发展趋势 高能大功率电子辐射加速器广泛地应用在消毒灭菌、食品保鲜、材料改性和 涂层固化等方面。 在医疗卫生用品的消毒灭菌方面。医疗卫生用品的辐照消毒灭菌始于2 0 世纪 5 0 年代，6 0 年代，英、法、澳、美、日等国率先建设了工业规模的用于医疗卫生 用品辐照的1 ，射线辐照装置。到了7 0 - - - 8 0 年代，在联合国计划开发署( u n d p ) 的帮助下，许多发展中的国家( 如印度、南斯拉夫、埃及、泰国等) 也相继建造 了自己的工业规模的医疗卫生用品辐照灭菌装置。据统计，1 9 9 0 年国外5 0 的医 疗卫生用品都采用辐照灭菌的方法消毒灭菌，尤其是近几年来，世界上的一些发 达国家以大量开展了高能电子束辐照灭菌技术的研究并应用于工业生产，这一技 术的开发和应用可以减少辐照装置的体积，使辐照灭菌装置实现小型化、在线化、 从而降低辐照灭菌的生产成本，提高企业的经济效益。 食品辐照保藏技术始于2 0 世纪4 0 年代，至今已有5 0 多年的历史。我国的食 品辐照加工起步较晚，1 9 8 6 年才开始实现产业化，一些工业化的食品辐照装置陆 续在全国各地建立。到目前为止，国家卫生部已先后批准了1 8 个品种辐照食品的 卫生标准，并于1 9 9 6 年正式颁布了辐照食品卫生管理办法和六大类辐照食品 的卫生标准，确保我国辐照食品生产的安全性，也对整个食品辐照加工业的发展 起到了极大的激励推动作用。 在材料改性方面，在2 0 世纪5 0 年代国外就已发现通过高能辐射可以使高分 2 子材料的性质发生改变，并在不久之后由美国的公司开发成功并投入生产。到2 0 世纪6 0 年代，随着各种类型电子加速器的相继研制成功和其性能的不断完善，利 用电子加速器辐照高分子材料进行材料改性的辐照加工工业逐渐形成并得到了迅 速的发展。利用辐照技术生产的高分子改性新材料相继在美国、日本等国家出现， 随后在中国、法国、德国、匈牙利、前苏联等一些国家也得到了迅速发展。目前， 经过辐照的高分子改性材料制品在电力、电子、通讯、交通、建筑、石油化工、 汽车、船舶、国防、军工等行业都获得了广泛的应用，高分子材料的辐照加工产 业已经成为国民经济发展必不可少的组成部分。 辐照涂层固化技术因其能有效控制污染，特别是控制挥发性有机物的排放， 越来越受到人们的青睐。在2 0 世纪6 0 年代初其人们发现低能电子辐照涂层可以 在很短的时间内将涂层固化。到2 0 世纪7 0 年代中期，美国的一些公司建立了电 子辐照涂层固化的中试生产线用于固化汽车内部三维零部件涂层，到2 0 世纪8 0 年代末，这项技术在世界经济发达国家和地区得到了快速的发展。到1 9 9 7 年电子 辐照涂层固化生产线以增加到了2 2 6 条，其中5 3 的生产线分布北美，2 3 的生产 线分布在欧洲，1 7 的生产线分布在日本。国内虽在近几年来针对该项技术展开了 打量的研究工作，并取得了一定的成果，但仍处于单台设备的研制和试验阶段， 并未得到推广和应用。 1 4 市场应用前景分析 国外辐照a n t 行业的发展始于2 0 世纪6 0 年代，其中医疗用品辐照消毒灭菌 产业规模最大。据统计，1 9 9 9 年国外5 0 的医疗用品采用辐照方法进行消毒灭菌， 占当时钴源辐照装置处理能力的8 0 ，直接导致了8 0 年代世界上的钴源供不应求， 并促进了高能电子辐照加速器在医疗用品消毒灭菌方面的应用和工业化生产。近 几年来，一些发达国家已大量开展了高能电子束韧致辐射x 射线灭菌研究，并由 美国医疗器械协会( a a m i ) 颁布了医疗用品电子束辐射灭菌工艺管理指南， 来指导和规范使用电子加速器进行辐照加工生产。