СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОМАНДНОГО НАВЕДЕНИЯ КРАНА НА КООРДИНАТЫ ЦЕНТРАЛЬНОГО ЗАЛА АТОМНОЙ СТАНЦИИ

Полезная модель относится к подъемно-транспортному машиностроению, а именно к системе автоматического наведения крана на координаты центрального зала атомной станции.
Спецификой кранов для объектов использования атомной энергии, в частности, применяемых в реакторных залах, является необходимость их из-за радиации дистанционного управления и точность ориентированного останова относительно требуемых технологических точек.
Так известный мостовой кран подвесной электрический для объектов использования атомной энергии включает в свой состав пролетное строение, механизм его перемещения по подкрановым путям, грузонесущую тележку с возможностью ее продольного перемещения вдоль пролетного строения посредством привода, механизм подъема груза и пульт управления указанными приводами, но в данной конструкции, как следует из текста описания и формулы полезной модели, не предусмотрено какое-либо устройство наведения крана на требуемую точку, (см. Патент РФ на полезную модель №57264 В66С 17/00, опубликована 10.10.2006 г.).
Это обстоятельство - отсутствие устройства наведения крана на точку не позволяет использовать кран для выполнения в центральном зале атомной станции проведения сложных технологических операций, требующих точного совмещения крюка подвески с заданной координатой.
Известна система управления краном для обращения с отработавшим ядерным топливом в защитной камере, состоящим из подкрановых путей, грузовой тележки, механизма перемещения тележки, захвата, механизма подъема груза и механизмов управления краном и его захвата. Система управления краном включает в свой состав направляющие блоки для грузового каната с датчиками усилия, встроенными с помощью рычагов в опоры, ограничивающие крайнее верхнее положение захвата. При этом один из упоров, установленных на плите грузовой тележки, выполнен с тремя микровыключателями крайнего верхнего положения захвата. На верхней плоскости площадки обслуживания грузовой тележки установлен датчик положения платформы крана, на другом конце вала которого установлен рычаг с двумя шестернями, и одну из них закрепляют рейкой, расположенной на подкрановых путях, с возможностью определения положения грузовой тележки в защитной камере. Датчик положения грузовой тележки представляет собой многоступенчатый редуктор, у которого на входном валу установлен рычаг с двумя шестернями, а два выходных вала с помощью муфт соединяют с роторами бесконтактных датчиков угла. Для управления открытием и закрытием захвата применена канатная система из одного каната параллельно грузовым канатам на барабанах основного механизма подъема грузов. При этом датчик положения захватом представляет собой многоступенчатый редуктор, у которого на входном валу выполнены шлицы для соединения с валом основного редуктора, и два выходных вала, которые с помощью муфт соединены - один с ротором бесконтактного угла, определяющего положение захвата по высоте, а другой - с выходным валом с тахометром системы контроля превышения скорости, с помощью которого происходит отключение привода перемещения при достижении захватом нижнего положения. Наведение захвата на грибок чехла поперек камеры с целью компенсации строительных погрешностей осуществляется с помощью плиты с блоками для грузового каната и производится при монтаже тележки на объекте с помощью четырех винтов, (см. Патент РФ на полезную модель №2352516 В66С 17/00, опубликована 03.08.2007 г.).
Анализ системы управления рассматриваемым краном и работой его захвата показывает, что она очень громоздка и сложна в исполнении, поскольку конструктивно состоит из механических узлов типа редукторов, связанных с другими такими же механическими элементами с помощью муфт и соединений, причем наведение оси захвата на заданную точку производится также механически.
Также известна и система определения местоположения полярного крана относительно рельсового пути, которая содержит тележку, механический блок, датчики угловых перемещений и устройство обработки данных.
При этом она имеет устройство наведений моста, в котором датчики угловых перемещений расположены по торцам моста, а также датчики линейных перемещений, расположенные по четырем сторонам моста, причем ось каждого датчика посредством механического блока соединена с торцом кругового рельсового пути. Система также снабжена устройством наведения тележки, в котором датчики угловых перемещений расположены на вилке главного подъема вдоль прямолинейного рельсового пути, а датчики линейного перемещения расположены по торцам тележки вдоль прямолинейного рельсового пути. (см. Патент РФ на полезную модель №52004 В66С 17/00, Е01В 35/00, опубликована 10.03.2006 г).
