-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum automatischen
Be- und Entladen eines Behälters
mit zumindest einem radioaktiven Abfall enthaltenden Gebinde, insbesondere
ein Fass.
-
Beim
Betrieb einer kerntechnischen Anlage, insbesondere beim Betrieb
eines Kernkraftwerks zur Energieerzeugung, fällt regelmäßig radioaktiver Abfall an,
welcher zu entsorgen ist. Bei einem Kernkraftwerk sind dies neben
abgebrannten Brennelementen auch schwach- oder mittelaktive radioaktive
Abfälle, beispielsweise
kontaminierte Betriebsmittel. Die Abfälle fallen dabei sowohl in
fester als auch in flüssiger Form
an. Flüssige
Abfälle
werden oftmals in einer Zementierungsanlage mit einer Zementmasse
vermischt und in Fässern
abgefüllt,
in der die Masse sich verfestigt. Die Fässer müssen anschließend von
der Zementierungsanlage in eine Lagerstätte für die Fässer gebracht werden. Dies
kann ein Zwischen- oder auch ein Endlager sein.
-
Aufgrund
der radioaktiven Strahlung ist ein ungeschützter Aufenthalt von Bedienpersonal
in der Nähe
der Fässer
nicht erlaubt. Die Handhabung der Fässer erfolgt daher ferngesteuert.
Die Fässer
werden hierbei beispielsweise in einem eigens dafür vorgesehenen
Behälter
mit Hilfe eines Krans eingeladen. Der Behälter wird anschließend von
der Zementierungsanlage in die Lagerstätte verfahren, wo die Fässer zusammen
mit dem als Lagerbehälter
oder Lagercontainer ausgebildeten Behälter abgestellt werden. Um
eine möglichst
große
Menge radioaktiven Abfalls in der Lagerstätte lagern zu können, wird ein
möglichst
kleines Volumen des Lagerbehälters angestrebt.
Hierzu werden die Fässer
mit möglichst geringen
Abständen
untereinander und zu den Behälterinnenwänden im
Lagerbehälter
ange ordnet. Die Abstände
sind dabei in der Regel gerade ausreichend groß, um einem für die Beladung
notwendigen Fassgreifer genügend
Arbeitsraum zu belassen.
-
Für die Beladung
der einzelnen Fässer
in den Lagerbehälter
besteht daher nur ein sehr geringer Toleranzspielraum. Eine manuelle
und über
eine Warte ferngesteuerte Beladung mit Hilfe eines Lastkrans ist
aufgrund der erforderlichen hohen Positionsgenauigkeit nicht möglich. Die
Verwendung von absoluten und fixen Positionsmarken, an denen sich der
Lastkran orientiert und die eine automatische Ansteuerung ermöglichen,
setzt voraus, dass der zu befüllende
Lagerbehälter
in Bezug zu diesen absoluten Fixpunkten immer definiert positioniert
ist. Wird der Lagerbehälter
jedoch mit Hilfe eines Lastkraftwagens in eine Beladezone verfahren,
so ist die Position des Lagerbehälters
innerhalb der Beladezone mit einer zu hohen Positionsungenauigkeit
versehen, als dass ein automatisches Beladen mit Hilfe von fixen
Absolutpunkten möglich
wäre.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein automatisches Be- oder
Entladen des Lagerbehälters
zu ermöglichen.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1. Danach
ist vorgesehen, dass zum automatischen Be- oder Entladen des Behälters dieser
in eine Beladezone einer verfahrbaren Beladevorrichtung insbesondere
positionsungenau eingefahren wird. Die Position des Behälters wird
anschließend
innerhalb der Beladezone mit Hilfe einer Kamera automatisch erfasst
und ausgewählten
Referenzpunkten des Behälters
werden Bildkoordinaten der Kamera zugewiesen. Aus den Bildkoordinaten
der Referenzpunkte im Kamerakoordinatensystem werden dann mit Hilfe
einer Steuereinrichtung Verfahrkoordinaten für die verfahrbare Beladevorrichtung
im Koordinatensystem der Beladevorrichtung errechnet. Anhand der
Verfahrkoordinaten verfährt
dann die Beladevorrichtung an eine durch die Position des Behälters bestimmte
Sollposition und setzt an der Sollposition das Gebinde ab bzw. nimmt
es auf.
