CN100392540C - 核废料的高精度定位存取系统 - Google Patents

Abstract

一种核废料的高精度定位存取系统，是对现有核废料存放系统的改造，在保留原有厂房、设备的前提下，为所用的双速电机加装变频系统，使之速度在0～50HZ之间连续可调。外加抱闸电源单独进行抱闸释放，并由PLC的数字量接口控制。借助两台激光测距仪和一台旋转编码器，监测吊具位置。由于采用工控机和PLC，整个装卸、搬运过程可在“程控”状态下进行，且可随时通过监控系统对废料桶仓库内部进行现场监视并录像。改造后的系统避免或减少了吊车操作人员、起重人员受到的核辐射威胁；由于吊车具有调速功能，启动、运行、制动平稳，减小了废料桶晃动幅度；吊车定位精度(不包括吊具的摆动)提高到1mm；减小了单个废料桶的存放空间，提高了仓库的利用率。

Description

核废料的高精度定位存取系统

技术领域

一种核废料的高精度定位存取系统用于核电站废料桶仓库。属核工程领域。

背景技术

所有的核电站都存在核废料的处理问题。我国现有某核电站采用的是前苏联的技术(参见ELECTRIC BRIDGE CRANE with LIFTING CAPACITY 6.3t2SMB03AE001 TO TECHNICAL DESCRIPTION)。即建立一个面积约70×18m，高度约20m的废料桶仓库，废料桶的进出口设在仓库纵向侧的高架平台上(或进、出共用一口，或一侧的作为进口，另一侧的作为出口)，以便往返运输的车辆停泊在进出口的下方。直径约为1.5m的废料桶以三角形阵列的形式在库内堆放4～6层。废料桶的搬运由库内安装的6.3吨电动双桥式吊车完成。

原有的设计方案使得整个搬运过程自动化程度很低，吊车驾驶员、与搬运有关的人员离不开库内现场，承受着核辐射的威胁；由于原设计中，吊车纵、横向行走和吊钩升降均采用双速电机，制动方式为与电机配套的电磁铁，制动释放电压采用电机线间电压，致使吊车大、小车和吊具运行时即便采用慢速(快速20m/min，慢速5m/min，吊钩升降快速为10m/min，慢速2m/min)也显得过快，启动、运行、制动不平稳，吊钩和废料桶晃动幅度较大，吊车定位精度不高，单个废料桶占据的空间较大，降低了仓库的利用率。

发明内容

一种核废料的高精度定位存取系统是对现有核废料存放系统的改造，在保留原有厂房、设备(如吊车、电机、制动抱闸等)的前提下，在“局部”采用高新技术(如变频调速、激光测距、计算机控制、摄录监控装置等)，使得整个搬运过程可在“程控”状态下进行，从而避免或减少了吊车操作人员、起重人员受到的核辐射威胁；吊车具有调速功能，启动、运行、制动平稳，减小吊钩和废料桶晃动幅度；提高了吊车定位精度，减小了单个废料桶的存放空间，提高了仓库的利用率。

改造方案中要求在废料桶仓库外增加一个控制室，在控制室内安装一个控制台和一个控制柜，并通过电闸箱与废料桶仓库电器连接。控制台内安装一台工控机和一台数字硬盘录像机并上置工控机显示器和数字硬盘录像机显示器。可编程控制器(PLC、下同)通过RS232接口与工控机传递数据。可编程控制器和变频器安装在控制柜内。为了精确检测和控制吊车和吊具的位置，在仓库纵向(X方向)的墙壁上安装一台激光测距仪，监测大车位置；在大车纵向轴线方向(Y方向)上安装一台激光测距仪，监测小车位置；在小车升降电机上安装一台旋转编码器，监测吊具在铅垂方向(Z方向)位置。激光测距仪和旋转编码器通过通讯电缆将监测到的数据实时发送到可编程控制器数字通讯接口中，经可编程控制器计算确定大车、小车、吊具的位置，达到定位的目的。可编程控制器用RS485通讯接口与三台变频器连接，分别供大车、小车、吊具调速用。利用激光测距仪和旋转编码器的高精度(分辨率可达到0.1mm)定位功能，以及变频器可充分降低电机转速的特性，将吊车运行精度(不包括吊具的摆动)提高到1mm。运输车道摄像机安装在废料桶进出口上方的天棚上，全方位摄像机安装在仓库中部的天棚上，小车摄像机安装在小车上。

