CN112259276A - 一种用于切割放射性固体废物的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于切割放射性固体废物的控制系统，用于对屏蔽空间内的放射性固体废物通过远程控制进行自动化切割，该控制系统包括：监控分系统用于对屏蔽空间内各设备的工作状态进行视频监控，并获取视频信号，所述各设备包括切割装置、夹紧装置；总控分系统设置在屏蔽空间外，用于接收视频信号并对视频信号进行分析处理得到操作指令；操作分系统设置在屏蔽空间外，用于通过输入设备获取操作人员的操作指令或总控分系统发送的操作指令；PLC分系统设置在操作分系统和驱动分系统之间，用于根据操作指令确定夹紧信号、进给信号和转速信号；驱动分系统在切割过程中通过夹紧装置将放射性固体废物夹紧，切割装置对放射性固体废物进行挤压切割。

Description

一种用于切割放射性固体废物的控制系统

技术领域

本发明涉及核工业技术领域，尤其涉及一种用于切割放射性固体废物的控制系统。

背景技术

钢材是核工业中最重要的基础材料，尤其是管材的占比很高，但是将管材应用在放射性系统中，对不同辐照剂量下的强度、耐慢速裂纹增长性能等方面有严格要求，更重要的是，核工业中使用后的管材避免辐射性扩散也需要对核废料进行适当处理，保证安全。

核设施退役所产生的放射性金属废物必须通过切割、整备、进行安全有效的处理、处置等过程。现有技术中对放射性金属废物切割处理，仍采用电机驱动的方式控制厚壁管转动，并在转动过程中通过切割刀进行切割，但是这种切割方式会产生切屑飞溅的现象。

对于核工业这种特殊领域，例如核工业造成的辐射及照射造成伤害等有限作业空间中不能有切屑飞溅，也要保证作业人员辐射安全性，要减少作业人员的参与，目前仍没有不需要作业人员进入有限作业空间内就可以对放射性金属废物进行自动化的切割处理。

该上述缺陷是本领域技术人员期望克服的。

发明内容

（一）要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种用于切割放射性固体废物的控制系统，进而至少在一定程度上克服现有技术中需要全部或部分依赖作业人员进入有限作业空间内就可以对放射性金属废物进行自动化的切割处理的问题。

（二）技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明的一实施例提供一种用于切割放射性固体废物的控制系统，用于对屏蔽空间内的放射性固体废物通过远程控制进行自动化切割，该控制系统包括：驱动分系统、监控分系统、PLC分系统、操作分系统、总控分系统和转运分系统；

监控分系统，用于对屏蔽空间内各设备的工作状态进行视频监控，并获取视频信号，所述各设备包括切割装置、夹紧装置；

总控分系统设置在屏蔽空间外的总控室，用于接收视频信号并对视频信号进行分析处理得到操作指令设备状态并生成操作指令；

操作分系统设置在屏蔽空间外，用于通过输入设备获取操作人员的操作指令或总控分系统发送的操作指令；

PLC分系统设置在操作分系统和驱动分系统之间，用于根据操作指令确定夹紧信号、进给信号和转速信号；

驱动分系统用于根据接收的夹紧信号、进给信号和转速信号来驱动夹紧装置和切割装置分别对放射性固体废物进行相应的动作，切割过程中通过夹紧装置将放射性固体废物夹紧，切割装置对放射性固体废物进行挤压切割；

转运分系统用于将切割后得到的放射性固体废物切割料分类转运至对应的回收窗口。

在本发明一实施例中，还包括：传动分系统；

驱动分系统中包括伺服驱动器和设置在屏蔽空间外的电机，伺服驱动器与电机连接，电机通过传动分系统与设置在屏蔽空间内的夹紧装置和切割装置连接。

在本发明一实施例中，所述传动分系统包括多组穿墙组件，每组穿墙组件具有内端口和外端口，外端口与电机连接，内端口与夹紧装置和切割装置连接，且穿墙组件在进入屏蔽空间后通过三级密封组件进行密封；三级密封组件包括：燃料包壳、一回路压力边界和安全壳。

在本发明一实施例中，所述切割装置包括：

卡盘；

在卡盘上间隔设置的多个刀具；

径向进给装置，用于根据进给信号来控制多个刀具在卡盘上的径向移动，所述径向进给装置由伺服装置驱动控制进给量；

旋转装置，用于根据转速信号来控制卡盘的旋转速度。

在本发明一实施例中，所述总控分系统包括：

刀具寿命检测单元，用于获取电机反馈的扭矩信息判断刀具是否到使用寿命，如果已到使用寿命则向换刀控制单元发送换刀提醒；

换刀控制单元，用于根据换刀提醒产生相应的换刀指令，基于换刀指令分解得到针对换刀组件的操作指令。

在本发明一实施例中，所述视频分系统包括在屏蔽空间内对切割位置、夹紧位置、工件导入位置进行监控的摄像头，所述视频信号为切割位置信号、夹紧位置信号、工件导入位置信号。

