CN109448870A - 一种反应堆堆内燃料组件定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反应堆堆内燃料组件的定位系统和方法，该方法包括：S1、获取大转盘、换料机和抓取装置的当前位置以及大转盘和换料机摆臂的旋转半径；S2、根据大转盘旋转半径和换料机摆臂的旋转半径计算获得第一转动角度和第二转动角度，并根据第一转动角度和第二转动角度计算获得第三转动角度；S3、控制大转盘驱动电机驱动大转盘从当前位置转动所述第一转动角度，以及控制换料机旋转驱动电机驱动所述换料机从当前位置转动所述第二转动角度，还控制抓取装置驱动电机驱动抓取装置从当前位置沿与所述换料机转动方向的反方向转动第三转动角度，实现对燃料组件的定位。本发明能够实现对燃料组件的精准定位。

Description

一种反应堆堆内燃料组件定位系统和方法

技术领域

本发明涉及属于加速器驱动次临界核反应堆(简称ADS反应堆)的换料技术领域，尤其涉及一种反应堆堆内燃料组件定位系统和方法。

背景技术

针对铅铋合金的液态环境下，为保持铅铋合金的液态状态，对于换料过程需要进行严格的密封换料。现有的换料系统多采用双旋塞换料系统，双旋塞换料系统包括大旋塞、小旋塞以及换料机三套驱动系统，设备占用空间大。此外，在现有的定位系统中，采用主控可编程逻辑控制器(PLC)和若干台单机PLC共8台可编程控制器，以及主从工控机控制，网络架构过于复杂，不够简化。再者，上述系统不能实现组件旋转抓取角度的自动计算调节。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种反应堆堆内燃料的定位系统和定位方法，该定位系统和定位方法能够实现燃料组件的精准定位。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种反应堆堆内燃料定位系统，该系统包括：旋塞及驱动机构、换料机和可编程逻辑控制器，其中；

所述旋塞及驱动机构设置于反应堆堆顶盖上，包括大转盘、大转盘驱动电机、大转盘编码器，所述大转盘编码器用于测量所述大转盘的当前位置，并将所述当前位置值输入给所述可编程逻辑控制器；

所述换料机偏心固定安装在所述大转盘上，换料机包括换料机主轴、安装于主轴上的抓取装置、换料机旋转驱动电机、抓取装置驱动电机、换料机编码器和抓取装置编码器，所述换料机编码器用于测量所述换料机的当前位置并发送给所述可编程逻辑控制器，所述抓取装置编码器用于测量所述抓取装置的当前位置并将所述抓取装置的当前位置发送给所述可编程逻辑控制器；

所述可编程逻辑控制器用于根据所述大转盘和换料机摆臂的旋转半径计算获得第一转动角度和第二转动角度，以及根据第一转动角度和第二转动角度计算获得第三转动角度，还用于控制所述大转盘驱动电机驱动所述大转盘从当前位置转动所述第一转动角度；以及控制所述换料机旋转驱动电机驱动所述换料机从当前位置转动所述第二转动角度，还用于控制所述抓取装置电机驱动所述抓取装置从当前位置沿所述换料机转动方向的反方向转动所述第三转动角度，实现对所述燃料组件的定位。

其中，每个所述燃料组件为正六边形，所有燃料组件对应的边相互平行，所述第三转动角度等于所述第一转动角度与所述第二转动角度之和，所述第三转动角度等于所述第一转动角度与所述第二转动角度之和。

其中，所述旋塞及驱动机构还包括大转盘限位器，所述大转盘限位器用于限制所述大转盘的转动范围。

其中，所述换料机上还安装有高度编码器，所述高度编码器用于测量换料机当前高度值，

所述换料机还包括升降电机，所述升降电机用于根据所述换料机当前的高度值驱动所述抓取装置运动靠近所述燃料组件或者远离所述燃料组件。

其中，所述换料机还包括换料机旋转位置限制器，所述换料机旋转位置限制器用于限制所述换料机的转动范围。

本发明还提供一种前述的定位系统的定位方法，包括如下步骤：

S1、获取所述大转盘、换料机和抓取装置的当前位置以及所述大转盘和换料机摆臂的旋转半径；

S2、根据所述大转盘旋转半径和换料机摆臂旋转半径计算获得第一转动角度和第二转动角度，并根据所述第一转动角度和所述第二转动角度计算获得第三转动角度；

S3、控制所述大转盘驱动电机驱动所述大转盘从当前位置转动所述第一转动角度，以及控制所述换料机旋转驱动电机驱动所述换料机从当前位置转动所述第二转动角度，还控制所述抓取装置驱动电机驱动所述抓取装置从当前位置沿与所述换料机转动方向的反方向转动所述第三转动角度，实现对燃料组件的定位。

