專利名稱：一種壓水堆核電廠裝卸料操作工藝仿真系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維虛擬仿真系統(tǒng)，具體涉及一種核電廠裝卸料操作工藝仿真系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
核電廠裝卸料機(jī)安置在安全殼內(nèi)部，由于安全殼內(nèi)部具有很高的放射性，使得對裝卸料操作人員的培訓(xùn)有很大的不便。為使工作人員達(dá)到熟練操作的目的，核電廠普遍采用裝卸料操作模擬機(jī)的訓(xùn)練方法培訓(xùn)工作人員。然而，這種模擬機(jī)設(shè)備造價(jià)昂貴且受培訓(xùn)人員數(shù)量和場地限制，不能完成大量初學(xué)學(xué)員的培訓(xùn)任務(wù)。更重要的是，無法設(shè)置出現(xiàn)機(jī)械及電氣硬件故障或重現(xiàn)故障來培訓(xùn)操作員應(yīng)對異常情況的能力。
當(dāng)前廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性、交互性、構(gòu)想性的特點(diǎn)?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝卸料機(jī)操作工藝仿真系統(tǒng)，可提供在虛擬堆芯環(huán)境中進(jìn)行觀察、分析、操作和控制能力，達(dá)到裝卸料操作人員的培訓(xùn)目的。 但由于核電廠堆型不同，涉及的裝備、堆芯布置、工藝流程等都有差異，適用于某一電站的裝卸料機(jī)操作工藝仿真系統(tǒng)并不適用于培訓(xùn)另一種堆型的電站裝卸料操作人員。在當(dāng)前先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)發(fā)展的背景下，針對新型核電廠的裝卸料操作工藝仿真平臺亟需研發(fā)和增強(qiáng)培訓(xùn)功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于建立先進(jìn)壓水堆核電廠裝卸料機(jī)的虛擬操作仿真平臺，模擬核電廠完整的裝卸料操作過程和工藝流程，模擬各種異常、故障狀態(tài)的發(fā)生和解除，同時(shí)增加關(guān)鍵部件虛化展示、視頻錄制回放的輔助功能，以增強(qiáng)其培訓(xùn)作用。整個(gè)仿真平臺支持交互式操控，也使得能更好地培訓(xùn)壓水堆核電廠裝卸料機(jī)操作人員。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括由LED顯示屏、觸摸屏和由按鈕、開關(guān)、操縱桿、指示燈、報(bào)警器構(gòu)成的元器件部分組成的操作控制臺，由可編程序控制器PLC、PC機(jī)圖形工作站組成的信息通訊和處理裝置，由場景顯示器組成的顯示裝置，以及工控機(jī)，所述的操作控制臺是依照實(shí)際裝卸料系統(tǒng)的操作臺等比例制作的，其中所述的操作控制臺中的LED顯示屏、觸摸屏與所述工控機(jī)相連接，所述工控機(jī)與所述信息通訊和處理裝置中的可編程序控制器PLC相連接，所述元器件部分與所述信息通訊和處理裝置中的可編程序控制器PLC相連接，所述可編程序控制器PLC與所述PC機(jī)圖形工作站相連接，所述PC機(jī)圖形工作站與所述顯示裝置相連接；所述元器件部分中的按鈕、開關(guān)、操縱桿是發(fā)送指令控制裝卸料機(jī)系統(tǒng)的，所述LED顯示屏、元器件部分中的指示燈、報(bào)警器是接收指令信號進(jìn)行相關(guān)信息顯示和報(bào)警的，所述觸摸屏是顯示控制模塊，發(fā)送控制指令同時(