在本发明一实施例中，所述总控分系统还包括：

第一启动单元，用于根据夹紧信号和视频信号确定放射性固体废物固定在支撑架的预定位置并夹紧，产生第一启动信号，其中夹紧信号为PLC分系统确定夹紧信号后向总控分系统反馈的信号；

进给控制单元，用于根据第一启动信号控制径向进给装置启动，控制卡盘上间隔设置的多个刀具沿着径向方向向卡盘中心移动；

第二启动单元，用于根据进给信号和视频信号判断刀具的径向进给量达到第一预设要求时，产生第二启动信号，并根据第二启动信号控制旋转装置以预设的旋转速度启动，控制多个刀具以放射性固体废物为中心开始旋转，所述径向进给装置和所述旋转装置同时工作，对放射性固体废物进行挤压切割；

停止控制单元，用于根据进给信号和视频信号判断刀具的径向进给量达到第二预设要求时，产生第一停止信号和第二停止信号，分别控制径向进给装置和旋转装置停止工作。

在本发明一实施例中，所述总控分系统还包括：

位移量计算单元，用于针对放射性固体废物获取的放射性检测结果，并根据放射性检测结果确定放射性固体废物的切割位置和位移量，转化为相应的操作指令发送给操作分系统。

在本发明一实施例中，所述各设备还包括：

传动装置，用于根据操作指令中的切割位置控制切割过程中放射性固体废物的位移量。

在本发明一实施例中，所述总控分系统还包括：

分类回收单元，用于根据放射性检测结果确定放射性等级为低、中或高，基于停止控制单元的第一停止信号和第二停止信号结合放射性等级确定分类信息，按照分类信息产生放射性固体废物切割料对应的转运指令，将转运指令发送给转运分系统。

（三）有益效果

本发明的有益效果是：本发明实施例提供的一种用于切割放射性固体废物的控制系统，一方面，在切割放射性固体废物过程中基于监控分系统获取视频信号，在总控分系统中根据获取的视频信号进行分析而产生操作指令来对屏蔽空间内的各设备进行远程控制，避免切割过程中作业人员对放射性固废的接触，提高作业安全性；另一方面，切割过程中待切割的放射性固体废物夹紧不动，由切割装置同时进给和旋转进行切割，提高切割效率。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种用于切割放射性固体废物的控制系统的组成示意图；

图2为本发明一实施例中提供的控制系统的架构图；

图3为本发明一实施例中总控分系统的组成示意图；

图4为本发明一实施例中切割过程的示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1为本发明一实施例提供的一种用于切割放射性固体废物的控制系统的组成示意图，如图1所示，该控制系统100用于对屏蔽空间内的放射性固体废物通过远程控制进行自动化切割，具体包括：驱动分系统110、监控分系统120、PLC分系统130、操作分系统140、总控分系统150和转运分系统160。

其中监控分系统120用于对屏蔽空间内各设备的工作状态进行视频监控，并获取视频信号，所述各设备包括切割装置、夹紧装置；总控分系统150设置在屏蔽空间外的总控室，用于接收视频信号并对视频信号进行分析处理得到设备状态并生成操作指令；操作分系统140设置在屏蔽空间外，用于通过输入设备获取操作人员的操作指令或总控分系统发送的操作指令；PLC分系统130设置在操作分系统和驱动分系统之间，用于根据操作指令确定夹紧信号、进给信号和转速信号；驱动分系统110用于根据接收的夹紧信号、进给信号和转速信号来驱动夹紧装置和切割装置分别对放射性固体废物进行相应的动作，切割过程中通过夹紧装置将放射性固体废物夹紧，切割装置对放射性固体废物进行挤压切割；转运分系统160用于将切割后得到的放射性固体废物切割料分类转运至对应的回收窗口。

基于上述控制系统，在切割放射性固体废物过程中基于监控分系统获取视频信号，在总控分系统中根据获取的视频信号进行分析而产生操作指令来对屏蔽空间内的各设备进行远程控制，避免切割过程中作业人员对放射性固废的接触，提高作业安全性。

