福清核电装卸料机仿真培训系统的实现

福清核电装卸料机仿真培训系统的实现

陶幼林何泰烽

（福建福清核电有限公司维修支持处福建福清）

摘要：为实现核燃料操作人员的培训自主化，福清核电开发配置了一套PLC控制系统来控制基于VC及Opengl开发的装卸料机模拟机，其PLC接收来自于模拟机控制柜操作台及HMI的操作信息，在内部进行逻辑运算，输出控制信号到装卸料机模拟机，控制装卸料机模拟机按要求运行，模拟机将模拟的大小车、主提升编码器位置，主提升载荷，抓具状态等信息反馈给PLC进行逻辑连锁。

一、前言

装换料工作作为核电厂停堆大修期间的关键路径项目和重大高风险作业，装卸料机操作人员在上岗前需要接受大量的培训，包燃料操作岗位的培训授权及大修前的复训等。而装卸料机处于反应堆堆芯上方，该位置在核电厂机组日常功率运行期间剂量率极高，无法进行装卸料机操作员的实操培训，而大修期间，受制于机组状态也无窗口供装卸料机操作员进行操练。而装卸料机操作员的技能水平对装卸料工作的安全、进度至关重要，因此，前期福清核电均安排燃料操作人员前往部分配置全尺寸装卸料机模拟机的培训基地进行实操培训。为改变现状，福清核电开发配置了一套基于虚拟现实技术的PLC程序控制的半实物仿真培训系统，虚拟部分利用计算机软件模拟装卸料机及其工作环境，代替造价昂贵的实体装卸料机及场地。操作人员通过操作操作台上的操作杆、操作按钮或人机界面，向PLC输入操作指令，这些指令并经过内部逻辑运算后，即可控制装卸料机模拟机按操作人员的操作指令动作，并在环境大屏幕上以及水池大屏幕上呈现出厂房环境、设备、燃料组件的状态，还原装卸料机操作真实场景，可以作为装卸料机操作人员的培训设备。

二、仿真培训系统工艺流程

装卸料机仿真培训系统具备正常装卸料状态下的燃料从堆芯到RX侧倾翻机卸料及从RX侧倾翻机到堆芯的装料功能。装卸料机有4个自由度，即大车的前后运动、小车的左右运动、主提升的上升和下降以及抓具的抓取/释放，以完成装卸和转运燃料组件的任务。

为了燃料组件装卸过程中的安全，装卸料机采集大小车编码器信息，由软件通过计算建立了运行安全区域包含反应堆堆芯区、中间区、转运区三个区域，使装卸料机在不同区域实现不同的速度控制以及优化燃料组件装卸过程中大小车的路径。

根据装卸料机所处区域、提升时相对反应堆堆芯的位置和主提升提升高度，要求PLC能自动调整主提升的运行速度。主提升的运行方式又分为正位和偏位运行两种方式，正位运行时主提升在目标位置的正上方运行，在一定高度范围内要求主提升以较低的速度运行，偏移模式时装卸料机偏离目标一定距离运行，主提升能以较高的速度运行。

装卸料机模拟机的控制方式分为手动模式、半自动模式和全自动模式，在手动模式下可以对装卸料机模拟机的各个执行机构进行单独手动操作；在半自动模式下，预先通过选择需要定位的坐标位置，装卸料机模拟机大车、小车将在PLC程序的自动控制下运行，直至到达目标位置。全自动模式则是预先通过excel表定义了装卸料机模拟机的移动单装卸顺序文件，操作人员在HMI上载入料单装卸顺序文件后，PLC会读移动单顺序文件，并根据步骤信息，控制装卸料机模拟机根据移动单单顺序文件自动装卸目标燃料组件，直到完成移动单顺序文件中的工作内容。需要指出的是，在半自动模式与全自动模式下，大车与小车的自动运行会在人工干预时中断，而且起升机构的操作仍由手动操作完成。

装卸料机仿真培训系统除了能够实现正常的燃料组件装卸操作外，还能实现包括超载、欠载、燃料组件变形、堆芯异物导致组件偏斜（或倾倒）、堆芯燃料组件破损（释放气泡）、剂量率高报警、大车轨道存在异物、中子通量高报警、换料水池水位下降等异常工况模拟。

三、仿真培训系统结构及通信

该装卸料机仿真培训系统结合虚拟现实技术，建立了一个直观而又真实的沉浸式的装卸料机仿真培训系统，整体系统结构如图3所示，共分为3个模块:装卸料机模拟机工艺控制系统、仿真系统、教控系统。

装卸料机模拟机及其工作环境视景模块包括基于VC开发的装卸料机模拟机及其工作环境软件系统和两台主从显示器。主显示器为LED大屏位于装卸料机仿真培训系统所在教室的墙壁上，画面显示装卸料机模拟机、虚拟工作环境及系统操作交互UI(提供给教员及装卸料机操作员全方位查看当前操作全过程中装卸料机的详细运行情况)；从显示器用于模拟装卸料机小车台架上玻璃视窗所观察到的水池画面(提供给装卸料机操作员观察)。

装卸料机仿真操作台模块上安装有操作手柄、按钮和指示灯等，主要功能是接收操作人员对大小车和主提升的控制指令并将信号发送到PLC中，例如:大车、小车的前后左右手柄信号、主提升的上升、下降手柄信号、抓具的释放/锁紧按钮信号等。操作台上的触摸屏模块显示装卸料机的大致运行状况(包括大小车所在区域信息、坐标信息、主提升的坐标等)、故障状态的报警和记录以及故障诊断。

