一种吊运核废料起重机的电气关键技术
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【摘 要】当前，中国的核电事业发展的如火如荼，相比石化能源发电带来的环境污染，核电凭借几乎无污染的突出特点，促使国家政府加码投入核电。目前中国内地在运核电机组总计446台，总装机容量约为390.8GW，年生产核废料约4000万吨。随着装机容量的持续增加，核废料也将按比例增加，数量如此巨大的核废料每年都需要处理，处理过程中需要使用大量的起重机进行搬运，由于涉及核辐射，此类起重机比较特殊，需要远程操作或无人操作远程监控。国内起重机厂家对这一块的技术研究起步较晚，很不成熟，采购国外设备，由于涉核的敏感性导致价格极高还附带许多苛刻条件，比如：进口德国、芬兰的起重机，需要提供作业信息、设备定位等等信息，不利于国家核电事业发展的保密性及国防的安全性。所以：迫切需要国内设备厂商掌握此种起重设备的关键技术、摆脱对国外产品的依赖。卫华机械工程研究院经过多年的研究、积累，成功研制生产出了此种起重机，并在2018年应用到了广西某核废料处理厂，至今运行安全、可靠，稳定。本文将对此种起重机的电气控制做深入的探讨。
At present，the development of nuclear power in China is in full swing.Compared with the environmental pollution caused by petrochemical power generation，the prominent feature of almost no pollution in nuclear power has prompted the national government to increase investment in nuclear power.At present，there are a total of 446 nuclear power units in operation in the Chinese mainland，with a total installed capacity of about 390.8GW and an annual production of about 40 million tons of nuclear waste.With the continuous increase of installed capacity，nuclear waste will also be increased proportionally.Such a huge amount of nuclear waste needs to be disposed of every year，and a large number of cranes are needed to carry it out in the process of disposal.Due to the nuclear radiation involved，such cranes are relatively special and require remote operation or unmanned remote monitoring.Domestic crane manufacturers started late this part of the technology research，very immature，purchasing foreign equipment，due to the sensitivity of the nuclear involved，the price is extremely high and there are many harsh conditions，such as：imported German，Finnish cranes，need to provide operational information Information such as equipment positioning is not conducive to the confidentiality of the development of the national nuclear power industry and the security of national defense.Therefore：domestic equipment manufacturers are urgently required to master the key technologies of such lifting equipment and get rid of dependence on foreign products.After years of research and accumulation，Weihua Mechanical Engineering Research Institute successfully developed and produced such a crane.It was applied to a nuclear waste treatment plant in Guangxi in 2018.It has been safe，reliable and stable.This article will make an in-depth discussion on the electrical control of this type of crane.