为了使整个吊车在X、Y、Z三个方向上满足启动及时，行走速度可调、平稳，制动准确的要求，首先给大车、小车和吊具所用的三台电机分别加装变频系统，从而既确保了大车电机、小车电机、吊具电机均可在50HZ到OHZ间的任意一个频率上运转。其次，不再用电机线间供电解除电机抱闸系统，而是外加抱闸电源单独进行抱闸释放，并由可编程控制器的数字输出端口控制。其中的变频器选用西门子MM440变频器，其突出特点是恒转矩。三台变频器通过一个RS485口与可编程控制器通讯。

控制程序是基于对核电站废料桶仓库的全面测量，将吊车在仓库内可能遇到的运行情况输入到可编程控制器当中，可编程控制器可自行判断吊车待运行的方向与距离，并分别控制沿X方向运行的大车、沿Y方向运行的小车以及沿Z方向运行的吊具，自动完成吊车运行的所需全过程。

在废料桶仓库的入口处安装接近传感器，当有废料桶进入时触发接近传感器，并通过通讯电缆向可编程控制器数字量通讯接口发出废料桶进入仓库信号，进而触发可编程控制器自动运行废料桶堆放程序。接到废料桶进入仓库信号后的可编程控制器先对吊车进行监测，监测信号来自安装在吊车电机上的温度传感器、安装在轨道和车上的限位开关等器件并通过通讯电缆传给可编程控制器的模拟量接口和数字量接口。可编程控制器通过内在软件对监测信号进行判断，确定吊车状态是否符合运行要求。在吊车运行同时，可编程控制器通过电压、电流等传感器检测吊车运行状态，并借助用内在软件对检测数据进行判断，以确保吊车正常运行。若判断吊车不能正常运行，则通过可编程控制器的数字输出端口启动控制台上相应的指示灯和蜂鸣器，同时在工控机上弹出相应报警对话框并发出相应报警音乐，提醒操作、监控人员注意。在工控机当中设立数据存储系统，将可编程控制器传输的相关数据实时存入到数据库当中。

与此同时，工控机借助软件将定位数据与核电站废料桶仓库模拟图形系统(如摄像机、录像机、显示器等)相对应，向操作、监控人员反映吊车在核电站废料桶仓库实际位置。操作、监控人员可随时通过监控系统对废料桶仓库内部进行现场监视并录像，用作历史参考数据。根据要完成的任务及实现的功能，对视频监控系统的具体要求如下：

(1)全方位一体化摄像机能够监视废料库中所需要的任意一个废料桶(罐)的位置；

(2)小车上的一体化摄像机能够清晰地监视吊钩的动作状态；

(3)若小车摄像机出现故障时，全方位一体化摄像机能在吊车提升与行走时监视吊装机械手的动作状态；

(4)当小车摄像机或运输车道上的彩色摄像机有一个出现故障时，另外一个能够监视运输车到位以及落罐情况；

(5)高架平台进出口上方的彩色摄像机能够观察到车位以及落罐情况；

(6)摄像机故障时能够方便快捷地拆卸与更换；

(7)系统电缆故障时能够方便快捷地更换；

(8)数字硬盘录像机具有录像存储和录像回放功能；

(9)解码器能正常地控制一体化摄像机，具有变倍和云台的转动功能；

(10)其余设备损坏时也能很快地更换。

附图说明

图1核废料的高精度定位存取系统的新增设备布置图

图2核废料的高精度定位存取系统控制室平面图

图3核废料的高精度定位存取系统控制台立面图

图4核废料的高精度定位存取系统的控制框图

图5核废料的高精度定位存取系统的监控系统框图

图6核废料的高精度定位存取系统的电机和抱闸系统改造图

具体实施方式

下面给出本发明的优选实施方式，并结合附图加以说明。

如图1所示，在废料桶仓库01外增加一个控制室06；在仓库01纵向(X方向)的墙壁上安装一台激光测距仪1，以便监测大车04的位置；在大车04的纵向轴线方向(Y方向)上安装一台激光测距仪2，以便监测小车05的位置；在小车升降电机上安装一台旋转编码器3，以便监测吊具在铅垂方向(Z方向)位置。汽车道摄像机6安装在废料桶进出口03上方的天棚上，全方位摄像机5安装在仓库01中部的天棚上，小车摄像机4安装在小车05上。

