放射性固化体屏蔽转运容器控制系统设计与应用

王海波

摘要：放射性固化体屏蔽转运容器（以下简称屏蔽转运容器）是将放射性废物处置过程中生成的低、中放水泥固化桶取吊、运输、暂存及贮存的主要转运设备，也是操作人员免受辐射剂量照射的重要防护设备。为提高放射性废物处置的安全性和低、中放水泥固化桶的转运效率，结合屏蔽转运容器的结构组成和工作特点进行控制系统设计，以提高屏蔽转运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.

關键词：屏蔽转运容器；遥控发射/接收装置；电永磁装置

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

中图分类号：TL93 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）32-0118-03

0 引言

针对屏蔽转运容器工作特点和技术要求，设计满足使用要求的屏蔽转运容器控制系统，主要由西门子可编程控制器（PLC）、遥控发射/接收装置、电永磁装置、称重及控制装置、提升装置、伺服开/关门装置六部分组成。该屏蔽转运容器控制系统提高了控制精度，提升了转运效率。实践证明，该控制系统可以保证屏蔽转运容器的安全、可靠、准确运行。

1 屏蔽转运容器系统组成及控制功能

1.1 屏蔽转运容器系统组成

屏蔽转运容器主要由遥控发射/接收装置、电永磁装置、提升装置、伺服开/关门装置、PLC电气控制系统组成，如图1所示。

1.2 屏蔽转运容器控制功能

①打开遥控发射装置电源开关，操作遥控发射器发出“照明开”指令，系统通过控制器开启两只LED照明灯；

②操作遥控发射器发出“底门开启”指令，伺服驱动器打开容器底门；

③操作遥控发射器发出“电动绞车降”指令，提升装置将电永磁吸盘下降，与水泥固化桶上盖无隙接触；

④打开“充磁”和“充磁确认”按键防护罩，同时按下两键，系统对电永磁吸盘进行充磁，电永磁吸盘与水泥固化桶吸合一起，30s后重复操作一次，充磁完成；

⑤操作遥控发射器，发出“电动绞车升”指令，提升装置将固化筒吊至屏蔽转运容器本体内，同时称重仪表显示水泥固化桶重量，若超过设定极限参数，将禁止水泥固化桶取吊并发出报警信号；

⑥操作遥控发射器发出 “容器底门关闭”指令，伺服驱动器驱动伺服电机关闭容器底门水泥固化桶取吊工作完成；

⑦水泥固化桶吊放到位后，同时按下“消磁”和“消磁确认”功能按键，电永磁装置消磁。

2 系统设计

2.1 遥控发射/接收装置

遥控发射器采用肩挂操作方式，利于携带和操作，如图2所示。功能按键有：发射器电源开/关（钥匙开关）、电源开/关（钥匙开关）、照明开/关、充磁、充磁确认、消磁、消磁确认、电动绞车升、电动绞车降、底门开/关。除照明开/关按键为自保持模式外，其它所有功能按键为自恢复模式，“充磁”、“充磁确认”两功能键，必须用时按下发射器才会发出信号，“消磁”、“消磁确认”同理，4个按键加防护罩防止人为误操作，造成安全事故。发射器5寸液晶屏显示回传图像画面，液晶屏供电DC 12V，消耗功率1.8W；接收部分另预留一块接收模块，用于控制柜监视器同步画面显示，发射器采用8Ah锂电池供电，连续工作不小于6小时，每小时进行一次电量检测，欠电压时，发射器“电源指示”绿色灯不停闪烁，提示更换电池。

2.2 电永磁装置

电永磁装置为圆柱形结构，整体高度为295mm，直径为440mm，主要由锂电池、逆变电源模块、照明及控制电路、电源状态检测控制模块、微处理器控制模块、遥控接收控制模块、报警信号回传发射模块、电永磁吸盘等部件组成，如图3所示。