由于这一技术的开发利于辐照 装置的小型化和在线化，大大降低了辐照灭菌的生产成本，提高了经济效益。因 此，用高能大功率电子辐照加速器取代钴源辐照装置是国际辐照加工行业发展的 趋势。 随着一次性医疗用品在国内的大量使用，我国在2 0 世纪8 0 年代初开始将辐 照技术用于一次性医疗用品的消毒灭菌。由于我国人口众多，对医疗用品特别是 一次性医疗用品的消毒耗量较大。据统计，国内市场一次性输液器的年需求量约 为1 0 - 2 0 亿套，一次性注射器的年需求量约为2 0 亿套以上，同时其他一次性 医疗用品如手术用品、血袋、引流袋、各种导管、吸管以及一次性无纺布制品、 妇女卫生用品、儿童保健用品、纸巾、食品包装材料的灭菌需求量均逐年大幅增 加。目前，我国医疗卫生用品辐照消毒灭菌产业每年以3 6 的速度递增，到1 9 9 8 年年产值己达l 亿元。同时国家在2 0 0 3 年颁布了有关法令，将在几年内逐步取消 传统的e t o 化学消毒灭菌法，这又为医疗卫生用品的辐照消毒提供了更为广阔的市 场前景。 食品的辐照保藏及保鲜至今已有5 0 多年历史，世界上许多国家以及联合国粮 农组织、国际原子能机构和世界卫生组织等国际组织都对这项技术给与了高度重 视。同时由于原在食品检疫和食品保藏保鲜中使用的溴甲烷等化学试剂会对臭氧 层产生强烈的破坏以及其他危害，目前美国、法国、荷兰等许多国家已禁止在食 品检疫和食品保藏保鲜的处理过程中使用该类化学物质。这样在食品检疫和食品 保藏保鲜中就会越来越多地采用辐照加工技术。目前世界上已经有4 1 个国家正式 批准了食品辐照技术的应用，其中有3 3 个国家批准辐照食品可以在市场上销售。 据不完全统计，目前世界市场上销售的经过辐照处理的食品总量约为2 0 万吨。 我国对食品辐照3 h - r 技术的研究起步于2 0 世纪5 0 年代后期，到7 0 年代进入 了全面发展时期并逐步走上了产业化道路。国家科技部和卫生部在“六五”至“八五” 计划的1 5 年中，在辐照食品的安全性研究和辐照食品卫生标准的制定方面开展了 大量的工作，先后批准了十八个品种的卫生标准，在1 9 9 6 年卫生部有正式颁布了 辐照食品卫生管理办法。这些卫生标准各法规的相继颁布实施，极大地加快了 我国辐照食品商业化的进程，推动了整个辐照加工产业的发展。我国是个人口大 国，食品的需求量很大，随着人们生活水平的提高，大众对食品质量的要求也越 来越高，使得食品辐照加工具有非常达的市场潜力。据同位素与辐射进行协会的 统计，在1 9 9 9 年国内仅食品辐照量就达到了8 6 趸，直接产值约1 7 亿元。由此 可见，我国的食品辐照加工虽起步较晚，但发展速度很快，其处理量居世界辐照 食品处理量的前列，由此而产生的市场潜力是非常巨大的。 从当前世界范围用于医疗卫生用品的消毒灭菌和食品保藏保鲜辐照方面的主 要装置为大装量的钴源辐照装置和高能大功率电子辐照加速器。但由于钴源辐照 装置本身存在钴源装量大、利用率低、投资大、产生放射性废物等缺陷，将会逐 渐被同样能够达到消毒灭菌和保藏保鲜目的的同时又具有投资较小、运行成本低、 能源利用率高、不产生放射性废物等优点的高能大功率电子辐照加速器所取代。 随着医疗卫生用品辐照消毒灭菌和食品辐照保藏保鲜市场的日益扩大，对高能大 功率电子辐照加速器的需求也会日益增加。因此发展高能大功率电子辐照加速器 的生产，并使之形成产业，将具有巨大的市场潜力和非常广阔的市场前景，能够 产生较好的社会效益和经济效益。 