核廢料的高精度定位存取系統的製作方法

2023-04-26 01:53:46 1

專利名稱：核廢料的高精度定位存取系統的製作方法
技術領域：
一種核廢料的高精度定位存取系統用於核電站廢料桶倉庫。屬核工程領域。
背景技術：
所有的核電站都存在核廢料的處理問題。我國現有某核電站採用的是前蘇聯的技術(參見ELECTRIC BRIDGE CRANE with LIFTING CAPACITY 6.3t2SMB03AE001 TO TECHNICAL DESCRIPTION)。即建立一個面積約70×18m，高度約20m的廢料桶倉庫，廢料桶的進出口設在倉庫縱向側的高架平臺上(或進、出共用一口，或一側的作為進口，另一側的作為出口)，以便往返運輸的車輛停泊在進出口的下方。直徑約為1.5m的廢料桶以三角形陣列的形式在庫內堆放4～6層。廢料桶的搬運由庫內安裝的6.3噸電動雙橋式吊車完成。
原有的設計方案使得整個搬運過程自動化程度很低，吊車駕駛員、與搬運有關的人員離不開庫內現場，承受著核輻射的威脅；由於原設計中，吊車縱、橫向行走和吊鉤升降均採用雙速電機，制動方式為與電機配套的電磁鐵，制動釋放電壓採用電機線間電壓，致使吊車大、小車和吊具運行時即便採用慢速(快速20m/min，慢速5m/min，吊鉤升降快速為10m/min，慢速2m/min)也顯得過快，啟動、運行、制動不平穩，吊鉤和廢料桶晃動幅度較大，吊車定位精度不高，單個廢料桶佔據的空間較大，降低了倉庫的利用率。

發明內容
一種核廢料的高精度定位存取系統是對現有核廢料存放系統的改造，在保留原有廠房、設備(如吊車、電機、制動抱閘等)的前提下，在「局部」採用高新技術(如變頻調速、雷射測距、計算機控制、攝錄監控裝置等)，使得整個搬運過程可在「程控」狀態下進行，從而避免或減少了吊車操作人員、起重人員受到的核輻射威脅；吊車具有調速功能，啟動、運行、制動平穩，減小吊鉤和廢料桶晃動幅度；提高了吊車定位精度，減小了單個廢料桶的存放空間，提高了倉庫的利用率。
改造方案中要求在廢料桶倉庫外增加一個控制室，在控制室內安裝一個控制臺和一個控制櫃，並通過電閘箱與廢料桶倉庫電器連接。控制臺內安裝一臺工控機和一臺數字硬碟錄像機並上置工控機顯示器和數字硬碟錄像機顯示器。可編程控制器(PLC、下同)通過RS232接口與工控機傳遞數據。可編程控制器和變頻器安裝在控制櫃內。為了精確檢測和控制吊車和吊具的位置，在倉庫縱向(X方向)的牆壁上安裝一臺雷射測距儀，監測大車位置；在大車縱向軸線方向(Y方向)上安裝一臺雷射測距儀，監測小車位置；在小車升降電機上安裝一臺旋轉編碼器，監測吊具在鉛垂方向(Z方向)位置。雷射測距儀和旋轉編碼器通過通訊電纜將監測到的數據實時發送到可編程控制器數字通訊接口中，經可編程控制器計算確定大車、小車、吊具的位置，達到定位的目的。可編程控制器用RS485通訊接口與三臺變頻器連接，分別供大車、小車、吊具調速用。利用雷射測距儀和旋轉編碼器的高精度(解析度可達到0.1mm)定位功能，以及變頻器可充分降低電機轉速的特性，將吊車運行精度(不包括吊具的擺動)提高到1mm。運輸車道攝像機安裝在廢料桶進出口上方的天棚上，全方位攝像機安裝在倉庫中部的天棚上，小車攝像機安裝在小車上。
為了使整個吊車在X、Y、Z三個方向上滿足啟動及時，行走速度可調、平穩，制動準確的要求，首先給大車、小車和吊具所用的三臺電機分別加裝變頻系統，從而既確保了大車電機、小車電機、吊具電機均可在50HZ到OHZ間的任意一個頻率上運轉。其次，不再用電機線間供電解除電機抱閘系統，而是外加抱閘電源單獨進行抱閘釋放，並由可編程控制器的數字輸出埠控制。其中的變頻器選用西門子MM440變頻器，其突出特點是恆轉矩。三臺變頻器通過一個RS485口與可編程控制器通訊。
控制程序是基於對核電站廢料桶倉庫的全面測量，將吊車在倉庫內可能遇到的運行情況輸入到可編程控制器當中，可編程控制器可自行判斷吊車待運行的方向與距離，並分別控制沿X方向運行的大車、沿Y方向運行的小車以及沿Z方向運行的吊具，自動完成吊車運行的所需全過程。