-
Dieses
Verfahren ermöglicht
ein positionsgenaues Beladen des Behälters mit den einzelnen Gebinden,
insbesondere Fässern,
selbst wenn der Behälter
innerhalb der Beladezone positionsungenau positioniert wird, beispielsweise
wenn er mit einem LKW in die Beladezone eingefahren wird. Unter
positionungenau wird hierbei insbesondere eine Positionierungstoleranz
von bis zu etwa +/- 20 cm verstanden. Ein entscheidender Gesichtspunkt
bei dem Verfahren, welcher das automatische, also nicht manuell gesteuerte
Be- oder Entladen ermöglicht,
ist darin zu sehen, dass eine Transformation zwischen den Bildkoordinaten
hin zu den Verfahrkoordinaten, anhand derer die Beladevorrichtung
verfahren wird, vorgenommen wird. Diesem Schritt liegt die Überlegung zugrunde,
dass das Koordinatensystem der Kamera, welches bestimmt ist durch
die Anzahl der Bildpunkte in XK-Richtung
sowie der Anzahl der Bildpunkte in YK-Richtung
nicht mit dem Koordinatensystem der Beladevorrichtung, die in einer
XG- und einer YG-Richtung
verfahrbar ist, übereinstimmt.
Es ist daher eine Koordinatentransformation zwischen dem Bild gebenden
System der Kamera und dem Koordinatensystem der Beladevorrichtung
vorgesehen.
-
Gemäß einer
zweckdienlichen Weiterbildung wird ein Behälter mit fest vorgegebenen
Abmessungen verwendet, die in der Steuereinrichtung abgespeichert
sind. Aus den erfassten Referenzpunkten des Behälters werden dann unter Berücksichtigung dieser
abgespeicherten geometrischen Daten die gesamten Bildkoordinaten
des Behälters
und seine Winkellage im Koordinatensystem der Kamera ermittelt.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass ausgehend von der Erfassung
weniger markanter Referenzpunkte der gesamte Behälter und seine Orientierung
innerhalb des Kamerakoordinatensystems genau ermittelt werden kann.
-
Um
eine möglichst
hohe Positioniergenauigkeit zu erzielen, sind die Bildpunkte der
Kamera anhand eines in die Beladezone eingebrachten Referenzobjekts
skaliert. Anhand dieser Skalierung ist daher eine leichte Umrechnung
der von der Kamera erfassten Pixel-Werte in metrische Längeneinheiten
ermöglicht.
-
Zur
Ermittlung der Rechenregel für
die Koordinatentransformation vom Kamerakoordinatensystem in das
der Beladevorrichtung wird vorzugsweise ebenfalls ein Referenzobjekt
in die Beladezone eingebracht. Zur Bestimmung der Rechenregeln für die Koordinatentransformation
werden Kalibrierungspunkte mit der Beladevorrichtung manuell angefahren
und diese manuell ermittelten Verfahrkoordinaten der Kalibrierungspunkte
mit den entsprechenden Bildkoordinaten der Kalibrierungspunkte im
Koordinatensytem der Kamera verglichen und ausgewertet. Es ist also
lediglich ein einmaliger Einlernprozess erforderlich, bei dem die
Beladevorrichtung manuell an vorgegebene Punkte herangefahren werden
muss.
-
Zweckdienlicherweise
ist die Kamera oberhalb der Beladezone und auch oberhalb der Beladevorrichtung
angeordnet, wobei zur Erfassung der Bildkoordinaten des Behälters die
Beladevorrichtung aus dem Bildbereich der Kamera herausgefahren wird.