据不完全统计，世界用于辐射加工电子加速器的功率至少为钴6 0 的1 5 倍。 按2 0 0 4 年我国有各类辐照源装置1 0 0 多座计算，要达到和钴6 0 辐照传输系统持、 平的水平也将达到1 0 0 套之多，而要达到世界平均水平，只计算高能电子加速器 传输系统将达到7 0 0 余套( 高能电子加速器不可能没有传输系统) 。 在电子加速器方面，低中能电子加速器，自9 2 年以来，几乎以每三年翻一翻 的速度在增长。高能电子加速器在国内的使用才刚刚开始。为提高射线利用率、 4 保证人身生命和运行安全，商用辐照装置一般情况下均采用辐照传输系统连接辐 照装置的高放射区和非放射区。加速器束下传输系统是连接辐照装置的高放射区 和非放射区的纽带，由于它的使用而使工作人员与辐射源隔开，是最重要的安全 措施。基于上述原因，为满足市场需求，我们在已有设计开发钴6 0 源辐照传输控 制系统的经验基础上，开发了高能电子辐照加速器传输控制系统。所以该系统有 较好的应用前景，也会带来较好的经济效益和社会效益。 1 5 本文的主要工作和章节安排 本论文的研究对象是高能电子辐照加速器束下传输系统的设计与调试应用， 结合我市新康威公司就山东蓝孚医疗科技有限公司的高能电子辐照加工建设项目 设计方案设计，对高能大功率辐照加速器束下传输系统的设计及应用做了系统全 面的分析和研究。全文的章节安排如下：第一章绪论，简要介绍辐照加工技术在 民用领域的发展历程、主要应用领域及发展前景和推广应用的现实意义，以及全 文章节安排。第二章辐照加工生产的自动化和信息化，简要介绍辐照加工生产的 自动化和信息化的发展和本项目1 0 m e v 2 0 k w 加速器束下传输系统工艺要求。第 三章介绍1 0 m e v 2 0 k w 高能电子加速器束下传输系统设计方案，从项目主要实施 内容及对控制系统的要求，束下传输系统的总体设计和束下传输控制系统等三个 大的方面进行了阐述和介绍。第四章是束下传输系统的调试及运行分析。第五章 全文总结，简述了对束下传输系统设计所解决的技术关键点和创新点及对今后应 用前景的展望。 第二章辐照加工生产的自动化和信息化 2 1 辐照加工生产装置自动化和信息化的发展 辐照加工技术是核科学技术的重要组成部分，是国家重点发展的高新技术领 域。辐射加工技术是利用核辐射与物质相互作用所产生的物理效应、化学效应和 生物效应，对生产加工物品进行如材料改性，消毒灭菌，生物变异等处理。它具 有穿透力强，效率高，杀虫灭菌彻底，工艺过程简单，操作方便，低耗能，高效 益，高度机械化，自动化，无污染，无残留等优点，近年来发展迅速。 就发展趋势而言，国外辐照产业正朝着大型化、集约化、专业化、自动化、 标准化、高射线利用率、高运行效率方向发展。在现代化的辐照加工生产中，相 关信息数据的自动处理是这一发展趋势的新要求，同时也是实现辐照加工生产过 程自动化，管理科学化，质量控制标准化的重要途径。 美国的s t e r i g e n i c s 公司在洛杉矾的一座消毒场，设计装源能力达 3 7 x l o b q q ( 1 0 0 0 万居里) ，年运行时间8 4 0 0 小时，全部工作人员只有1 4 人。这么 高的生产能力和人员效率，辐照装置必然达到机械化自动化连续化运行，在辐照 装置自动化生产中所产生和需求的信息能得到高效而可靠的处理。这些信息包括： 辐照装置工作状态信息，辐照生产产品信息，生产流程信息，生产安全记录信息， 产品质量监控信息等。 早期国内建造的工业丫辐照装置使用以继电器为主组成的控制系统。