虚拟设备与实体设备的通信是实现虚实联动的关键技术，本系统各模块信息交互如图4所示。PLC与操作台各元器件通过PLC数字量及模拟量输入输出模块连接，主要传送开关信号、按钮信号、操纵杆信号等;与触摸屏HMI通过TCP/IP以太网连接，主要传送运行状态信息、故障信息、故障诊断信息、操作指令信息等;与装卸料机模拟机及其环境视景模块通过TCP/IP以太网连接，主要传送大小车及抓具的位置信息、逻辑联锁信息等。

PLC控制模块采用西门子PLCS7-315，通过一块CP343-1以太网通信模块与装卸料机模拟机进行通信，接收其状态信息和向其发送控制信息。PLC采集控制台上按钮、开关、指示灯、操作手柄、触摸屏画面操作指令信号；PLC对信息进行逻辑运算后，将逻辑运算结果、指令发送给PC机图形工作站，由PC工作站实现虚拟设备动作，并最终在场景显示器和摄像头显示；PLC对信息进行逻辑运算后，在得到仿真工作站反馈的模拟现场设备状态后，将仿真设备信号及逻辑联锁结果反馈给控制台，在触摸屏、LED显示屏显示相关设备状态及参数值，或触发指示灯和报警器；

PLC逻辑联锁模块主要设计实现以下功能：

1）周期性调用模块－主程序,包括子程序模块调用，触摸屏数据处理。

2）100ms中断模块，接收来自仿真系统数据。接收仿真系统发送过来的大小车位置坐标、行驶方向，主提升的高度信息，抓取料过程中燃料的物理状态模拟信息等。

3）操作台按钮开关预处理，对操作台输入信号进行滤波处理。

模拟限位开关处理，根据大车、小车、抓具高度相关配置参数，判断相关限位是否到位。在进行抓取料过程当中对抓取机的运动进行连锁控制。

4）接收数据分派程序，根据从仿真机通讯接收指令码，分派给不同的处理模块处理。

5）大车行走控制程序，根据实时大车位置，判断大车允许前进、后退条件，根据操作指令，对大车进行方向和速度控制。

6）小车行走控制程序，根据实时小车位置，判断小车允许左行、右行条件，根据操作指令，对小车进行方向和速度控制。

7）主提升控制程序，根据实时主提升位置，判断主提升允许上升、下降条件，根据操作指令，对主提升升降进行方向和速度控制。

8）抓具啮合脱扣控制程序。

9）大车相关配置数据接收处理程序。

10）小车相关配置数据接收处理程序。

11）主提升相关配置数据接收处理程序。

12）其它配置相关数据接收处理程序。

13）a操纵杆I/O信号接收处理程序。

14）b操作面板LED显示屏控制程序。

15）c操作面板指示灯控制程序。

16）d操作面板指示灯控制程序。

17）其他逻辑连锁控制程序。

18）100ms周期发送状态数据给仿真系统数据处理程序。

装卸料机过程仿真模块用于模拟主提升、大小车伺服电机、外部电气设备的I/O动作及反馈（包括位置测量装置、称重装置以及各种传感器等），以及其他机电设备的仿真运行模型，同时可以仿真设定装卸料机的各种运行场景，制造出异常与故障运行情况。

19）3D呈现仿真计算机系统与过程仿真计算机系统连接，接收场景指令，以3D图形方式向操作人员呈现相关燃料操作设备的直观运行情况。过程仿真装卸料机控制柜将与过程仿真PLC系统连接，用于快速进行仿真系统的相关模拟设定，或快速干预仿真系统的相关过程运行，抑或为仿真系统和工艺控制系统快速制造相关人工异常逻辑。

四、系统开发平台及开发语言

1）PLC逻辑连锁开发：西门子STEP7

2）HMI画面开发：西门子WINCC

3）三维建模软件：AutodeskInventor、3dsMax

4）三维仿真开发平台：BaosightVR

5）三维仿真开发语言：C++

6）上位软件界面及交互界面：C#

7）操作系统环境：WIN7

8）系统亮点及创新点

9）系统具备丰富的故障数据库，能够模拟弯曲燃料组件的装卸；

10）能够模拟装载过程中小靴帮与燃料组件之间的物理碰撞及导向作用；

11）提供与现场摄像头视角一致的虚拟摄像头画面供操作员观察，使培训操作过程更加真实；

12）教员能够根据需要随时插入故障及异常工况对学员进行考核。

总结

本装卸料机模拟机操作培训系统由PLC电控系统、WinCC组态画面及3D虚拟仿真平台等模块构成，PLC与装卸料机模拟机及WinCC画面采用以太网通信，具有较强的实时性，装卸料机模拟机的运动及WinCC画面的状态更新无时滞，装卸料机模拟机的操作逻辑及工艺流程与实际中的装卸料机完全一样，具有很强的真实感和沉浸感。采用装卸料机模拟机来模拟进行操作人员的培训，即使有不正当的操作指令，也不会造成设备的损坏，并能在培训过程中随时插入异常场景，能完全满足操作人员的培训要求。

参考文献

[1]装卸料机仿真培训系统技术规格书，福建福清核电有限公司.

[2]装卸料机设计说明书，中国核电工程有限公司，2008.

[3]黄凯强，虚拟装卸料机PLC控制系统的实现.冶金自动化.2017.41（2）.