其中，每个所述燃料组件为正六边形，所有燃料组件对应的边相互平行，所述第三转动角度等于所述第一转动角度与所述第二转动角度之和，所述第三转动角度等于所述第一转动角度与所述第二转动角度之和。

其中，在所述步骤S3之后还包括：

获取所述抓取装置的当前高度值；

根据所述抓取装置的当前高度值与所述待定位燃料组件的位置，控制抓取装置升降电机驱动所述抓取装置下降至所述燃料组件位置处，抓取所述燃料组件。

本发明实施例的有益效果在于：通过计算大转盘转动的角度以及换料机的转动角度使得换料机抓手处于燃料组件的正上方，然后抓取装置逆向转动一角度抵消大转盘和换料机转动的角度影响，本发明取消了小旋塞，降低了设备的径向尺寸，减少了反应堆体积，在保证反应堆安全性的基础上增加了反应堆的经济性。其次，本发明的自动定位算法解决了反应堆内换料不开盖情况下燃料组件自动精准定位的问题。再者，本发明通过利用单个PLC将各个子设备串入一个系统，实现各个子设备编码器、电机等外部设备的远程操作控制，极大地简化了设备控制架构，为操作提供便捷。最后，通过在上位机上进行组件选取，上位机与PLC通过以太网实时通讯，自动完成换料机操作与状态显示，无需人为干预，极大地简化了设备操作流程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种反应堆堆内燃料组件自动定位系统的堆内组件的一视角的结构示意图。

图2是本发明的一种反应堆堆内燃料组件自动定位系统的堆内组件的另一视角的结构示意图。

图3是本发明的一种反应堆堆内燃料组件自动定位系统的结构示意图。

图4是本发明的一种反应堆堆内燃料组件自动定位方法的流程示意图。

图5是本发明的反应堆堆内燃料组件的结构示意图。

图6是本发明的反应堆堆内第三象限任意组件的定位方法示意图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。

以下参照图1-3进行说明，本发明实施例一提供一种反应堆堆内燃料组件定位系统，包括旋塞及驱动机构、换料机5和可编程逻辑控制器6，其中；

所述旋塞及驱动机构设置于反应堆堆顶盖15上，包括大转盘4、大转盘驱动电机3、大转盘编码器13，所述大转盘编码器13用于测量所述大转盘4的当前位置，并将所述当前位置值输入给所述可编程逻辑控制器6；

所述换料机5偏心固定安装在所述大转盘上4，换料机包括换料机主轴、抓取装置8、换料机旋转驱动电机14、抓取装置驱动电机16、换料机编码器17和抓取装置编码器7，所述换料机编码器17用于测量所述换料机5的当前位置并发送给所述可编程逻辑控制器6，所述抓取装置编码器7用于测量所述抓取装置8的当前位置并将所述抓取装置8当前的位置发送给所述可编程逻辑控制器6；

所述可编程逻辑控制器6用于根据所述大转盘的旋转半径和换料机摆臂的旋转半径计算获得第一转动角度和第二转动角度，以及根据第一转动角度和第二转动角度计算获得第三转动角度，还用于控制所述大转盘驱动电机3驱动所述大转盘4从当前位置转动所述第一转动角度；以及控制所述换料机旋转驱动电机14驱动所述换料机5从当前位置转动所述第二转动角度，还用于控制所述抓取装置电机16驱动所述抓取装置8从当前位置沿所述换料机5转动方向的反方向转动所述第三转动角度，实现对所述燃料组件的定位。

其中，每个所述燃料组件为正六边形，所有燃料组件对应的边相互平行，所述第三转动角度等于所述第一转动角度与所述第二转动角度之和，所述第三转动角度等于所述第一转动角度与所述第二转动角度之和。

具体地，燃料组件10设置于反应堆主容器1内的栅格板2上。每一个燃料组件10顶部呈正六边形，所有的燃料组件形成正六边形形状。

具体地，大转盘4的外围设置有大转盘驱动齿轮12，大转盘驱动电机3驱动大转盘齿轮转动时，由于换料机5偏心安装于所述大转盘4上，因而换料机5跟随大转盘4转动相同的角度。