Данная полезная модель наиболее близко совпадает с предложенной только по функциональному назначению, но набор конструктивных средств реализации у каждой системы принципиально иной. Кроме того, функционирование известной системы осуществляется с учетом только кругового движения крана, и все координаты перемещения тележки рассчитаны программно только на основе использования этого фактора, что пространственно ограничивает ее применение, а отсутствие к тому же в системе средств визуализации работы крана делает ее возможное использование в условиях атомной энергетике маловероятным.
Задача по расширению арсенала систем наведения крана конкретно для центрального зала атомных станций решается путем создания таким ее конструктивным исполнением, которое позволяет расширить универсальность пространственного применения крана, повысить точность выполнения им технологических операций и обеспечить комфортность оператору по управлению краном.
Технический результат - повышение точности наведения крана на координаты центрального зала атомной станции, обеспечение комфортности оператору при управлении краном достигается за счет того, что система имеет в наличии цифровую карту пола центрального зала и два информационно-измерительных канала - цифровой и аналоговый. При этом цифровой измерительный канал включает в свой состав размещенный на мосту крана измеритель координаты его местоположения, измерители координат местонахождения и высоты подвески с крюком, размещенные на тележке, а также прибор наведения и панельный компьютер цифровой карты, установленные на изолированном общем пульте управления краном. В состав аналогового измерительного канала входят телевизионная камера, лазерные целеуказатели, закрепленные на краях тележки с помощью имеющих винтовой механический привод поворотных платформ, позволяющих осуществлять настройку ориентации лучей целеуказателей по азимуту и зениту и предназначенных для наведения образованной световой марки на пол центрального зала в точке проекции крюка крана, телевизионный монитор и блок его управления, которые установлены на изолированном пульте управления работой крана, причем прибор наведения и панельный компьютер цифровой карты представляют собой цифровые устройства и реализуют для обеспечения надежности работы крана сходные функции визуализации положения и формирования сигналов наведения и расположены совместно с телевизионным монитором, образуя единый пульт наведения и контроля за перемещением крана по разрешенному пространству центрального зала. Управление наведением крана на заданную координату осуществляется с помощью единого комплекса средств программного управления.
Прибор наведения при этом представляет собой микропроцессорное устройство (контроллер), имеющий свой блок питания и интерфейс RS-485, а на его передней панели размещены две клавиатуры управления, индикаторы текущих координат и индикаторы прицеливания - «перекрестье».
Система в целом характеризуется тем, что измерители координат местоположения крана и тележки включают в свой состав контроллер, связанный через интерфейс с лазерным дальномером, взаимодействующим с оптическими мишенями.
Для определения местоположения подвески с крюком относительно пола зала система состоит из связанных между собой контроллера, абсолютного шифратора координаты и редуктора, взаимодействующего с приводным колесом.
В качестве первичных измерителей координат местонахождения моста и тележки крана использованы лазерные дальномеры.
Система также характеризуется и тем, что единый комплекс цифровых средств аппаратно-программного управления составлен из соединенных шиной измерителей координат местоположения моста и тележки крана, измерителя координаты местонахождения по высоте подвески с крюком крана относительно пола зала, прибора наведения, панельного компьютера цифровой карты, связанного с ЭВМ общего пользования, при этом все измерительные каналы снабжены общим блоком питания, а работающий автономно аналоговый канал также имеет индивидуальный блок питания и блок управления.
Система автоматического наведения крана на координаты центрального зала атомной станции является новой, так как в источниках информации, в том числе и в Интернете, совокупность предложенных признаков, отраженных в формуле полезной модели не обнаружена.
Предлагаемая полезная модель, как техническое решение промышленно применима, поскольку разработана техническая документация и уже изготовлен опытный образец, который проходит проверку на Курской атомной станции, получены положительные результаты, которые подтверждают достижение указанного в заявке технического результата.