本实施例中对于放射性固体废物以厚壁管为例，厚壁管是一种核工业领域中常用的高强度钢管，对上述控制系统进行具体介绍：

图2为本发明一实施例中提供的控制系统的架构图，如图2所示，由于放射性固体废物的特殊操作环境要求，各个分系统在分布方面，分为在屏蔽空间内和屏蔽空间外的，具体为：驱动分系统的一部分（如夹紧装置、切割装置等）和监控分系统设置在屏蔽空间之内，总控分系统、操作分系统、供电分系统、驱动分系统的另一部分均设置在屏蔽空间之外，这部分还进一步分为在现场的和远程的，例如操作分系统和供电分系统、驱动分系统的一部分属于现场的，而总控分系统为远程设置，可以通过以太网进行通信。

操作分系统包括触摸屏和手持操作设备，通过设置在屏蔽空间之外的现场，可以在现场对屏蔽空间内的设备进行启动、停止等操作，可以获取现场各设备的运行状态。PLC分系统为整个控制系统的主要控制器，向驱动分系统中各设备发送操作指令，通过程序控制各设备的运行。总控分系统可以远程的设置在中控室中，记录各设备的运行状态，对设备的运行等数据进行采集和分析。

在本发明一实施例中，还包括：传动分系统（图中未示出），驱动分系统中包括伺服驱动器和设置在屏蔽空间外的电机，伺服驱动器与电机连接，电机通过传动分系统与设置在屏蔽空间内的夹紧装置和切割装置连接。

在本发明一实施例中，所述传动分系统包括多组穿墙组件，每组穿墙组件具有内端口和外端口，外端口与屏蔽空间外的电机连接，内端口与屏蔽空间内的夹紧装置和切割装置连接，且穿墙组件在进入屏蔽空间后通过三级密封组件进行密封，其中三级密封组件包括：燃料包壳、一回路压力边界和安全壳。

在本发明一实施例中，所述切割装置包括：卡盘、在卡盘上间隔设置的多个刀具、径向进给装置和旋转装置，径向进给装置用于根据进给信号来控制多个刀具在卡盘上的径向移动，所述径向进给装置由伺服装置驱动控制进给量；旋转装置用于根据转速信号来控制卡盘的旋转速度。

在本发明一实施例中，所述总控分系统用于对切割过程的控制参数（如启动、停止、进给量、转速等）进行控制，然后产生操作指令，图3为本发明一实施例中总控分系统的组成示意图，如图3所示，总控分系统150包括：第一启动单元151、进给控制单元152、第二启动单元153和停止控制单元154。

第一启动单元151用于根据夹紧信号和视频信号确定放射性固体废物固定在支撑架的预定位置并夹紧，产生第一启动信号，其中夹紧信号为PLC分系统确定夹紧信号后向总控分系统反馈的信号；进给控制单元152用于根据第一启动信号控制径向进给装置启动，控制卡盘上间隔设置的多个刀具沿着径向方向向卡盘中心移动；第二启动单元153用于根据进给信号和视频信号判断刀具的径向进给量达到第一预设要求时，产生第二启动信号，并根据第二启动信号控制旋转装置以预设的旋转速度启动，控制多个刀具以放射性固体废物为中心开始旋转，所述径向进给装置和所述旋转装置同时工作，对放射性固体废物进行挤压切割；停止控制单元154用于根据进给信号和视频信号判断刀具的径向进给量达到第二预设要求时，产生第一停止信号和第二停止信号，分别控制径向进给装置和旋转装置停止工作。

在本发明一实施例中，所述总控分系统150对切割过程的包括两方面：一方面可以从切割点开始，按照预设进给量进行切割，达到预设进给量后自动完成切割；另一方面可以根据分析电机的扭矩值进行建模分析，判断何时开始切割，何时已经切割完成，需要停止切割。

图4为本发明一实施例中切割过程的示意图，如图4所示，以壁厚为18mm的正六边形挤压切割为例，切割进给量为0.005mm/r，切割线速度为60r/min，根据上述参数确定的切割过程可以是：A1表示第一刀，切割的深度为15mm，A2表示第二刀，切割的深度为12.88mm，A3表示第三刀切割的深度为11.74mm，第四刀切完。挤压切割无切屑，便于清理，切割时刀具损伤较小，而且三把刀切割可以大大缩短切割时间。

在本发明一实施例中，所述总控分系统150中还包括：刀具寿命检测单元155和换刀控制单元156，刀具寿命检测单元155用于获取电机反馈的扭矩信息判断刀具是否到使用寿命，如果已到使用寿命则向换刀控制单元发送换刀提醒；换刀控制单元156用于根据换刀提醒产生相应的换刀指令，基于换刀指令分解得到针对换刀组件的操作指令。