具体地，大转盘4的外围设置有大转盘位置限制器11，用于限制大转盘4的转动范围。

具体地，抓取装置8为换料机抓手，抓取装置8设置于换料机主轴上，换料机5的外围设置有换料机齿轮，当换料机5需要自转时，换料机旋转驱动电机14驱动换料机齿轮转动，从而实现换料机5的转动，此时大转盘4不转动。

具体地，换料机5还安装有换料机高度编码器9，更具体地，该换料机编码器9为拉绳器，所述拉绳器用于测量换料机当前高度值。

具体地，换料机还包括升降电机，所述升降电机用于根据所述换料机当前的高度值驱动所述抓取装置向下运动靠近所述燃料组件或者远离所述燃料组件。

具体地，换料机5还包括换料机旋转位置限制器18，换料机旋转位置限制器18用于限制所述换料机5的转动范围。

具体地，该定位系统还包括交换机19和远程上位机20，其中，PLC通过以太网与交换机19进行通信连接，交换机19通过以太网与远程上位机20连接，其中大转盘编码器13、换料机编码器17、换料机高度编码器9、抓取装置编码器7、大转盘驱动电机驱动装置21、换料机旋转驱动电机驱动装置22等通过现场总线与PLC连接。

基于本发明实施例一，本发明实施例二提供一种前述的定位系统的定位方法，如图4所示，该方法包括如下步骤：

S1、获取所述大转盘、换料机和抓取装置的当前位置以及所述大转盘和换料机摆臂的旋转半径；

S2、根据大转盘旋转半径和换料机摆臂的旋转半径计算获得第一转动角度和第二转动角度，并根据所述第一转动角度和所述第二转动角度计算获得第三转动角度；

S3、控制所述大转盘驱动电机驱动所述大转盘从当前位置转动所述第一转动角度，以及控制所述换料机旋转驱动电机驱动所述换料机从当前位置转动所述第二转动角度，还控制所述抓取装置驱动电机驱动所述抓取装置从当前位置沿与所述换料机转动方向的反方向转动所述第三转动角度，实现对燃料组件的定位。

其中，每个所述燃料组件为正六边形，所有燃料组件对应的边相互平行，所述第三转动角度等于所述第一转动角度与所述第二转动角度之和，所述第三转动角度等于所述第一转动角度与所述第二转动角度之和。

其中，在所述步骤S3之后还包括：

获取所述抓取装置的当前高度值；

根据所述抓取装置的当前高度值与所述待定位燃料组件的位置，控制抓取装置升降电机驱动所述抓取装置下降至所述燃料组件位置处，抓取所述燃料组件。

以下结合图5-图6进行说明。

如图5所示为燃料组件的示意图，从图中可知，每一个燃料组件为正六边形，所有的燃料组件相对应的边相互平行。所有的燃料组件形成正六边形，对燃料组件进行位置获取时，以所有燃料组件形成的正六边形的中心位置为原点，从而形成坐标系。

如图6所示，假设待定位燃料组件以第三象限组件任意组件A为例，参考点以Y28为例，假设抓取方位为与Y28的边M边平行的方向，组件A的坐标为(-X，-Y)，组件采取左端定位，大转盘旋转半径为r₁，换料机摆臂的旋转半径为r₂，组件A中心距原点距离为d，首先大转盘旋转θ₁至组件抓取角度，换料机旋转θ₂将抓头的中心定位到组件正上方，换料机调整抓头角度，这样就通过将大转盘、换料机旋转，将抓头旋转至组件正上方，显然，结合三角函数可以得到下式：

X²+Y²＝d²

r₁ ²+r₂ ²-d²＝2r₁r₂cosθ₂

r₁ ²+d²-r₂ ²＝2r₁dcosθ₃

tan(θ₁+θ₃)＝Y/X

结合以上公式，可以求出大转盘转动的角度θ₁，换料机自身转动的角度θ₂。由于堆芯组件正六边形的特殊性，组件对应的边平行，即在确定起始组件Y28的抓头角度后，后面只需要计算出大转盘、换料机角度，抵消大转盘和换料机对抓头角度的影响，即能得出换料机内部调整抓头时所需旋转的角度，在第三象限时，抓头旋转角度为θ₁+θ₂。利用同样的原理，可以推知在每个象限里面，大转盘、换料机和抓头需旋转的角度，从而在组件定位时按照计算的角度进行旋转，以实现组件精准定位的目的。