这种以 各种继电器、定时器、接触器以及触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统， 控制辐照装置各种机械设备。由于结构简单，易掌握，因此在早期的辐照装置中 多采用。而继电器为主的控制系统存在两个主要缺点：1 可靠性差，排除故障困难。 继电器采用的是接触控制，长期使用后机械性触点容易损坏。一个继电器的损坏 也会影响整个系统的正常工作，而查找排除故障非常困难。2 灵活性差，总体成本 高。控制系统的安装接线工作量很大，如果工艺变化或者需要改造，则工期长、 费用高。就装置而言只能是部分实现了自动化，信息化还没有实现。 进入2 0 世纪9 0 年代中期，p l c 可编程控制器运用到了当时建设和改造的辐 照装置中。p l c 具有运用简便灵活、安装简便、编程简化，维修容易的特点，在 运用中有可靠性高，抗电磁干扰性能好，环境适应能力强，功能完善，易于实现 网络化等优点。特别是p l c 具有计数功能，数据处理功能，对控制系统的监控功 能，自我诊断功能和存储功能，可以实现掉电保护。综上所述，应用p l c 的辐照 装置控制系统已经达到了信息数据的自动化处理功能，但这种功能的实现是部分 的。首先p l c 处理的数据信息仅限于电器信号和简单的数字运算，其记录处理的 信息数据仅限于辐照装置系统的工作状态。另外p l c 存储空间有限容量仅为m b 级，对大量的信息数据处理无能为力。因此单纯依靠p l c 控制的辐照装置系统还 6 不能实现信息化，摆脱不了手写笔记填表格的传统低效方法。 随着科学技术的不断进步，p l c 实现了和计算机的通信。这样的控制系统已 经广泛应用于目前新建的辐照装置中。以o r m o n 系列p l c 作为下位机为例，通 过r s 2 3 2 串行端口实现了和上位计算机的通信，这样可以既充分实现p l c 优良的 电气控制特性，又可以运用计算机的出色信息处理能力和清晰友好的控制界面显 示功能。工作人员可以在上位计算机上实现对生产相关情况的信息检索查询，添 加删除等等。相应的管理人员也可以随时调用相关信息记录随时了解生产情况， 分析并找出不足，以改进和制定新的生产方案。维修工程师也可以通过系统中的 故障记录及时对辐照装置维修。 2 21 0 m e v 2 0 k w 加速器束下传输系统工艺要求 2 2 1 总体要求 1 保证被照物受照剂量均匀 2 提高辐射能量利用率 3 系统功能与加速器性能合理匹配 2 2 2 功能要求 加速器地面传输系统的各项功能都是在能够满足总体要求的前提下提出的。 为了满足总体要求加速器地面传输系统具备下列功能： 1 能使被照物竖直翻转l8 0 0 ； 2 能使被照物水平旋转18 0 0 ； 3 束下输送机能根据被照物的厚度自动升降； 4 被照物品通过束下时，物品间不得有间隙； 5 束下输送机能双向运行、且正对射线处留一定宽度的缝隙，确保射线不与金 属直接接触； 6 辐照室内输送设备的材料具有防臭氧功能； 7 输送设备的动力单元及电控元件置于辐照室外； 8 系统具有自动上下件功能； 。 9 要求整个系统有较高的防腐能力。 2 3 本章小结 本章介绍了辐照加工生产自动化和信息化发展的过程，以及今后的发展趋势。 就此提出了辐照加工生产对束下传输系统的工艺要求，依据工艺要求来实现对传 输系统的整体设计和控制任务。 