相对应的，切割装置还需要通过卡盘上的换刀组件进行换刀。本发明中通过在切割过程中对刀具寿命进行检测，及时提醒换刀，保证切割质量，避免出现安全事故。另外，为了保证安全切割，在操作分系统中也设置有相应的安全控制单元，用于急停、安全回馈、动作联锁和安全互锁。

在本发明一实施例中，所述视频分系统包括在屏蔽空间内对切割位置、夹紧位置、工件导入位置进行监控的摄像头，所述视频信号为切割位置信号、夹紧位置信号、工件导入位置信号，并将这些视频信号通过网络传输给总控分系统。

在本发明一实施例中，所述总控分系统150还包括：位移量计算单元157，用于针对放射性固体废物获取的放射性检测结果，并根据放射性检测结果确定放射性固体废物的切割位置和位移量，转化为相应的操作指令发送给操作分系统，可以通过总控分系统或操作分系统对切割装置进行控制。

在本发明一实施例中，所述各设备还包括：传动装置，用于根据操作指令中的切割位置控制切割过程中放射性固体废物的位移量。传动装置主要用于切割过程中进料的控制，通过伺服传动控制夹具实现放射性固体废物的自动进给，进料过程中，夹具夹紧并推动放射性固体废物向前移动，直到到达设定的切割长度位置。针对放射性固体废物的每一部分可能会因其核工业使用中条件的不同造成表面存留的辐射量不同，因此通过在切割中根据辐射量差异切割后分段切割，有利于对切割后核废料进行分别处理，便于管理。

需要说明的是，根据放射性检测结果确定切割长度位置或者位移量时需要将每一段的计算长度与预设长度相比较，如果超过预设长度过多则将计算长度进行进一步分段；如果未超过预设长度则直接按照计算长度切割即可，对于过长的进一步分段可以避免切割的长度过长造成切割后放射性固体废物切割料因过长不便转运的问题，方便后续操作。

在本发明一实施例中，所述总控分系统还包括：分类回收单元158，用于根据放射性检测结果确定放射性等级为低、中或高，基于停止控制单元的第一停止信号和第二停止信号结合放射性等级确定分类信息，按照分类信息产生放射性固体废物切割料对应的转运指令，将转运指令发送给转运分系统。转运分系统用于根据转运指令将切割后得到的放射性固体废物切割料分类转运至对应的回收窗口，切割过程中实现对切割料的分类处理，节省后续处理环节上的冗余操作，也能够减少作业人员的参与，提高安全性。

在本发明一实施例中，如图2所示，该系统中还包括：供电分系统，设置在屏蔽空间外，用于为各设备提供电能，如UPS。

综上所述，采用本发明实施例提供的技术方案具有如下效果：

（1）在切割放射性固体废物过程中基于监控分系统获取视频信号，在总控分系统中根据获取的视频信号进行分析而产生操作指令来对屏蔽空间内的各设备进行远程控制，避免切割过程中作业人员对放射性固废的接触，提高作业安全性；

（2）切割过程中待切割的放射性固体废物夹紧不动，由切割装置同时进给和旋转进行切割，提高切割效率；

（3）切割过程中通过对刀具寿命进行检测，并提醒及时换刀，保证切割质量，避免出现安全事故；

（4）切割过程中根据放射性检测结果确定放射性固体废物的位移量向前移动，并进行切割，使得切割后的放射性固体废物可以辐射量的等级直接分类转运和处理，通过在切割中根据辐射量差异切割后分段切割，有利于对切割后核废料进行分别处理，便于管理；

（5）切割分段过程中，对于过长的进一步进行分段，可以避免切割的长度过长造成切割后放射性固体废物切割料因过长不便转运的问题，方便后续操作；

（6）将转运分系统直接与切割步骤对接，根据转运指令将切割后得到的放射性固体废物切割料分类转运至对应的回收窗口，切割过程中实现对切割料的分类处理，节省后续处理环节上的冗余操作，也能够减少作业人员的参与，提高安全性。

描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本发明实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质（可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等）中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备（可以是个人计算机、服务器、触控终端、或者网络设备等）执行根据本发明实施方式的方法。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种用于切割放射性固体废物的控制系统，其特征在于，用于对屏蔽空间内的放射性固体废物通过远程控制进行自动化切割，该控制系统包括：驱动分系统、监控分系统、PLC分系统、操作分系统、总控分系统和转运分系统；

