放射性固化體屏蔽轉運容器控制系統設計與應用

王海波

摘要：放射性固化體屏蔽轉運容器（以下簡稱屏蔽轉運容器）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、運輸、暫存及貯存的主要轉運設備，也是操作人員免受輻射劑量照射的重要防護設備。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運效率，結合屏蔽轉運容器的結構組成和工作特點進行控制系統設計，以提高屏蔽轉運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.

關鍵詞：屏蔽轉運容器；遙控發射/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：TL93 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）32-0118-03

0 引言

針對屏蔽轉運容器工作特點和技術要求，設計滿足使用要求的屏蔽轉運容器控制系統，主要由西門子可編程控制器（PLC）、遙控發射/接收裝置、電永磁裝置、稱重及控制裝置、提升裝置、伺服開/關門裝置六部分組成。該屏蔽轉運容器控制系統提高了控制精度，提升了轉運效率。實踐證明，該控制系統可以保證屏蔽轉運容器的安全、可靠、準確運行。

1 屏蔽轉運容器系統組成及控制功能

1.1 屏蔽轉運容器系統組成

屏蔽轉運容器主要由遙控發射/接收裝置、電永磁裝置、提升裝置、伺服開/關門裝置、PLC電氣控制系統組成，如圖1所示。

1.2 屏蔽轉運容器控制功能

①打開遙控發射裝置電源開關，操作遙控發射器發出“照明開”指令，系統通過控制器開啟兩只LED照明燈；

②操作遙控發射器發出“底門開啟”指令，伺服驅動器打開容器底門；

③操作遙控發射器發出“電動絞車降”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”按鍵防護罩，同時按下兩鍵，系統對電永磁吸盤進行充磁，電永磁吸盤與水泥固化桶吸合一起，30s后重復操作一次，充磁完成；

⑤操作遙控發射器，發出“電動絞車升”指令，提升裝置將固化筒吊至屏蔽轉運容器本體內，同時稱重儀表顯示水泥固化桶重量，若超過設定極限參數，將禁止水泥固化桶取吊并發出報警信號；

⑥操作遙控發射器發出 “容器底門關閉”指令，伺服驅動器驅動伺服電機關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，同時按下“消磁”和“消磁確認”功能按鍵，電永磁裝置消磁。

2 系統設計

2.1 遙控發射/接收裝置

遙控發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：發射器電源開/關（鑰匙開關）、電源開/關（鑰匙開關）、照明開/關、充磁、充磁確認、消磁、消磁確認、電動絞車升、電動絞車降、底門開/關。除照明開/關按鍵為自保持模式外，其它所有功能按鍵為自恢復模式，“充磁”、“充磁確認”兩功能鍵，必須用時按下發射器才會發出信號，“消磁”、“消磁確認”同理，4個按鍵加防護罩防止人為誤操作，造成安全事故。發射器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；接收部分另預留一塊接收模塊，用于控制柜監視器同步畫面顯示，發射器采用8Ah鋰電池供電，連續工作不小于6小時，每小時進行一次電量檢測，欠電壓時，發射器“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構，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、電源狀態檢測控制模塊、微處理器控制模塊、遙控接收控制模塊、報警信號回傳發射模塊、電永磁吸盤等部件組成，如圖3所示。

打開遙控發射裝置、電永磁裝置電源啟動鑰匙開關，遙控接收裝置接收指令打開電永磁裝置電源，按下遙控發射裝置照明開關，點亮電永磁裝置照明LED燈，打開遙控發射裝置“充磁”、“充磁確認”按鍵保護罩，同時按下“充磁”、“充磁確認”鍵，遙控接收裝置接收充磁指令后，由微處理控制器控制充/消磁模塊發出一個正向脈沖（脈沖寬度≤1s），電永磁吸盤呈勵磁狀態，且長期保持這種狀態，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核，充磁后保持勵磁狀態，避免突然斷電發生工件脫落危險。屏蔽轉運容器電永磁裝置電源由1組12V/120Ah鋰電池池逆變提供。檢測電路監測鋰電池狀態，當鋰電池欠壓、過流時，聲光報警信號遙控回傳，提示需對鋰電池進行充電。電永磁裝置組成框圖如圖4所示。技術要求如下：

①電永磁吸盤消磁徹底，剩磁小；

②充磁操作需同時按下“充磁”和“充磁確認”按鈕，以保證安全；

③消磁操作需同時按下“消磁”和“消磁確認”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/消磁時間≤1s。

2.3 伺服開/關門裝置

對屏蔽轉運容器底門分析研究，綜合考慮其功能、安全等因素，開關門裝置設計為伺服電機驅動同步帶和滾珠絲杠來實現左右閘門的啟閉，主要有伺服電機、同步帶、滾珠絲杠、軸承座、帶輪張緊裝置等部件組成，設計閘門開啟速度5m/min，開啟時間5s，傳動結構示意圖如圖5所示。

通過伺服驅動器實現閘門在導軌上的速度和距離的精確控制，避免傳動速度無法控制，閘門啟閉時產生沖擊和振動較大的問題。

選用三菱伺服電機和驅動器，功率0.75kW通過減速裝置，額定輸出扭矩為6.9N·m，額定轉速1000r/min，最大輸出扭矩19.9N·m。通過伺服驅動器精準控制閘門在軌道上的運動。閘門啟閉時，電機加速到額定速度，使閘門沿著軌道勻速運行，到達啟、閉點時電機減速，以緩慢的速度使閘門開啟和閉合，伺服電機控制流程如圖6所示。

2.4 提升裝置

電動絞車通過鋼絲繩驅動滑輪來實現重物的提升，設計升降速度5m/min，最大提升重量為1.5T，額定輸出扭矩 2775 N·m，容繩量20m，制動方式為雙重制動，如圖7所示。

電動絞車內置電機和減速器，整體防護等級為IP55，外形尺寸790mm×440mm×721mm，絞車輸出扭矩2700N·m，額定起吊重量1.1T，設計繩速為5m/min，纏繩層數1層，內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，電動絞車采用雙重制動方式，最大制動力矩3000N·m，電動絞車外形如圖8所示。

為保證其可靠性和使用性能，電動絞車進行1.5倍安全系數下的吊拉試驗和制動試驗，電動絞車其他性能參數如下：

電動絞車減速比：223

電動絞車電機功率：2.2kW

輸入電壓：AC 380V 50Hz

絕緣等級：F

2.5 PLC電氣控制系統

PLC電氣控制系統主要由S7-200可編程控制器、維綸觸摸屏、伺服驅動器及伺服電機、限位開關等組成，如圖9所示。采用工業控制計算機原理，實現人機交互，PLC加定位和軌跡控制功能模塊連接伺服電機驅動器，控制伺服電機實現運動軌跡。該系統的特點是：控制能力強、系統擴展靈活、運行可靠性高。

3 結束語

將完成的各項性能測試結果，與相關內容進行比較，證明該控制系統設計先進、工藝合理、使用方便、性能良好，能按照規定的工藝完成要求的轉運任務，完全符合使用要求，為涉核處置工作的順利進行提供了有力保障。

參考文獻：

[1]王顯德，李學群.放射性廢物管理[M].北京：原子能出版社，1995.

[2]金發慶.傳感器技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2012.

[3]廖常初S7-300/400 PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2009.