Полезная модель проиллюстрирована чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид системы наведения в горизонтальной плоскости, на фиг.2 показана структурная схема составных элементов системы наведения, общий вид прибора наведения изображен на фиг.3, а на фиг.4 отображена его структурная схема, на фиг.5 показан индикатор прибора наведения, на фиг.6 изображена схема наведения крана в вертикальной плоскости и теленаведения в плоскости зала.
Система автоматического командного наведения крана на координаты центрального зала атомной станции состоит из двух информационно-измерительных цифрового и аналогового каналов 1 и 2 (фиг.2).
Первый цифровой канал предназначен для измерения текущих пространственных координат положения крюка крана, их индикации, формирования сигналов наведения для оператора, визуализации положения крюка крана на экране на цифровой карте зала, регистрации информации в реальном масштабе времени и выдачи блокировочных сигналов на движение крана в «запрещенных областях».
Цифровой измерительный канал 1 включает в свой состав размещенный на мосту 3 крана 4 измеритель 5 координат его местоположения, измеритель 6 координат местоположения тележки 7 моста 3, оптические мишени 8 и 9 определения положения соответственно тележки 7 и моста 3 крана 4, измеритель 10 координаты высоты подвески 11 с крюком 12, мишень 13 отсчета расстояния до пола зала 14 и блок 49 питания, также смонтированные на тележке 7 (фиг.6), а прибор наведения 15 и панельный компьютер 16 цифровой карты зала 14 находятся на отдельном изолированном от зала 14 пульте 17 управления работой крана 4.
z
СТОП
СТОП
При этом измерители 5 и 6 координат местоположения крана 4 и тележки 7 состоят из лазерных дальномеров 18, взаимодействующих с оптическими мишенями 8 и 9, связанных через интерфейсы 19 с контроллером 20 расчета координаты по осям Х и Y, соединенным интерфейсом RS485 и общей шиной 21 с прибором наведения 15, а также и с панельным компьютером 16 цифровой карты, результаты обработки цифровых сигналов которого выводятся на ЭВМ 23 общего применения. Несколько по иному выглядит измеритель 10 координаты высоты крюка 12. Это обусловлено тем, что, во-первых, технически сложно применить лазерный дальномер на координате высоты Z, а во-вторых, наличием зубчатого редуктора на оси привода лебедки подъема крюка 12 с возможностью использования одного из колес для передачи вращательного движения на вал датчика, для чего на него устанавливается зубчатое колесо из капролона, прижимаемого к колесу имеющегося редуктора. Такая конструкция позволяет обеспечить однозначное положение вала датчика относительно положения крюка 12 крана (за счет срезания капролоновых зубьев в случае заклинивания). Поэтому измеритель 10 координаты Z высоты крюка 12 включает приводное колесо редуктора 24, угловое положение α которого передается в абсолютный шифратор 25 координаты, откуда сигнал поступает в контроллер 26 координаты высоты, соединенный через интерфейс RS485 и общую шину 21 с прибором наведения 15. Этот прибор наведения конструктивно выполнен в виде двух модулей и размещен в центральной части передней панели 27 пульта 28 управления наведением крана. Первый модуль прибора наведения 15 содержит индикаторы 29 текущих координат X, Y положения крюка 12. В центре прибора размещается индикатор 30 наведения, типа «перекрестье», левая и правая клавиатуры 31 и 32 установления координат Х и Y точки, на которую необходимо осуществить наведение крана 4. Координаты этой точки отображаются на ЖК индикаторах 33 и 34. Здесь же находятся и индикаторы - транспаранты 35 и 36 (Х и Y), т.е. сигналы, предупреждающие о приближении крана к запрещенной зоне. Под панелью этого модуля размещается звуковой индикатор 50, оповещающий оператора о «запрещенной зоне». Конструктивно первый модуль представляет собой микропроцессорное устройство (контроллер) 37, имеющий блок 38 питания и интерфейс RS485 (фиг.4). Причем первая клавиатура 31 предназначена для задания координат 25-ти запрограммированных точек (А, В, С и т.д.) пола зала 14. Вторая клавиатура 32 - цифровая необходима для задания координат конечного перемещения крана. Микропроцессорное устройство 37 снабжено флеш-памятью 39. При работе прибора наведения 15 одновременно на перекрестье индикатора 30 зажигаются две линейки светодиодов 22, сигнализирующие направление движения моста 3 и тележки 7 крана 4. Задачей оператора является такое управление движением. Чтобы минимизировать количество горящих сегментов светодиодов 22 от периферии к центру индикатора 30. Гашение всех красных сегментов индикатора 30 свидетельствует о совпадении текущих и заданных координат по осям Х и Y, т.е совпадение проекции осевой крюка 11 с заданной точкой А центрального зала 14.