在廢料桶倉庫的入口處安裝接近傳感器，當有廢料桶進入時觸發接近傳感器，並通過通訊電纜向可編程控制器數字量通訊接口發出廢料桶進入倉庫信號，進而觸發可編程控制器自動運行廢料桶堆放程序。接到廢料桶進入倉庫信號後的可編程控制器先對吊車進行監測，監測信號來自安裝在吊車電機上的溫度傳感器、安裝在軌道和車上的限位開關等器件並通過通訊電纜傳給可編程控制器的模擬量接口和數字量接口。可編程控制器通過內在軟體對監測信號進行判斷，確定吊車狀態是否符合運行要求。在吊車運行同時，可編程控制器通過電壓、電流等傳感器檢測吊車運行狀態，並藉助用內在軟體對檢測數據進行判斷，以確保吊車正常運行。若判斷吊車不能正常運行，則通過可編程控制器的數字輸出埠啟動控制臺上相應的指示燈和蜂鳴器，同時在工控機上彈出相應報警對話框並發出相應報警音樂，提醒操作、監控人員注意。在工控機當中設立數據存儲系統，將可編程控制器傳輸的相關數據實時存入到資料庫當中。
與此同時，工控機藉助軟體將定位數據與核電站廢料桶倉庫模擬圖形系統(如攝像機、錄像機、顯示器等)相對應，向操作、監控人員反映吊車在核電站廢料桶倉庫實際位置。操作、監控人員可隨時通過監控系統對廢料桶倉庫內部進行現場監視並錄像，用作歷史參考數據。根據要完成的任務及實現的功能，對視頻監控系統的具體要求如下(1)全方位一體化攝像機能夠監視廢料庫中所需要的任意一個廢料桶(罐)的位置；(2)小車上的一體化攝像機能夠清晰地監視吊鉤的動作狀態；(3)若小車攝像機出現故障時，全方位一體化攝像機能在吊車提升與行走時監視吊裝機械手的動作狀態；(4)當小車攝像機或運輸車道上的彩色攝像機有一個出現故障時，另外一個能夠監視運輸車到位以及落罐情況；(5)高架平臺進出口上方的彩色攝像機能夠觀察到車位以及落罐情況；(6)攝像機故障時能夠方便快捷地拆卸與更換；(7)系統電纜故障時能夠方便快捷地更換；(8)數字硬碟錄像機具有錄像存儲和錄像回放功能；(9)解碼器能正常地控制一體化攝像機，具有變倍和雲臺的轉動功能；(10)其餘設備損壞時也能很快地更換。


圖1核廢料的高精度定位存取系統的新增設備布置2核廢料的高精度定位存取系統控制室平面3核廢料的高精度定位存取系統控制臺立面4核廢料的高精度定位存取系統的控制框5核廢料的高精度定位存取系統的監控系統框6核廢料的高精度定位存取系統的電機和抱閘系統改造圖具體實施方式
下面給出本發明的優選實施方式，並結合附圖加以說明。
如圖1所示，在廢料桶倉庫01外增加一個控制室06；在倉庫01縱向(X方向)的牆壁上安裝一臺雷射測距儀1，以便監測大車04的位置；在大車04的縱向軸線方向(Y方向)上安裝一臺雷射測距儀2，以便監測小車05的位置；在小車升降電機上安裝一臺旋轉編碼器3，以便監測吊具在鉛垂方向(Z方向)位置。汽車道攝像機6安裝在廢料桶進出口03上方的天棚上，全方位攝像機5安裝在倉庫01中部的天棚上，小車攝像機4安裝在小車05上。
如圖2所示，在控制室06內安裝一個控制臺11和一個控制櫃12，並通過電閘箱13與廢料桶倉庫01內的電器設備連接。
如圖3所示，控制臺11內安裝一臺工控機7和一臺數字硬碟錄像機8並上置工控機顯示器9和數字硬碟錄像機顯示器10。
如圖4所示，可編程控制器(PLC，下同)71通過RS232接口與工控機7傳遞數據。可編程控制器71和變頻器74安裝在控制櫃12內。雷射測距儀1、2和旋轉編碼器3通過通訊電纜和通訊模塊75將監測到的數據實時發送給可編程控制器71，以便計算確定大車04、小車05、吊具的位置，達到定位的目的。可編程控制器71用RS485通訊接口與三臺變頻器74連接，分別供大車電機061、小車電機062、吊具電機063調速用。可編程控制器71還通過與模擬量接口72和數字量接口73相連的接近傳感器77、測重傳感器76以及測溫傳感器、限位開關等監視廢料桶的進出和設備運行情況。