【关键词】起重机;核废料;电气控制;起重机定位;双目视觉
Crane;Nuclear waste;Electrical control;Crane positioning;Binocular vision
1 引言
对于使用起重机作业吊装的核废料处理车间，当前皆是远程操作，起重机操作人员通过视频画面操作，避免核辐射，容易引起视觉疲劳，一般每小时要休息15分钟，工作效率很低。如果采用全自动起重机进行自动吊装，起重机定位是一项关键技术，核废料桶在库内固定成行、列的坐标位置摆放，通过安装在起重机上的绝对定位装置，定位在相应的行列位置坐标上，很容易。但是由于起重机在吊装运行垒桶的过程中，很容易出现位置偏差，缺少视觉判断系统，起重机吊具自动吊装过程中会出现夹具夹取位置不准，造成吊装失败，或吊起滑落的事故。车间库内的核废料桶的進库、出库、贮存时间需要统计，起重机需要数据库技术。另外：核废料桶暂存车间密封严密，起重机远程操作、全自动运行、远程监控，如何能够保证控制、测量信号的稳定性也是本文探讨的重要内容。图1是某核废料桶装车间的图片。核废料桶装车间与外界通过0.5～1m厚的钢筋混凝土内嵌防辐射材料隔绝，内部用电设备，电源线、信号线、控制线、照明线、视频线通过埋藏在地下的电缆沟与外界相连。起重机通过外部控制室远程操作。核废料桶的出入库通过双道特制安全门，使用外部车辆运输。图2是作业起重机的图片，图3是远程操作室的图片。
2 起重机在核废料库内的作业任务
外部车辆运输过来的核废料桶通过安全门进入到核废料库，起重机开始作业，吊运车辆上的核废料桶到库内指定位置，每次吊运起重机控制管理系统都生成位置编号储存在数据库内，这就是入库。经过固定的酵化时间。成批量的把相应的核废料桶调运到出库位置，这就是出库作业。简单概括就是完成出入库作业。
3 此种起重机的电气控制关键技术
3.1 程控自动化及起重机定位技术，熟悉了整个作业流程，根据流程编制起重机的作业程序。国内大部分起重机厂商已掌握了此项技术，这里不再叙述。起重机 X、Y、Z方向定位皆要求5mm以内，水平运行配置高精度的定位线性编码器（分辨率0.01mm），升降机构配置绝对编码器（分辨率0.1mm）。采取了以上这些技术手段，通过编程控制及现场调试，能够保证起重机在X、Y、Z方向的定位在5mm以内。
3.2 核废料桶的垒放辨识技术及起重机夹具，起重机远程操作过程中，起重机的运行实际上是半自动作业，从一个位置到另外一个位置的运行，无需操作人员干预，但是起重机垒放废料桶及开关夹具是手动操作完成的。如果要求起重机工作在全自动模式下，起重机夹具需要配装传感器，并且需要双目视觉判断垒桶是否位置到位，夹具的开合状态由接近开关判断，提供信号给起重机控制PLC。图 4 是起重机夹具及夹具照片。
采用双目视觉的应用步骤：
1）选择双目工业相机，安装在起重机小车架下不与吊具干涉的位置。由于核废料库内，无自然光、光照度恒定，调试相机的焦距及曝光度，利用相机采像软件分析照片，一次调整到位，卡死相机焦距及固化相机曝光时间。
2）编制识别计算流程
3）采用C#或其他软件编制图像处理程序，计算的图像位置坐标通过OPC传输给起重机PLC，完成自动吊装。
通過以上技术，能够提高作业效率，降低事故率，减轻工人的作业强度。另外：机器视觉没有在普通全自动起重机上大量应用的原因，主要是：普通作业场所的起重机，一天内光照强度时刻变化，相机拍摄的照片，大部分无法计算分析，成功率太低，通过不断的调节相机曝光度及相机焦距，控制系统及感光系统，都十分复杂，限制了机器双目视觉系统的应用。这些问题，核废料库都不存在，核废料库的光照是恒定的，一次调整正确到位即可。
3.3 由于废料桶在库内的贮存时间是有严格工艺要求的，行内称为发酵时间。如何管理这些废料桶，需要开发一个数据库，记录每个位置的废料桶进出时间，并且给每个位置上的废料桶生成编号利于统一管理。不超过2000个工位的小型库，采用EXCEL表格数据库就可实现管理功能，通过上位机WinCC软件与EXCEL数据传输非常方便。通过现场的实际应用，发现超过2000个工位的库，采用EXCEL来管理，数据修改会出现卡顿、延迟。建议采用中型SQL-SERVER中型数据库来管理。
3.4 起重机在库内作业，起重机控制操作室远离库区，之间的信号传输非常麻烦，并且需要大量电缆，特别是一些微型传感器信号，会因为距离过长丢失，给作业带来安全隐患，卫华机械工程研究院曾尝试采用无线发射器来传输这些微信号，由于废料库密封太严、信号太弱，效果不佳。后来通过光电转换器先把起重机的微电信号转换成光信号，通过光纤传输到起重机控制室，再通过光电转换器转换为电信号，问题才得到圆满解决。
4 结论
此种起重机的电气控制国内厂商已经取得了突破，但仍有许多需要改进的地方，如由于是核辐射车间，怎么能够使起重机做到3年内或5年内免维护。另外起重机仍然采用了大量的国外配套件及软件，在核工业上这也算是不安全因素。但是国内配套件的质量及平均无故障时间目前还不能满足要求。这需要我们整个行业的共同发力，才能不再受制于人。
参考文献：
[1] 中国产业信息网;2018年我国核废料行业市场现状及发展趋势分析
（作者单位：河南卫华重型机械股份有限公司）