Например, наличие горящих сегментов говорит о том, что нужно перемещать мост 3 крана вперед, при этом будет происходить гашение сегментов светодиодов 22 по оси X, и перемещать тележку влево, при этом будет происходить гашение сегментов индикатора 30 по оси Y (фиг.5).
Второй модуль представляет собой выносной индикатор 40 координаты местоположения крюка 12 крана 4 по высоте относительно пола.
В левой части пульта 28 размещается панельный компьютер 16 цифровой карты пола зала 14, который при помощи той же шины 21 данных, что и прибор наведения 15 связан с измерителями 5, 6 и 10 координат. Компьютер 16 формирует на мониторе карту центрального зала 14 с учетом зон 41 запрета, отметку положения крюка 12 подвески 11 крана 4, заданную отметку, выбранную для наведения, а также значения соответствующих координат. Управление компьютером 16 осуществляется при помощи «мыши». Компьютер 16 осуществляет регистрацию процесса наведения в реальном масштабе времени, а также регистрацию информации, поступающей от весового измерительного устройства (на фиг. не показано) и других вспомогательных устройств.
Наведение по экрану компьютера 16 осуществляется следующим образом. Оператор при помощи курсора выбирает требуемую точку наведения А на цифровой карте зала 14 и фиксирует эту отметку. Одновременно индицируются координаты этой точки. Действительное положение крана 4 отмечается на экране другой отметкой. Управляя штатными органами крана 4, оператор добивается совпадения отметок, выполненных в виде перекрестия. Компьютер 16 цифровой карты зала 14 является цифровым устройством и реализует сходные функции визуализации положения и формирования сигналов наведения с прибором наведения 15 и расположен совместно с ним и монитором 47 на единой панели 27, образуя единый пульт автоматического наведения и контроля за перемещением крана 4 по разрешенному пространству центрального зала с помощью единого комплекса средств аппаратно-программного управления.
СТОП
СТОП
При приближении к «запрещенным» зонам 41 на экране формируется надпись «запретная зона» и формируется звуковой сигнал и загораются индикаторы-транспаранты 35 и 36 (Х и Y). В качестве компьютера 16 может быть выбран промышленный панельный персональный компьютер 12,1 дюймовым ЖК-дисплеем на базе процессора Celeron фирмы ADVANTECH.
Измерители 5, 6 и 10 координат местоположения и высоты крюка 12 составляют подсистему постоянного определения положения крана 4 с тележкой 7 в пространстве зала 14.
В состав измерителей 5 и 6 в качестве первичных преобразователей координат входят дальномер 18 лазерный с интерфейсом. Для применения в измерителях 5 и 6 могут быть выбраны дистанционные лазерные измерители PD28, класс лазера 5 пт, класс 2 (1ЕС827-1) с интерфейсом RS232.
Второй аналоговый канал 2 предназначен для наведения на выбранную точку путем совмещения с ней световой марки на полу центрального зала 14 при одновременном наблюдении за процессом захвата, переноса и установки специзделий. В состав данного канала входят два лазерных целеуказателя 41, телевизионная камера 44, блок 45 управления и отдельный блок 46 питания и видеомонитор 47. Телевизионная камера 44 и лазерные целеуказатели 41 устанавливаются в качестве навесного оборудования на тележке 7 крана 4, а телевизионный монитор 47, блок 45 управления и блок 46 питания смонтированы на пульте 17 управления наведения крана. Второй аналоговый канал можно разделить по функциональному назначению на подсистему лазерного целеуказания и подсистему видеонаблюдения.