7 第三章1 0 m e v 2 0 k w 高能电子加速器束下传输系统设计方案 3 1 项目主要实施内容及对控制系统的要求 3 1 1 传输系统工艺主参数 1 传输系统截面尺寸( 蛐n ) 宽高 l5 0 0 x 5 0 0 2 输送包装箱最大尺寸( m m ) 长宽高 8 0 0 x 8 0 0 ( 7 0 0 ) x 5 0 0 3 输送包装箱最大重量( 埏) w = 5 0 0k g 4 最快工作节拍 ( s )s = 3 s 5 系统运行速度( r n s )2 - - 2 0 连续可调 6 束下输送机升降高度( m m ) h = 5 0 0i i t i t i 3 1 2 辐照产品参数表 表3 1 辐照产品参数表 长宽高 5 0 05 0 03 0 0 5 5 06 0 03 0 0 6 0 05 0 04 0 0 6 5 07 0 05 0 0 7 0 05 0 03 0 0 7 5 0 5 5 03 5 0 8 0 07 0 02 0 0 8 0 07 0 01 5 0 3 1 3 束下传输系统的设计要求 1 被辐照物在辐照点要匀速通过。在辐照区物品间无间隙紧密排列；对双面 照的物品可自动识别和平稳翻转。 2 传输线传输速度连续可调。辐照区物品的匀速传输速度连续可调：0 4 - - 4 米分；常用速度为0 8 1 米分；短时间内允许最高速度为5 米分。 3 辐照区可连续升降，升降区平台要保证物体的密集排列和匀速运动，升降 区平台长度为不小于2 m ；升降范围：0 - - - 一3 0 0 m r n ： 4 辐照区被照物品的运动速度可连续准确检测，并在控制台实时显示。 5 在传输线实现可选择的1 8 0 度平稳自动翻转。能自动识别经过1 8 0 度翻转 的第二次被辐照物品，并按设定指令准确自动处理。 6 传输线分传输区、积放区和辐照区，采用分速独立控制。 8 7 传输线可单独调试，同时具备与加速器的信息传输功能，信息的主要交接 口用干接点方式。在静态具备加速器控制系统可对传输线运行参量设置的功能， 且按设置参量运行；在动态加速器控制系统可停止传输线运行。 8 不同尺寸的被辐照物自动翻面最快速度达到每件3 秒以下。 9 需要大剂量的被辐照物或实验产品在束下可往复运行。 3 2 束下传输系统的总体设计 3 2 1 束下传输系统结构设计和设备工艺描述 束下传输系统包括机械系统、动力驱动系统、控制系统、工艺计数子系统、 安全连锁子系统、传输轨迹修正系统等。能够实现单面辐照和双面辐照的工艺需 求。 根据辐照室的结构形式，束下传输系统的总体设计结构方案结构示意图如图1 所示： 图l 中1 、5 、6 、7 部分处于辐照室外，完成“上料”、选择“直通翻面”和“下 料”的工序；而2 、3 、4 、到7 等部分在辐照室内，完成受照产品的传送和接受辐 照的过程。辐照期间绝对禁止辐照室内有人员出入。具体工艺传输过程及设计使 用的传送设备描述如下： 图3 - 1高能电子辐照加速器束下传输系统示意图 为了保证不同高度的产品在束下均能获得最佳照射距离、满足试验性产品在 束下往复照射的要求，将束下输送机图3 1 中的4 设计成往复式可升降板机，并根 9 、， 纵、， 据工艺要求将升降高度定在0 到3 0 0 m m 范围内连续可调，往复运动速度在0 4 - - 4 米分连续可调。 由于高度大于等于1 5 0 m m 的受照品为保证照射的均匀需要上下换面照射，高 度小于1 5 0 m m 的产品不需要换面，在图3 一l 中设计成了翻转装置6 和直通装置5 ， 可根据需要事先选择设定。翻转装置6 可达到最快每3 秒一次的翻转速度。 为保证操作人员的安全，受照品由上料段1 连续自动送入输送辊机2 ，经过直 段辊机、弯段辊机和积放辊机3 不同运行速度的配合，使输送受照品进入往复式 可升降板机4 之前达到无间隙排列运行，且使受照品中心线与往复式可升降板机4 中心线重合，以提高射线的利用率。