放射性固化體屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王海波

摘要：放射性固化體屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器（以下簡(jiǎn)稱屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器）是將放射性廢物處置過程中生成的低、中放水泥固化桶取吊、運(yùn)輸、暫存及貯存的主要轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，也是操作人員免受輻射劑量照射的重要防護(hù)設(shè)備。為提高放射性廢物處置的安全性和低、中放水泥固化桶的轉(zhuǎn)運(yùn)效率，結(jié)合屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器的結(jié)構(gòu)組成和工作特點(diǎn)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以提高屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器的安全性和可靠性。

Abstract： Radioactive solidified shielding transfer container （hereinafter referred to as shielding transfer container） is the main transfer equipment for lifting， transporting， temporarily storing and storing low- and medium-level cement solidified barrels generated during the disposal of radioactive waste， and is also the important equipment protecting the operators from radiation. In order to improve the safety of radioactive waste disposal and the transshipment efficiency of low and medium-level cement solidified barrels， the control system design is combined with the structural composition and working characteristics of the shielding transfer container to improve the safety and reliability of the shielding transfer container.

關(guān)鍵詞：屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器；遙控發(fā)射/接收裝置；電永磁裝置

Key words： shielded transfer container；remote control transmitting/receiving device；electric permanent magnet device

中圖分類號(hào)：TL93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）32-0118-03

0 引言

針對(duì)屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器工作特點(diǎn)和技術(shù)要求，設(shè)計(jì)滿足使用要求的屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器控制系統(tǒng)，主要由西門子可編程控制器（PLC）、遙控發(fā)射/接收裝置、電永磁裝置、稱重及控制裝置、提升裝置、伺服開/關(guān)門裝置六部分組成。該屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器控制系統(tǒng)提高了控制精度，提升了轉(zhuǎn)運(yùn)效率。實(shí)踐證明，該控制系統(tǒng)可以保證屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器的安全、可靠、準(zhǔn)確運(yùn)行。

1 屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器系統(tǒng)組成及控制功能

1.1 屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器系統(tǒng)組成

屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器主要由遙控發(fā)射/接收裝置、電永磁裝置、提升裝置、伺服開/關(guān)門裝置、PLC電氣控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

1.2 屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器控制功能

①打開遙控發(fā)射裝置電源開關(guān)，操作遙控發(fā)射器發(fā)出“照明開”指令，系統(tǒng)通過控制器開啟兩只LED照明燈；

②操作遙控發(fā)射器發(fā)出“底門開啟”指令，伺服驅(qū)動(dòng)器打開容器底門；

③操作遙控發(fā)射器發(fā)出“電動(dòng)絞車降”指令，提升裝置將電永磁吸盤下降，與水泥固化桶上蓋無隙接觸；

④打開“充磁”和“充磁確認(rèn)”按鍵防護(hù)罩，同時(shí)按下兩鍵，系統(tǒng)對(duì)電永磁吸盤進(jìn)行充磁，電永磁吸盤與水泥固化桶吸合一起，30s后重復(fù)操作一次，充磁完成；

⑤操作遙控發(fā)射器，發(fā)出“電動(dòng)絞車升”指令，提升裝置將固化筒吊至屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器本體內(nèi)，同時(shí)稱重儀表顯示水泥固化桶重量，若超過設(shè)定極限參數(shù)，將禁止水泥固化桶取吊并發(fā)出報(bào)警信號(hào)；

⑥操作遙控發(fā)射器發(fā)出 “容器底門關(guān)閉”指令，伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)關(guān)閉容器底門水泥固化桶取吊工作完成；

⑦水泥固化桶吊放到位后，同時(shí)按下“消磁”和“消磁確認(rèn)”功能按鍵，電永磁裝置消磁。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 遙控發(fā)射/接收裝置

遙控發(fā)射器采用肩掛操作方式，利于攜帶和操作，如圖2所示。功能按鍵有：發(fā)射器電源開/關(guān)（鑰匙開關(guān)）、電源開/關(guān)（鑰匙開關(guān)）、照明開/關(guān)、充磁、充磁確認(rèn)、消磁、消磁確認(rèn)、電動(dòng)絞車升、電動(dòng)絞車降、底門開/關(guān)。除照明開/關(guān)按鍵為自保持模式外，其它所有功能按鍵為自恢復(fù)模式，“充磁”、“充磁確認(rèn)”兩功能鍵，必須用時(shí)按下發(fā)射器才會(huì)發(fā)出信號(hào)，“消磁”、“消磁確認(rèn)”同理，4個(gè)按鍵加防護(hù)罩防止人為誤操作，造成安全事故。發(fā)射器5寸液晶屏顯示回傳圖像畫面，液晶屏供電DC 12V，消耗功率1.8W；接收部分另預(yù)留一塊接收模塊，用于控制柜監(jiān)視器同步畫面顯示，發(fā)射器采用8Ah鋰電池供電，連續(xù)工作不小于6小時(shí)，每小時(shí)進(jìn)行一次電量檢測(cè)，欠電壓時(shí)，發(fā)射器“電源指示”綠色燈不停閃爍，提示更換電池。

2.2 電永磁裝置

電永磁裝置為圓柱形結(jié)構(gòu)，整體高度為295mm，直徑為440mm，主要由鋰電池、逆變電源模塊、照明及控制電路、電源狀態(tài)檢測(cè)控制模塊、微處理器控制模塊、遙控接收控制模塊、報(bào)警信號(hào)回傳發(fā)射模塊、電永磁吸盤等部件組成，如圖3所示。