Durch die Anordnung der Kamera oberhalb der Beladevorrichtung kann
durch eine entsprechende Orientierung der Kamera das Kamerakoordinatensystem
zumindest annähernd
parallel zum Koordinatensystem der Beladevorrichtung angeordnet
werden, d.h. die Koordinatenachsen der beiden Koordinatensysteme
laufen zumindest annähernd
parallel zueinander. Im Idealfall oder bei etwas geringeren Anforderungen
an die Positioniergenauigkeit ist daher keine Winkelkorrektur zwischen
dem Bildkoordinatensystem und dem Koordinatensystem der Beladevorrichtung
notwendig.
-
Zur
möglichst
eindeutigen und genauen Lokalisierung der Referenzpunkte mit Hilfe
des Kamera-Koordinatensystems und der Ermittlung der zugeordneten
Bildkoordinaten werden die Referenzpunkte insbesondere gezielt ausgeleuchtet.
-
Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
weiterhin gelöst
durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 7.
-
Die
im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und bevorzugten
Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf
die Vorrichtung zu übertragen.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in schematischen
und stark vereinfachten Darstellungen:
-
1 eine
teilweise Schnittansicht eines Gebäudes mit einer Beladevorrichtung,
-
2 eine
Darstellung eines Referenzobjektes im Koordinatensystem der Kamera
und
-
3 das
Referenzobjekt im Koordinatensystem der Beladevorrichtung.
-
Einander
entsprechende Teile und Größen sind
in den Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach 1 wird zum Be- oder Entladen eines mit einem Deckel 3 verschließbaren Behälters 2 dieser
mittels eines Lastkraftwagens 4 in eine Beladezone 5 innerhalb
eines Gebäudes 6 eingefahren.
Aufgrund der Positionierung des Behälters 2 in der Beladezone 5 mit
Hilfe des Lastkraftwagens 4 variiert die jeweilige Position
des Behälters 2 von
Beladevorgang zu Beladevorgang. Es erfolgt also eine ungenaue Positionierung.
Unter positionsungenau wird hierbei insbesondere eine Toleranz von
etwa +/- 20 cm angesehen.
-
Der
Behälter 2 ist
insbesondere als Beton-Lagercontainer ausgebildet, der zur Anordnung von
mehreren Fässern 8,
in denen radioaktiver Abfall eingegossen ist, vorgesehen ist. Der
Behälter 2 dient zugleich
als Lagerbehälter
zur Lagerung der radioaktiven Abfälle in einem Zwischenlager.
Um eine möglichst
Platz sparende Lagerung zu erzielen, sind die Fässer 8 innerhalb des
Behälters 2 sehr
eng zueinander angeordnet. Die Fässer 8 müssen daher
sehr positionsgenau in den Behälter 2 eingeladen
werden.
-
Zum
Be- und Entladen der Fässer 8 ist
eine Beladevorrichtung 10 vorgesehen, welche auf Längs- und
Querschienen 12 in zwei Richtungen verfahrbar ist. Die
Beladevorrichtung 10 ist nach Art eines Krans ausgebildet
und weist einen Greifer 14 auf, mit dem die Fässer gegriffen
werden. Lediglich zur Illustration ist der Greifer 14 sowohl
in der oberen Grundposition als auch in der unteren Greifposition dargestellt.
-
Das
Gebäude 6 ist
gemäß dem Ausführungsbeispiel
mehrgeschossig ausgebildet, wobei der Lastkraftwagen 4 mit
dem Behälter 2 in
die untere Ebene eingefahren wird. Die Beladevorrichtung 10 ist oberhalb
einer Zwischendecke 16 in der zweiten Ebene angeordnet.
Die Zwischendecke 16 weist einen Durchbruch 18 auf,
unter dem sich die Beladezone 5 befindet. Zum Be- und Entladen
fährt der
Greifer 14 durch den Durchbruch 18 hindurch. der
Greifer 14 holt die in den Behälter 14 einzuladenden
Fässer
beispielsweise in einer Zementierunganlage ab, in der zuvor flüssige radioaktive
Abfälle
mit einer Zementmasse vermischt und in die Fässer 8 eingegossen wurden.