3
Для обеспечения работы оператора при наведении по оптическому аналоговому каналу 2 используется подсистема лазерного целеуказания (фиг.6). В ее состав входят два лазерных целеуказателя 41, закрепленных на краях тележки 7. Такое их размещение исключает затенение лучей подвеской 11 с крюком 12 крана 4. Целеуказатели 41 формируют световую марку А на полу центрального зала 14 в точке проекции крюка 12 крана 4. При изменении уровня пола (выше или ниже номинальной отметки) проекции крюка 12 соответствует равносигнальная зона между двумя световыми марками. С учетом высоты зала 14, его освещенности и отражающих свойств материала пола центрального зала в качестве источников света выбраны лазерные целеуказатели типа «Кванта, поскольку их конструкция позволяет выдерживать удары и вибрацию, а сами излучатели устойчиво работают в широком диапазоне температур. Лазерные целеуказатели 41 размещены на поворотных платформах 42 с винтовым механическим приводом 43, позволяющим осуществлять настройку ориентации луча по азимуту и зениту. А для визуального контроля в процессе загрузки-выгрузки специзделий в центральном зале 14 и для оптического наведения крана 4 по лазерным целеуказателям 41 используется подсистема видеонаблюдения, основу которой составляет цветная видеокамера 44 и трансфокатор с дистанционным управлением. Подсистема видеонаблюдения работает автономно и имеет отдельные кабели питания и передачи информации от коммуникаций координатного наведения первого измерительного цифрового канала. Это обеспечивает возможность выполнения задач при отказе одной из них. При работе подсистемы видеонаблюдения изображение с видеокамеры 44 передается на видеомонитор 47. Телевизионная камера 44 питается напряжением 12 В от блока питания 46, а управление ее видеообъективом и фокусировкой осуществляется дистанционно с пульта 17 управления. Диафрагма регулируется автоматически, в зависимости от освещения (фиг.2). Цветная видеокамера может быть выбрана, например, марки CDCP 9313/LV фирмы Baxall, а трансфокатор фирмы Tamron 12215×2 Англия, с максимальной дозой радиационного облучения, равной 10 рад/час.
Все операции по наведению и перемещению крана 4 в центральном зале 14 осуществляются с помощью единого комплекса средств аппаратно-программного управления, в частности контроллеров расчета координат местоположения крюка 12 крана, микропроцессора 37 прибора наведения 15, панельного компьютера 16 цифровой карты. ЭВМ общего применения и программы, написанной на языке высокого уровня «Delphi». Программа предназначена для панельного компьютера 16, входящего в пульт 28 наведения крана 4 центрального зала 14. Через интерфейс RS-485 компьютера 16 программа контролирует данные, переданные с лазерных дальномеров 18 и сдатчиков положения на прибор наведения 15, а также выдает контроллеру 37 сигнал приближения крана к запрещенным зонам. Программа отображает на мониторе 48 панельного компьютера 16 цифровую карту зала 14, отметку положения крюка 12 крана, заданную отметку А, выбранную для наведения, а также значения соответствующих координат. Панельный компьютер 16 осуществляет регистрацию процесса наведения в реальном масштабе времени, а также регистрацию информации, поступающей от весоизмерительного и других устройств. Программа создает LOG файлы для регистрации возникающих событий, оповещает оператора о внештатных ситуациях. Программ также:
- обеспечивает подключение к компьютеру 16 интерфейса RS-485;
- производит автоматический старт при включении компьютера 16;
- ведет электронный журнал работы, в котором фиксируются основные события и внештатные ситуации;
- формирует на экране компьютера 16 в реальном масштабе времени уровень координаты Z положении крюка 12 крана 4;
- регистрирует в память измеряемые и пороговые значения…;
- при работе с «мышью» (трекболом или сенсорным экраном) обеспечивает режим выбора на цифровой карте зала 14 точки наведения.