雷射測距儀選用德國樂可LMC-j-0040型雷射測距儀，其測量距離為0.2---30m，用反光板可達100m，測量精度±2mm，解析度0.1mm，測量速率5Hz，接口採用RS422。旋轉編碼器選用德國圖爾克EL58C系列產品，該產品的解析度為每圈1024，通過計數模塊FM350-1與可編程控制器相連。利用雷射測距儀和旋轉編碼器的高精度(解析度可達到0.1MM)定位功能，以及變頻器可充分降低電機轉速的特性，已將吊車運行精度(不包括吊具的擺動)提高到1mm。
如圖6所示，為了使整個吊車在X、Y、Z三個方向上滿足啟動及時，行走速度可調、平穩，制動準確的要求，大車04、小車05和吊具所用的三臺雙軸伸電機06(在圖4中細化為大車電機061、小車電機062、吊具電機063)的一端與各自的抱閘系統的制動輪07固連，另一端與各自的行走輪(或捲筒)08固連；並採用由電源31、磁力接觸器32、交流電抗器33、變頻器74組成的供電系統，而三臺變頻器74通過一個RS485口與可編程控制器71通訊(參見圖4)；從而確保三臺雙軸伸電機06均可在50HZ到OHZ間的任意一個頻率上運轉。其次，不再用電機06的線間供電解除抱閘系統，而是外加抱閘電源35單獨進行抱閘釋放，並由可編程控制器71的數字輸出埠控制。其中的變頻器74選用西門子MM440變頻器，其突出特點是恆轉矩。
控制程序是基於對核電站廢料桶倉庫的全面測量，將吊車在倉庫內可能遇到的運行情況輸入到可編程控制器71中，它可自行判斷吊車待運行的方向與距離，並分別控制沿X方向運行的大車04、沿Y方向運行的小車05以及沿Z方向運行的吊具，自動完成吊車運行的所需全過程。
當廢料桶進出口03有廢料桶進入時，安裝在此處的接近傳感器77將被觸發，並通過通訊電纜向可編程控制器71的數字量接口73發出廢料桶進入倉庫信號，進而觸發可編程控制器71自動運行廢料桶堆放程序。接到廢料桶進入倉庫信號後的可編程控制器71先對吊車進行監測，監測信號來自安裝在吊車電機上的溫度傳感器、安裝在軌道和車上的限位開關等器件並通過通訊電纜傳給可編程控制器71的模擬量接口72和數字量接口73。可編程控制器71通過內在軟體對監測信號進行判斷，確定吊車狀態是否符合運行要求。在吊車運行同時，可編程控制器71通過電壓、電流等傳感器檢測吊車運行狀態，並藉助用內在軟體對檢測數據進行判斷，以確保吊車正常運行。若判斷吊車不能正常運行，則通過可編程控制器71的數字量接口73啟動控制臺上相應的指示燈和蜂鳴器，同時在工控機7上彈出相應報警對話框並發出相應報警音樂，提醒操作、監控人員注意。在工控機7中設立數據存儲系統，將可編程控制器71傳輸的相關數據實時存入到資料庫當中。
控制系統所用的上位機可選用西門子IL-40工控機7，其CPU為奔四2.4G，內存256M，硬碟80G，顯存32M，集成的網卡、音效卡。可編程控制器71通過MPI網絡與其連接，將採集到的數據傳輸給工控機7，工控機7通過用WINCC軟體編制的人機界面程序完成數據管理、設備監測、報表列印、數據查詢等功能。
所用的下位機選用西門子可編程控制器300系列之CPU314C-2ptp，其上集成了DI口24個，DO口16個，AI口5個，A0口2個，MPI一個，ptp一個。通過PIN導軌，還連接了模擬量輸入模塊SM331一個，通訊模塊CP340兩個，計數模塊FM350-1一個，數字量輸出模塊SM322一個。下位機的程序存儲在MMC存儲卡中，完成各部件順序起停、與傳感器通訊等功能。
與此同時，工控機7藉助軟體將定位數據與廢料桶倉庫模擬圖形系統(如攝像機、錄像機、顯示器等)相對應，向操作、監控人員反映吊車在核電站廢料桶倉庫實際位置。