-
Aufgrund
der hohen Beladungsdichte im Behälter 2 müssen die
Fässer 8 beispielsweise
auf maximal +/- 20 mm genau im Behälter 2 positioniert
werden. Die automatische Beladung des Behälters 2 mit den Fässern 8 erfolgt
mit Hilfe einer Kamera 20, in deren Bildfeld 22 die
Beladezone 5 mit dem Behälter 2 angeordnet
sind. Zum automatischen Be- und Entladen wird hierbei folgendermaßen vorgegangen:
Zunächst
fährt der
Lastkraftwagen 4 mit dem Behälter 2 möglichst
positionsgenau in die Beladezone 5 ein. Die Beladevorrichtung 10 ist
außerhalb
des Bildfeldes 22 bzw. wird aus dem Bildfeld 22 herausgefahren.
Mit Hilfe der Kamera 20 werden zumindest Referenzpunkte 24,
beispielsweise die vier Eckpositionen des Behälters 2, erfasst.
Diesen Referenzpunkten 24 werden im Koordiatensystem der
Kamera 20 (Kamera-Koordinatensystem XK,
YK) Bildpunkte bzw. Bildkoordinaten zugewiesen.
Dies erfolgt mit Hilfe einer in einer Steuereinrichtung 26 hinterlegten
Bilderkennungssoftware. Die Referenzpunkte 24 sind hierbei zur
besseren Kenntlichmachung beispielsweise mit Punktstrahlern angeleuchtet.
Sofern unterschiedliche Behältertypen
verwendet werden, können
diese beispielsweise anhand der Referenzpunkte 24 unterschieden
werden. Die genauen geometrischen Daten der Behälter 2 sind in der
Steuereinrichtung 26 hinterlegt. An die Steuereinrichtung 26 werden
also die von der Kamera 20 erfassten Bilddaten übermittelt
und dort entsprechend ausgewertet. Zu dieser Auswertung zählt auch, dass
aus den Bildkoordinaten Verfahrkoordinaten mittels einer Koordinatentransformation
ermittelt werden. Weiterhin steuert die Steuereinrichtung 26 die
Beladevorrichtung 10 anhand der so ermittelten Verfahrkoordinaten
an. Hierdurch ist es also möglich,
mit dem Greifer 14 automatisch und sehr zielgenau einzelne
Sollpositionen im Behälter 2, die
den Positionen der einzelnen zu lagernden Fässer 8 entsprechen,
anzufahren und die Fässer 8 automatisch
abzusetzen bzw. automatisch zu greifen. Der gesamte Be- oder Entladevorgang
kann vollautomatisiert erfolgen und lässt sich daher in eine Prozesskette
beispielsweise am Ende einer Zementierungsanlage integrieren und
der von der Zementierungsanlage vorgegebene Arbeitstakt kann auch
für die
Beladung beibehalten werden.
-
Bevor
die Bildkoordinaten in Verfahrkoordinaten umgerechnet werden können, müssen das
Kamera-Koordinatensystem XK, YK und
das Koordinatensystem der Beladevorrichtung 10 (Greifer-Koordinatensystem
XG, YG) zunächst aufeinander
abgestimmt werden. Hierzu wird ein vordefiniertes Referenzobjekt 28 in
die Beladezone eingebracht. Wie aus der 2 zu entnehmen
ist, nimmt das Referenzobjekt 28 innerhalb des Kamera-Koordinatensystems
XK, YK eine bestimmte
Lage ein. Als ein Kalibrierungspunkt 30 ist gemäß den 2 und 3 die Objektmitte
des Referenzobjekts 28 vorgesehen. Diese Objektmitte hat
im Kamera-Koordinatensystem XK, YK die Werte X1 und
Y1 und ist zudem unter einem Winkel W1 angeordnet.