如图2所示，在控制室06内安装一个控制台11和一个控制柜12，并通过电闸箱13与废料桶仓库01内的电器设备连接。

如图3所示，控制台11内安装一台工控机7和一台数字硬盘录像机8并上置工控机显示器9和数字硬盘录像机显示器10。

如图4所示，可编程控制器(PLC，下同)71通过RS232接口与工控机7传递数据。可编程控制器71和变频器74安装在控制柜12内。激光测距仪1、2和旋转编码器3通过通讯电缆和通讯模块75将监测到的数据实时发送给可编程控制器71，以便计算确定大车04、小车05、吊具的位置，达到定位的目的。可编程控制器71用RS485通讯接口与三台变频器74连接，分别供大车电机061、小车电机062、吊具电机063调速用。可编程控制器71还通过与模拟量接口72和数字量接口73相连的接近传感器77、测重传感器76以及测温传感器、限位开关等监视废料桶的进出和设备运行情况。

激光测距仪选用德国乐可LMC-j-0040型激光测距仪，其测量距离为0.2---30m，用反光板可达100m，测量精度±2mm，分辨率0.1mm，测量速率5Hz，接口采用RS422。旋转编码器选用德国图尔克EL58C系列产品，该产品的分辨率为每圈1024，通过计数模块FM350-1与可编程控制器相连。利用激光测距仪和旋转编码器的高精度(分辨率可达到0.1MM)定位功能，以及变频器可充分降低电机转速的特性，已将吊车运行精度(不包括吊具的摆动)提高到1mm。

如图6所示，为了使整个吊车在X、Y、Z三个方向上满足启动及时，行走速度可调、平稳，制动准确的要求，大车04、小车05和吊具所用的三台双轴伸电机06(在图4中细化为大车电机061、小车电机062、吊具电机063)的一端与各自的抱闸系统的制动轮07固连，另一端与各自的行走轮(或卷筒)08固连；并采用由电源31、磁力接触器32、交流电抗器33、变频器74组成的供电系统，而三台变频器74通过一个RS485口与可编程控制器71通讯(参见图4)；从而确保三台双轴伸电机06均可在50HZ到OHZ间的任意一个频率上运转。其次，不再用电机06的线间供电解除抱闸系统，而是外加抱闸电源35单独进行抱闸释放，并由可编程控制器71的数字输出端口控制。其中的变频器74选用西门子MM440变频器，其突出特点是恒转矩。

控制程序是基于对核电站废料桶仓库的全面测量，将吊车在仓库内可能遇到的运行情况输入到可编程控制器71中，它可自行判断吊车待运行的方向与距离，并分别控制沿X方向运行的大车04、沿Y方向运行的小车05以及沿Z方向运行的吊具，自动完成吊车运行的所需全过程。

当废料桶进出口03有废料桶进入时，安装在此处的接近传感器77将被触发，并通过通讯电缆向可编程控制器71的数字量接口73发出废料桶进入仓库信号，进而触发可编程控制器71自动运行废料桶堆放程序。接到废料桶进入仓库信号后的可编程控制器71先对吊车进行监测，监测信号来自安装在吊车电机上的温度传感器、安装在轨道和车上的限位开关等器件并通过通讯电缆传给可编程控制器71的模拟量接口72和数字量接口73。可编程控制器71通过内在软件对监测信号进行判断，确定吊车状态是否符合运行要求。在吊车运行同时，可编程控制器71通过电压、电流等传感器检测吊车运行状态，并借助用内在软件对检测数据进行判断，以确保吊车正常运行。若判断吊车不能正常运行，则通过可编程控制器71的数字量接口73启动控制台上相应的指示灯和蜂鸣器，同时在工控机7上弹出相应报警对话框并发出相应报警音乐，提醒操作、监控人员注意。在工控机7中设立数据存储系统，将可编程控制器71传输的相关数据实时存入到数据库当中。

控制系统所用的上位机可选用西门子IL-40工控机7，其CPU为奔四2.4G，内存256M，硬盘80G，显存32M，集成的网卡、声卡。可编程控制器71通过MPI网络与其连接，将采集到的数据传输给工控机7，工控机7通过用WINCC软件编制的人机界面程序完成数据管理、设备监测、报表打印、数据查询等功能。