打开遥控发射装置、电永磁装置电源启动钥匙开关，遥控接收装置接收指令打开电永磁装置电源，按下遥控发射装置照明开关，点亮电永磁装置照明LED灯，打开遥控发射装置“充磁”、“充磁确认”按键保护罩，同时按下“充磁”、“充磁确认”键，遥控接收装置接收充磁指令后，由微处理控制器控制充/消磁模块发出一个正向脉冲（脉冲宽度≤1s），电永磁吸盘呈励磁状态，且长期保持这种状态，充磁工作完成；消磁同理。电永磁吸盘采用高性能铷铁硼稀土材料为内核，充磁后保持励磁状态，避免突然断电发生工件脱落危险。屏蔽转运容器电永磁装置电源由1组12V/120Ah锂电池池逆变提供。检测电路监测锂电池状态，当锂电池欠压、过流时，声光报警信号遥控回传，提示需对锂电池进行充电。电永磁装置组成框图如图4所示。技术要求如下：

①電永磁吸盘消磁彻底，剩磁小；

②充磁操作需同时按下“充磁”和“充磁确认”按钮，以保证安全；

③消磁操作需同时按下“消磁”和“消磁确认”按钮，以保证安全；

④充磁或消磁操作间隔不小于30s，防止误操作引起吊物坠落事故；

⑤充/消磁时间≤1s。

2.3 伺服开/关门装置

对屏蔽转运容器底门分析研究，综合考虑其功能、安全等因素，开关门装置设计为伺服电机驱动同步带和滚珠丝杠来实现左右闸门的启闭，主要有伺服电机、同步带、滚珠丝杠、轴承座、带轮张紧装置等部件组成，设计闸门开启速度5m/min，开启时间5s，传动结构示意图如图5所示。

通过伺服驱动器实现闸门在导轨上的速度和距离的精确控制，避免传动速度无法控制，闸门启闭时产生冲击和振动较大的问题。

选用三菱伺服电机和驱动器，功率0.75kW通过减速装置，额定输出扭矩为6.9N·m，额定转速1000r/min，最大输出扭矩19.9N·m。通过伺服驱动器精准控制闸门在轨道上的运动。闸门启闭时，电机加速到额定速度，使闸门沿着轨道匀速运行，到达启、闭点时电机减速，以缓慢的速度使闸门开启和闭合，伺服电机控制流程如图6所示。

2.4 提升装置

电动绞车通过钢丝绳驱动滑轮来实现重物的提升，设计升降速度5m/min，最大提升重量为1.5T，额定输出扭矩 2775 N·m，容绳量20m，制动方式为双重制动，如图7所示。

电动绞车内置电机和减速器，整体防护等级为IP55，外形尺寸790mm×440mm×721mm，绞车输出扭矩2700N·m，额定起吊重量1.1T，设计绳速为5m/min，缠绳层数1层，内置的排绳器使钢缆整齐排列，在保证吊拉距离的前提下容绳量为20m，为使重物在任意高度可靠停止，电动绞车采用双重制动方式，最大制动力矩3000N·m，电动绞车外形如图8所示。

为保证其可靠性和使用性能，电动绞车进行1.5倍安全系数下的吊拉试验和制动试验，电动绞车其他性能参数如下：

电动绞车减速比：223

电动绞车电机功率：2.2kW

输入电压：AC 380V 50Hz

绝缘等级：F

2.5 PLC电气控制系统

PLC电气控制系统主要由S7-200可编程控制器、维纶触摸屏、伺服驱动器及伺服电机、限位开关等组成，如图9所示。采用工业控制计算机原理，实现人机交互，PLC加定位和轨迹控制功能模块连接伺服电机驱动器，控制伺服电机实现运动轨迹。该系统的特点是：控制能力强、系统扩展灵活、运行可靠性高。

3 结束语

将完成的各项性能测试结果，与相关内容进行比较，证明该控制系统设计先进、工艺合理、使用方便、性能良好，能按照规定的工艺完成要求的转运任务，完全符合使用要求，为涉核处置工作的顺利进行提供了有力保障。

参考文献：

[1]王显德，李学群.放射性废物管理[M].北京：原子能出版社，1995.

[2]金发庆.传感器技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]廖常初S7-300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2009.