-
In
einem ersten Schritt wird zunächst
eine Skalierung des Kamera-Koordinatensystems XK,
YK vorgenommen, d.h. es wird ein Skalierungsfaktor
ermittelt, welcher angibt, welche Länge dem Abstand zwischen zwei
Bildpunkten entspricht. Hierzu werden insbesondere zwei Kalibrierungspunkte 30 des
Referenzobjekts 28 erfasst, deren genauer tatsächlicher Abstand
zueinander bekannt ist.
-
Zur
Bestimmung der Rechenregeln für
die Koordinatentransformation vom Kamera-Koordinatensystem XK, YK, wie es in 2 dargestellt
ist, in das Greifer-Koordinatensystem
XG, YG, wie es in 3 dargestellt
ist, werden mehrere Kalibrierungspunkte 30 des Objekts 28 mit
dem Greifer 14 manuell angefahren. Die Kalibrierungspunkte 30 sind
neben der Objektmitte beispielsweise die vier Eckpunkte des Referenzobjektes 28.
Hierdurch ergeben sich für die
Objektmitte die Koordinaten Y2 sowie X2 im Greifer-Koordinatensystem XG,
YG Auch lässt sich die Winkelorientierung
W2 im Greiferraum ermitteln. Aus den so
ermittelten Bildkoordinaten X1, Y1, W1 im Kamera-
oder Bildkoordinatensystem XK, YK und den im Greifer-Koordinatensystem XG, YG ermittelten
Verfahr-Koordinaten X2, Y2,
und W2 ist der Zusammenhang zwischen dem
beiden Koordinatensystemen eindeutig bestimmt, so dass in der Steuereinrichtung 26 eine
entsprechende Rechenregel hinterlegt wird, welche die Bildkoordinaten
X1, Y1, W1 in die entsprechenden Verfahrkoordinaten
X2, Y2, W2 umrechnet und den Greifer 14 entsprechend
ansteuert.
-
Durch
dieses Einlernen ist die vollständige automatische
Be- und Entladung selbst bei einer ungenauen Positionierung des
Behälters 2 innerhalb der
Beladezone ermöglicht.
Denn das hier beschriebene System erkennt automatisch die genaue
Position des Behälters 2 und
kann hieraus individuell die jeweiligen Anfahrpositionen für das Einladen
der einzelnen Fässer 8 festlegen.
Mit dem System lassen sich problemlos auch unterschiedliche Größen von Behältern 2 automatisch
beladen, da diese über
die Bilderkennung und den abgespeicherten Daten in der Steuereinrichtung 26 unterschieden
werden können.
Mit Hilfe der Kamera 20 ist weiterhin eine Überprüfung möglich, ob
der Behälter 2 noch
mit dem Deckel 3 verschlossen ist und ob der Behälter 2 leer
ist bzw. welche Positionen evtl. schon mit Fässern 8 belegt sind.
Mit dem hier beschriebenen Konzept ist eine Greiferpositioniergenauigkeit
im Millimeter-Raster möglich.
Die Positioniergenauigkeit wird hierbei einerseits von der Bildauflösung des
Kamerasystems und andererseits von der Genauigkeit des manuellen Anfahrens
mit dem Greifer 14 zur Ermittlung der Verfahrkoordinaten
des Referenzobjekts 28 bestimmt.
-
- 2
- Behälter
- 3
- Deckel
- 4
- Lastkraftwagen
- 5
- Beladezone
- 6
- Gebäude
- 8
- Fässer
- 10
- Beladevorrichtung
- 12
- Schiene
- 14
- Greifer
- 16
- Zwischendecke
- 18
- Durchbruch
- 20
- Kamera
- 22
- Bildfeld
- 24
- Referenzpunkt
- 26
- Steuereinrichtung
- 28
- Referenzobjekt
- 30
- Kalibrierungspunkt