所用的下位机选用西门子可编程控制器300系列之CPU314C-2ptp，其上集成了DI口24个，DO口16个，AI口5个，AO口2个，MPI一个，ptp一个。通过PIN导轨，还连接了模拟量输入模块SM331一个，通讯模块CP340两个，计数模块FM350-1一个，数字量输出模块SM322一个。下位机的程序存储在MMC存储卡中，完成各部件顺序起停、与传感器通讯等功能。

与此同时，工控机7借助软件将定位数据与废料桶仓库模拟图形系统(如摄像机、录像机、显示器等)相对应，向操作、监控人员反映吊车在核电站废料桶仓库实际位置。

如图5所示，视频监控系统的小车摄像机4、全方位一体化摄像机5、汽车道摄像机6、解码器42、52分别由UPS电源21、直流电源41、51供电；数字硬盘录像机8的型号为KONY TM621616，支持1-4路视频全实时监看、录像，用键盘鼠标操作；三台摄像机4、5、6通过视频输入插头81将图像信号传给数字硬盘录像机8并显示，并经接口转换器82分别与解码器42、52连接。解码器42、52型号KONY M800CIA-T，通过对硬盘录像机控制命令的解码，可驱动云台、镜头、摄像机。两台一体化摄像机的型号ST-CC9220，其中一台称为全方位一体化摄像机5，与室内全球型云台置于一起，吊顶安装，可近360度旋转，用来监视废料库中吊车运行情况和废料桶的排放情况，使操作员对废料库中的情况有一个直观、全面的了解；另一台称为小车摄像机4，放置于吊车小车上，固定安装，不能转动，但镜头可以变倍，用来观测吊装机械手的工作状态；一台汽车道摄像机6，型号ST-CC6040，驱动电压AC220V，置于废料桶进出口03上方，用于监视废料桶进出口03有无运输车辆并监视运输车上的落罐情况。

本发明使整个搬运过程可在“遥控”状态下进行，从而避免或减少了吊车操作人员、起重人员受到的核辐射威胁；吊车具有调速功能，启动、运行、制动平稳，减小吊勾和废料桶晃动幅度；提高了吊车定位精度，减小了单个废料桶的存放空间，提高了仓库的利用率。

Claims (5)

1.一种核废料的高精度定位存储系统，应用于核电站核废料存放系统，其特征在于：它包括定位系统、控制系统和监视系统，采用三台变频调速、双轴伸电机(06)，外加抱闸电源(35)单独进行抱闸释放；其中，定位系统包括二台激光测距仪(1、2)，一台旋转编码器(3)；工控机(7)通过RS232接口与可编程控制器(71)传递数据；可编程控制器(71)通过通讯电缆和通讯模块(75)与激光测距仪(1、2)和旋转编码器(3)相连，通过RS485通讯接口与三台变频器(74)连接，还通过模拟量接口(72)和数字量接口(73)与接近传感器(77)、测重传感器(76)以及测温传感器、限位开关相连；监视系统包括安装在废料桶进出口(03)上方天棚上的汽车道摄像机(6)、安装在仓库(01)中部天棚上的全方位摄像机(5)、安装在小车(05)上的小车摄像机(4)、装于控制台(11)内的数字硬盘录像机(8)、工控机显示器(9)和数字硬盘录像机显示器(10)。

2.根据权利要求1所述的核废料的高精度定位存储系统，其特征在于：在定位系统中，一台激光测距仪安装在仓库(01)纵向的墙壁上，另一台激光测距仪安装在大车(04)的纵向轴线方向上，旋转编码器(3)安装在小车升降电机(063)上。

3.根据权利要求1所述的核废料的高精度定位存储系统，其特征在于：大车(04)、小车(05)和吊具所用的三台双轴伸电机(06)采用由电源(31)、磁力接触器(32)、交流电抗器(33)、变频器(74)组成的供电系统；而三台变频器(74)通过一个RS485口与可编程控制器(71)通讯，变频范围在0HZ到50HZ之间。

4.根据权利要求1所述的核废料的高精度定位存储系统，其特征在于：抱闸系统(07)与独立的抱闸电源(35)相连，并借助可编程控制器(71)通过数字量接口(73)控制。

5.根据权利要求1所述的核废料的高精度定位存储系统，其特征在于：安装在废料桶进出口(03)处的接近传感器(77)通过通讯电缆和数字量接口(73)向可编程控制器(71)发出信号并触发可编程控制器(71)自动运行废料桶堆放程序。

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