受照品通过4 之后又经过不同段位的辊机不 同速度的配合运行，使受照品实现再次以适当间隙运行。对于需要翻面的受照品， 通过翻转装置6 垂直翻转1 8 0 0 后进入下一轮运行。对于不需要翻面的受照品，通 过直通装置5 直接进入下一轮运行。最后经过下料段7 下线。 在3 到4 号区域采取了耐照射的链传动，在其它区域采取了低噪音的橡筋传 动使设备整体噪音降低。 3 2 2 束下辐照区域的板机传动设计 1 束下传输段升降机构 为了保证不同高度的产品在束下均能获得最佳照射距离、满足试验性产品在 束下往复照射的要求，并解决电子束直接照射到金属机架上，使金属机架发热及 产生有害射线等问题，束下输送机设计成往复式可升降机构，并且以辐照窗中心 线为分界把辐照区输送机设计成两段，升降高度范围为0 到3 0 0 m m 连续可调，往 复运动速度在l - - - 4 米分连续可调，如图3 1 中的4 为束下传输段。束下实际升降 机构结构示意图如图3 2 所示。 扫描窗 口 图3 - 2 束下升降机构示意图 2 板机链传动自适应张紧机构 1 0 为保【f 传输设蔷存束下段化送被辐照物过挥中小厂= ，f 车h 对滑动，机械i 5 “l 把小 段采i h 扳机琏传动，如剀3 - 3 所不。为消除束i 段刚为州降r 口j 度变化对链条 长度的影n 【q ，采川毫锤张紧机构以吸收链条长度的变化，保证链传动的张j 。 束下板机如果卣接升降，会产乍堆链现象，所以存升降过程中，扳机跟随运 行，使川降更稳定。柬下段板机的控制土要自扳机的升降、板机的连续运行。 i 川为求下为高辐射区，束f 段扳机的州降i u 机、检测信号不能安城扯离辐射 矗内。所以驱动】u 机与升降装置之月j 采川了如图3 3 所小的长传动轴结构方式。 帛盛 ) 一一，e _ 毒= 带毒* 一一一 。一一一# 一一蔷! 每：m # 吲3 - 3 求f 段扳机机械结构示意幽 3 2 3 换咖翻转机构设计 l | rc 每度几于等于1 5 0 r a m 的被丰鬲照物为保证受麒均匀需要r _ r 按对，尚 度小fi5 0 r a m 的产乩小需婪换为此，通过直通装胃和翻转装霄史现。灿h3 1 c f 的5 、6 所小。翻转装置的结构，j 、意图如r 图3 - 4 所示。 幽3 - 4 翻转帆构结构示意刨 3 3 柬下传输控制系统 为实现r 进t 芝要求，在控制力案的选择i 强制设计最优化，系统模块化 加工简单化。为此，在各部分设计中都进行了多套方案设计比较和初步实验，最 后选择了最优设计。 鉴于高能电子加速器束下传输控制系统的特点，总结在钴。6 0 辐照传输控制系 统开发设计中的经验，我们选用了与i p c ( 工业计算机) 相比具有编程容易、输入 输出接口简单、可靠性高、抗干扰能力强、安装调试周期短等优点的可编程序控 制器( p l c ) 作为控制系统的中心部件，避免了i p c 易受干扰、操作系统易死机等 问题，使系统达到高可靠性和易维护性。 系统使用p l c 作为控制系统的直接控制级，触摸屏作为人机交互界面，设置 被辐照物的高度、运行速度、辐照遍数、翻面与否等参数；若为实验品还可设置 实验往返次数等。经过p l c 运算后控制束下升降机构的升降改变被辐照物与扫描 窗之间的距离、变频器的频率、设备直通或翻面等。对来自现场的实时数据和报 警信息进行处理，同时以各种形象直观的用户界面显示实时数据、运行状态、报 警等。并具备与加速器控制系统