打開遙控發(fā)射裝置、電永磁裝置電源啟動(dòng)鑰匙開關(guān)，遙控接收裝置接收指令打開電永磁裝置電源，按下遙控發(fā)射裝置照明開關(guān)，點(diǎn)亮電永磁裝置照明LED燈，打開遙控發(fā)射裝置“充磁”、“充磁確認(rèn)”按鍵保護(hù)罩，同時(shí)按下“充磁”、“充磁確認(rèn)”鍵，遙控接收裝置接收充磁指令后，由微處理控制器控制充/消磁模塊發(fā)出一個(gè)正向脈沖（脈沖寬度≤1s），電永磁吸盤呈勵(lì)磁狀態(tài)，且長(zhǎng)期保持這種狀態(tài)，充磁工作完成；消磁同理。電永磁吸盤采用高性能銣鐵硼稀土材料為內(nèi)核，充磁后保持勵(lì)磁狀態(tài)，避免突然斷電發(fā)生工件脫落危險(xiǎn)。屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器電永磁裝置電源由1組12V/120Ah鋰電池池逆變提供。檢測(cè)電路監(jiān)測(cè)鋰電池狀態(tài)，當(dāng)鋰電池欠壓、過流時(shí)，聲光報(bào)警信號(hào)遙控回傳，提示需對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。電永磁裝置組成框圖如圖4所示。技術(shù)要求如下：

①電永磁吸盤消磁徹底，剩磁小；

②充磁操作需同時(shí)按下“充磁”和“充磁確認(rèn)”按鈕，以保證安全；

③消磁操作需同時(shí)按下“消磁”和“消磁確認(rèn)”按鈕，以保證安全；

④充磁或消磁操作間隔不小于30s，防止誤操作引起吊物墜落事故；

⑤充/消磁時(shí)間≤1s。

2.3 伺服開/關(guān)門裝置

對(duì)屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器底門分析研究，綜合考慮其功能、安全等因素，開關(guān)門裝置設(shè)計(jì)為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶和滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)左右閘門的啟閉，主要有伺服電機(jī)、同步帶、滾珠絲杠、軸承座、帶輪張緊裝置等部件組成，設(shè)計(jì)閘門開啟速度5m/min，開啟時(shí)間5s，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

通過伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)閘門在導(dǎo)軌上的速度和距離的精確控制，避免傳動(dòng)速度無法控制，閘門啟閉時(shí)產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)較大的問題。

選用三菱伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，功率0.75kW通過減速裝置，額定輸出扭矩為6.9N·m，額定轉(zhuǎn)速1000r/min，最大輸出扭矩19.9N·m。通過伺服驅(qū)動(dòng)器精準(zhǔn)控制閘門在軌道上的運(yùn)動(dòng)。閘門啟閉時(shí)，電機(jī)加速到額定速度，使閘門沿著軌道勻速運(yùn)行，到達(dá)啟、閉點(diǎn)時(shí)電機(jī)減速，以緩慢的速度使閘門開啟和閉合，伺服電機(jī)控制流程如圖6所示。

2.4 提升裝置

電動(dòng)絞車通過鋼絲繩驅(qū)動(dòng)滑輪來實(shí)現(xiàn)重物的提升，設(shè)計(jì)升降速度5m/min，最大提升重量為1.5T，額定輸出扭矩 2775 N·m，容繩量20m，制動(dòng)方式為雙重制動(dòng)，如圖7所示。

電動(dòng)絞車內(nèi)置電機(jī)和減速器，整體防護(hù)等級(jí)為IP55，外形尺寸790mm×440mm×721mm，絞車輸出扭矩2700N·m，額定起吊重量1.1T，設(shè)計(jì)繩速為5m/min，纏繩層數(shù)1層，內(nèi)置的排繩器使鋼纜整齊排列，在保證吊拉距離的前提下容繩量為20m，為使重物在任意高度可靠停止，電動(dòng)絞車采用雙重制動(dòng)方式，最大制動(dòng)力矩3000N·m，電動(dòng)絞車外形如圖8所示。

為保證其可靠性和使用性能，電動(dòng)絞車進(jìn)行1.5倍安全系數(shù)下的吊拉試驗(yàn)和制動(dòng)試驗(yàn)，電動(dòng)絞車其他性能參數(shù)如下：

電動(dòng)絞車減速比：223

電動(dòng)絞車電機(jī)功率：2.2kW

輸入電壓：AC 380V 50Hz

絕緣等級(jí)：F

2.5 PLC電氣控制系統(tǒng)

PLC電氣控制系統(tǒng)主要由S7-200可編程控制器、維綸觸摸屏、伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)、限位開關(guān)等組成，如圖9所示。采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)原理，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，PLC加定位和軌跡控制功能模塊連接伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：控制能力強(qiáng)、系統(tǒng)擴(kuò)展靈活、運(yùn)行可靠性高。

3 結(jié)束語

將完成的各項(xiàng)性能測(cè)試結(jié)果，與相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行比較，證明該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)先進(jìn)、工藝合理、使用方便、性能良好，能按照規(guī)定的工藝完成要求的轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)，完全符合使用要求，為涉核處置工作的順利進(jìn)行提供了有力保障。

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