监控分系统，用于对屏蔽空间内各设备的工作状态进行视频监控，并获取视频信号，所述各设备包括切割装置、夹紧装置；

总控分系统设置在屏蔽空间外的总控室，用于接收视频信号并对视频信号进行分析处理得到设备状态并生成操作指令；

操作分系统设置在屏蔽空间外，用于通过输入设备获取操作人员的操作指令或总控分系统发送的操作指令；

PLC分系统设置在操作分系统和驱动分系统之间，用于根据操作指令确定夹紧信号、进给信号和转速信号；

驱动分系统用于根据接收的夹紧信号、进给信号和转速信号来驱动夹紧装置和切割装置分别对放射性固体废物进行相应的动作，切割过程中通过夹紧装置将放射性固体废物夹紧，切割装置对放射性固体废物进行挤压切割；

转运分系统用于将切割后得到的放射性固体废物切割料分类转运至对应的回收窗口。

2.如权利要求1所述的用于切割放射性固体废物的控制系统，其特征在于，还包括：

传动分系统；

驱动分系统中包括伺服驱动器和设置在屏蔽空间外的电机，伺服驱动器与电机连接，电机通过传动分系统与设置在屏蔽空间内的夹紧装置和切割装置连接。

3.如权利要求2所述的用于切割放射性固体废物的控制系统，其特征在于，所述传动分系统包括多组穿墙组件，每组穿墙组件具有内端口和外端口，外端口与电机连接，内端口与夹紧装置和切割装置连接，且穿墙组件在进入屏蔽空间后通过三级密封组件进行密封；

其中所述三级密封组件包括：燃料包壳、一回路压力边界和安全壳。

4.如权利要求1所述的用于切割放射性固体废物的控制系统，其特征在于，所述切割装置包括：

卡盘；

在卡盘上间隔设置的多个刀具；

径向进给装置，用于根据进给信号来控制多个刀具在卡盘上的径向移动，所述径向进给装置由伺服装置驱动控制进给量；

旋转装置，用于根据转速信号来控制卡盘的旋转速度。

5.如权利要求4所述的用于切割放射性固体废物的控制系统，其特征在于，所述总控分系统包括：

刀具寿命检测单元，用于获取电机反馈的扭矩信息判断刀具是否到使用寿命，如果已到使用寿命则向换刀控制单元发送换刀提醒；

换刀控制单元，用于根据换刀提醒产生相应的换刀指令，基于换刀指令分解得到针对换刀组件的操作指令。

6.如权利要求1所述的用于切割放射性固体废物的控制系统，其特征在于，所述视频分系统包括在屏蔽空间内对切割位置、夹紧位置、工件导入位置进行监控的摄像头，所述视频信号为切割位置信号、夹紧位置信号、工件导入位置信号。

7.如权利要求6所述的用于切割放射性固体废物的控制系统，其特征在于，所述总控分系统还包括：

第一启动单元，用于根据夹紧信号和视频信号确定放射性固体废物固定在支撑架的预定位置并夹紧，产生第一启动信号，其中夹紧信号为PLC分系统确定夹紧信号后向总控分系统反馈的信号；

进给控制单元，用于根据第一启动信号控制径向进给装置启动，控制卡盘上间隔设置的多个刀具沿着径向方向向卡盘中心移动；

第二启动单元，用于根据进给信号和视频信号判断刀具的径向进给量达到第一预设要求时，产生第二启动信号，并根据第二启动信号控制旋转装置以预设的旋转速度启动，控制多个刀具以放射性固体废物为中心开始旋转，所述径向进给装置和所述旋转装置同时工作，对放射性固体废物进行挤压切割；

停止控制单元，用于根据进给信号和视频信号判断刀具的径向进给量达到第二预设要求时，产生第一停止信号和第二停止信号，分别控制径向进给装置和旋转装置停止工作。

8.如权利要求7所述的用于切割放射性固体废物的控制系统，其特征在于，所述总控分系统还包括：

位移量计算单元，用于针对放射性固体废物获取的放射性检测结果，并根据放射性检测结果确定放射性固体废物的切割位置和位移量，转化为相应的操作指令发送给操作分系统。

9.如权利要求8所述的用于切割放射性固体废物的控制系统，其特征在于，所述各设备还包括：

传动装置，用于根据操作指令中的切割位置控制切割过程中放射性固体废物的位移量。

10.如权利要求8所述的用于切割放射性固体废物的控制系统，其特征在于，所述总控分系统还包括：

分类回收单元，用于根据放射性检测结果确定放射性等级为低、中或高，基于停止控制单元的第一停止信号和第二停止信号结合放射性等级确定分类信息，按照分类信息产生放射性固体废物切割料对应的转运指令，将转运指令发送给转运分系统。

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