如圖5所示，視頻監控系統的小車攝像機4、全方位一體化攝像機5、汽車道攝像機6、解碼器42、52分別由UPS電源21、直流電源41、51供電；數字硬碟錄像機8的型號為KONY TM621616，支持1-4路視頻全實時監看、錄像，用鍵盤滑鼠操作；三臺攝像機4、5、6通過視頻輸入插頭81將圖像信號傳給數字硬碟錄像機8並顯示，並經接口轉換器82分別與解碼器42、52連接。解碼器42、52型號KONY M800CIA-T，通過對硬碟錄像機控制命令的解碼，可驅動雲臺、鏡頭、攝像機。兩臺一體化攝像機的型號ST-CC9220，其中一臺稱為全方位一體化攝像機5，與室內全球型雲臺置於一起，吊頂安裝，可近360度旋轉，用來監視廢料庫中吊車運行情況和廢料桶的排放情況，使操作員對廢料庫中的情況有一個直觀、全面的了解；另一臺稱為小車攝像機4，放置於吊車小車上，固定安裝，不能轉動，但鏡頭可以變倍，用來觀測吊裝機械手的工作狀態；一臺汽車道攝像機6，型號ST-CC6040，驅動電壓AC220V，置於廢料桶進出口03上方，用於監視廢料桶進出口03有無運輸車輛並監視運輸車上的落罐情況。
本發明使整個搬運過程可在「遙控」狀態下進行，從而避免或減少了吊車操作人員、起重人員受到的核輻射威脅；吊車具有調速功能，啟動、運行、制動平穩，減小吊勾和廢料桶晃動幅度；提高了吊車定位精度，減小了單個廢料桶的存放空間，提高了倉庫的利用率。
權利要求
1.一種核廢料的高精度定位存儲系統，是對現有核電站核廢料存放系統的改造，其特徵在於它包括定位系統、控制系統和監視系統，將三臺雙速、雙軸伸電機(06)改為變頻調速，外加抱閘電源(35)單獨進行抱閘釋放；其中，定位系統包括二臺雷射測距儀(1、2)，一臺旋轉編碼器(3)；工控機(7)通過RS232接口與可編程控制器(71)傳遞數據；可編程控制器(71)通過通訊電纜和通訊模塊(75)與雷射測距儀(1、2)和旋轉編碼器(3)相連，通過RS485通訊接口與三臺變頻器(74)連接，還通過模擬量接口(72)和數字量接口(73)與接近傳感器(77)、測重傳感器(76)以及測溫傳感器、限位開關等相連；監視系統包括安裝在廢料桶進出口(03)上方天棚上的汽車道攝像機(6)、安裝在倉庫(01)中部天棚上的全方位攝像機(5)、安裝在小車(05)上的小車攝像機(4)、裝於控制臺(11)內的數字硬碟錄像機(8)、工控機顯示器(9)和數字硬碟錄像機顯示器(10)。
2.根據權利要求1所述的核廢料的高精度定位存儲系統，其特徵在於在定位系統中，雷射測距儀(1)安裝在倉庫(01)縱向的牆壁上，雷射測距儀(2)安裝在大車(04)的縱向軸線方向上，旋轉編碼器(3)安裝在小車升降電機(063)上。
3.根據權利要求1所述的核廢料的高精度定位存儲系統，其特徵在於大車(04)、小車(05)和吊具所用的三臺雙軸伸電機(06)採用由電源(31)、磁力接觸器(32)、交流電抗器(33)、變頻器(74)組成的供電系統；而三臺變頻器(74)通過一個RS485口與可編程控制器(71)通訊，變頻範圍在OHZ到50HZ之間。
4.根據權利要求1所述的核廢料的高精度定位存儲系統，其特徵在於抱閘系統(07)與獨立的抱閘電源(35)相連，並藉助可編程控制器(71)通過數字量接口(73)控制。
5.根據權利要求1所述的核廢料的高精度定位存儲系統，其特徵在於安裝在廢料桶進出口(03)處的接近傳感器(77)通過通訊電纜和數字量接口(73)向可編程控制器(71)發出信號並觸發可編程控制器(71)自動運行廢料桶堆放程序。
全文摘要
一種核廢料的高精度定位存取系統，是對現有核廢料存放系統的改造，在保留原有廠房、設備的前提下，為所用的雙速電機加裝變頻系統，使之速度在0～50Hz之間連續可調。外加抱閘電源單獨進行抱閘釋放，並由PLC的數字量接口控制。藉助兩臺雷射測距儀和一臺旋轉編碼器，監測吊具位置。由於採用工控機和PLC，整個裝卸、搬運過程可在「程控」狀態下進行，且可隨時通過監控系統對廢料桶倉庫內部進行現場監視並錄像。改造後的系統避免或減少了吊車操作人員、起重人員受到的核輻射威脅；由於吊車具有調速功能，啟動、運行、制動平穩，減小了廢料桶晃動幅度；吊車定位精度(不包括吊具的擺動)提高到1mm；減小了單個廢料桶的存放空間，提高了倉庫的利用率。
文檔編號G05B19/05GK1838010SQ20061000987
公開日2006年9月27日 申請日期2006年3月30日 優先權日2006年3月30日
發明者齊雪峰, 韓偉實, 譚春青, 楊志達, 劉玉偉 申請人:哈爾濱工程大學