Программа также выдает сообщения, связанные с работой системы наведения, в частности, например, при отсутствии ответа от прибора наведения 15 на экране компьютера 16 выдается сообщение: «Нет ответа от прибора наведения. Можно перейти на управление от компьютерам».
Для работы программы необходим IBM PC (ЭВМ) совместимый компьютер с установленной на нем операционной системой Windows 2000. В качестве компьютера используется малогабаритный панельный персональный компьютер фирмы Advantech PPC-S123T.
Система автоматического командного наведения крана на координаты центрального зала атомной станции работает следующим образом.
После включения блока питания 46 подсистемы видеонаблюдения аналогового канала 2, визуально на полу зала 14 отмечают образованное лазерными целеуказателями 41, настроенными с помощью платформ 42 на заданный угол пересечения лучей в точке А пола зала 14 пятно-световую марку. Настройкой фокусировки телевизионной камеры 44 и трансфокатора устанавливают необходимый режим четкого изображения видеосистемы. На экране правого монитора 47 отмечают наличие световой отметки на полу зала 14. Затем включают питание - блок 49 компьютера 16 цифровой карты и прибор наведения 15.
На приборе наведения 15 высветятся реальные координаты местоположения Х и Y тележки 7 и крана 4 и значение высоты Z крюка 12 подвески 11. На компьютере 16 цифровой карты появится картинка с картой зала 14 и окном 40 координаты высоты Z со светящимся столбиком, индицирующим положение крюка 12 подвески 11 относительно тележки 7 крана 4. Засвечиваются специальные окна, предназначенные для индикации сигнала «Стоп» по соответствующей координате. На карте зала 14 обозначатся два перекрестия - красное с заданными координатами, и зеленое с реальными. В окнах обозначаются реальные координаты крюка 12 подвески 11.
На приборе наведения 15 зажженные сегменты 22 индикатора 30 показывают отклонение реальных координат от заданных. При включении автоматически в качестве координат цели устанавливаются парковочные координаты местоположения тележки 7 и моста 3 крана 4. Далее, органами подъема крана опускают крюк 12 до касания пола и устанавливают высоту Z, равной 0, нажатием кнопки «0» и «Enter». Цифровой клавиатурой 32 на приборе наведения 15 вводят значения заданных координат. Заданные значения координат конечного перемещения крана 4 автоматически передаются в компьютер 16 цифровой карты, и на экране красное перекрестье переместится в заданное положение.
При выключенном приборе наведения 15 или при его отказе установка координат наведения может осуществляться при помощи «мыши» компьютера 16 цифровой карты, перемещая ее по оси Х или Y, с индикацией координат в соответствующем окне.
Наведение осуществляется по прибору наведения 15, минимизируя количество сегментов 22 красного свечения индикатора 30, при этом следует иметь ввиду наличие запрещающей индикации, предупреждающей о приближении к запретной зоне.
При конечном наведении крана 4 на заданную точку А индикатор 30 «перекрестье» цвет свечения с красного меняет на зеленый, что свидетельствует о завершении процесса наведения и остановки движения крана. После завершения загрузочно-разгрузочных работ процесс наведения крана на заданную точку повторяется вновь.
Предложенная система позволяет повысить точность наведения крюка крана на необходимую точку центрального зала до ±5 мм при движении и ±2 мм при его остановке, а также обеспечить комфортность работы оператора за счет автоматизации процесса наведения.
Информация, принятая во внимание при оформлении заявки
1. Патент РФ на изобретение №2090486 В66С 17/00, опубликован 20.09.1997 г.;
2. Патент РФ на изобретение №2261302 Е01835/00, опубликован 27.09.2005 г.;
3. Патент РФ на изобретение №2424932 В61К 9/00, Е01В 35/00;
4. Патент РФ на изобретение №2385446 G01С 4/08, опубликован 27.03.2010 г.;
5. Заявка РФ на изобретение №94040321 В66С 17/00, опубликована 20.09.2006 г.;
6. Патент РФ на полезную модель №111532 В66С 17/00, опубликован 20.12.2011 г.;
7. Заявка РФ на изобретение №2005100880 В66С 1/00, опубликована 10.05.2005 г.;