需要说明的是，在使用该定位系统时，首次使用，需要将该定位系统的大转盘、换料机以及抓取装置旋转至参考点位置。

本发明的定位系统和定位方法，通过计算大转盘转动的角度以及换料机的转动角度使得换料机抓手处于燃料组件的正上方，然后抓取装置逆向转动一角度抵消大转盘和换料机转动的角度影响，本发明取消了小旋塞，降低了设备的径向尺寸，减少了反应堆体积，在保证反应堆安全性的基础上增加了反应堆的经济性。其次，本发明的自动定位算法解决了反应堆内换料不开盖情况下燃料组件自动精准定位的问题。再者，本发明通过利用单个PLC将各个子设备串入一个系统，实现各个子设备编码器、电机等外部设备的远程操作控制，极大地简化了设备控制架构，为操作提供便捷。最后，通过在上位机上进行组件选取，上位机与PLC通过以太网实时通讯，自动完成换料机操作与状态显示，无需人为干预，极大地简化了设备操作流程。

以上所揭示的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种反应堆堆内燃料组件定位系统，其特征在于，包括旋塞及驱动机构、换料机和可编程逻辑控制器，其中；

所述旋塞及驱动机构设置于反应堆堆顶盖上，包括大转盘、大转盘驱动电机、大转盘编码器，所述大转盘编码器用于测量所述大转盘的当前位置，并将所述当前位置值输入给所述可编程逻辑控制器；

所述换料机偏心固定安装在所述大转盘上，换料机包括旋转摆臂、安装于摆臂上的抓取装置、换料机旋转驱动电机、抓取装置驱动电机、换料机编码器和抓取装置编码器，所述换料机编码器用于测量所述换料机的当前位置并发送给所述可编程逻辑控制器，所述抓取装置编码器用于测量所述抓取装置的当前位置并将所述抓取装置的当前位置发送给所述可编程逻辑控制器；

所述可编程逻辑控制器用于根据所述大转盘的旋转半径和换料机摆臂的旋转半径计算获得第一转动角度和第二转动角度，以及根据第一转动角度和第二转动角度计算获得第三转动角度，还用于控制所述大转盘驱动电机驱动所述大转盘从当前位置转动所述第一转动角度；以及控制所述换料机旋转驱动电机驱动所述换料机从当前位置转动所述第二转动角度，还用于控制所述抓取装置电机驱动所述抓取装置从当前位置沿所述换料机转动方向的反方向转动所述第三转动角度，实现对所述燃料组件的定位。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

每个所述燃料组件为正六边形，所有燃料组件对应的边相互平行，所述第三转动角度等于所述第一转动角度与所述第二转动角度之和，所述第三转动角度等于所述第一转动角度与所述第二转动角度之和。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：

所述旋塞及驱动机构还包括大转盘限位器，所述大转盘限位器用于限制所述大转盘的转动范围。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：

所述换料机上还安装有高度编码器，所述高度编码器用于测量换料机当前高度值，

所述换料机还包括升降电机，所述升降电机用于根据所述换料机当前的高度值驱动所述抓取装置运动靠近所述燃料组件或者远离所述燃料组件。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：

所述换料机还包括换料机旋转位置限制器，所述换料机旋转位置限制器用于限制所述换料机的转动范围。

6.一种用于如权利要求1所述的定位系统的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取所述大转盘、换料机和抓取装置的当前位置以及所述大转盘和换料机摆臂的旋转半径；

S2、根据所述大转盘旋转半径和换料机摆臂的旋转半径计算获得第一转动角度和第二转动角度，并根据所述第一转动角度和所述第二转动角度计算获得第三转动角度；

S3、控制所述大转盘驱动电机驱动所述大转盘从当前位置转动所述第一转动角度，以及控制所述换料机旋转驱动电机驱动所述换料机从当前位置转动所述第二转动角度，还控制所述抓取装置驱动电机驱动所述抓取装置从当前位置沿与所述换料机转动方向的反方向转动所述第三转动角度，实现对燃料组件的定位。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

每个所述燃料组件为正六边形，所有燃料组件对应的边相互平行，所述第三转动角度等于所述第一转动角度与所述第二转动角度之和，所述第三转动角度等于所述第一转动角度与所述第二转动角度之和。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3之后还包括：

获取所述抓取装置的当前高度值；

根据所述抓取装置的当前高度值与所述待定位燃料组件的位置，控制抓取装置升降电机驱动所述抓取装置下降至所述燃料组件位置处，抓取所述燃料组件。