shí)也能接收信息并顯示，所述可編程序控制器PLC是實(shí)現(xiàn)信號的輸入、輸出和處理的，用于采集所述操作控制臺的信號，處理后發(fā)送給PC機(jī)圖形工作站來控制虛擬現(xiàn)場的裝卸料機(jī)動作，同時(shí)接收所述PC機(jī)圖形工作站反饋的虛擬現(xiàn)場信息，處理后發(fā)送給所述操作控制臺的觸摸屏和LED顯示屏顯示，同時(shí)點(diǎn)亮操作控制臺的指示燈或觸發(fā)報(bào)警器，PC機(jī)圖形工作站是處理來自可編程序控制器PLC的指令、控制三維虛擬裝卸機(jī)的動作、同時(shí)將虛擬裝卸料機(jī)相關(guān)狀態(tài)反饋給所述可編程序控制器PLC并在所述操作控制臺顯示，虛擬裝卸料機(jī)動作場景通過直接與PC機(jī)圖形工作站相連的所述顯示裝置進(jìn)行顯示，所述顯示裝置除了所述場景顯示器外還包括有攝像頭顯示器，其中所述的場景顯示器是顯示實(shí)際現(xiàn)場操作員所能觀察到的堆芯場景，所述的攝像頭顯示器是顯示堆芯中攝像頭捕捉的實(shí)時(shí)場景；所述的操作控制臺中觸摸屏還包括下述功能模塊信息顯示模塊用于顯示裝卸料機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)動畫、運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)以及異常、故障情況的提示和報(bào)警；觸敏控制模塊用于發(fā)出控制指令，對裝卸料機(jī)進(jìn)行運(yùn)動控制，選擇手動/自動/半自動運(yùn)動模式，解除報(bào)警故障以及進(jìn)行界面之間切換；料單加載模塊用于在自動運(yùn)行模式下，從系統(tǒng)硬盤直接載入裝/卸料單文件，由系統(tǒng)自動讀取相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動控制虛擬裝卸料機(jī)進(jìn)行裝卸動作；·堆芯圖更改模塊用于在裝載/卸料之前允許操作員對堆芯燃料布局情況進(jìn)行設(shè)置更改；界面模塊形成操作過程中不同階段的操控界面，包括登入界面、登出界面、主界面、堆芯界面、提升機(jī)構(gòu)界面、系統(tǒng)故障報(bào)警和處理界面、報(bào)警提示界面、偏位操作界面；所述的信息通訊和處理裝置中的可編程序控制器PLC還具有下述功能模塊聯(lián)鎖判斷模塊根據(jù)大小車、提升機(jī)構(gòu)的聯(lián)鎖條件判斷是否存在聯(lián)鎖，并設(shè)定聯(lián)鎖后的運(yùn)動狀態(tài)；異常、故障判斷模塊根據(jù)設(shè)定的裝卸料機(jī)各運(yùn)行參數(shù)閾值，判斷是否出現(xiàn)異常、故障狀態(tài)，設(shè)定觸發(fā)異常、故障狀態(tài)后的運(yùn)行狀態(tài)；偏位操作模塊根據(jù)偏位算法判斷大小車偏位位置，設(shè)定偏位運(yùn)行時(shí)的運(yùn)動狀態(tài)；所述的信息通訊和處理裝置中的PC機(jī)圖形工作站還具有下述功能模塊圖形工作站模塊實(shí)現(xiàn)虛擬裝卸料機(jī)動作，還能夠模擬現(xiàn)場設(shè)備、儀器儀表的物理屬性和工作仿真，實(shí)現(xiàn)溫度測量儀、載荷測量儀、驅(qū)動器及編碼器功能的仿真；異常狀態(tài)模擬功能模塊將現(xiàn)場設(shè)備、儀器儀表作為故障源載體，使自身進(jìn)入故障狀態(tài)從而模擬產(chǎn)生電氣、機(jī)械異常情況和故障，能夠模擬燃料超載、欠載、最大超載、行程旁路聯(lián)鎖、載荷測量儀對比錯(cuò)誤、編碼器對比錯(cuò)誤、爪具汽缸氣壓低、傾翻機(jī)未豎立、大車/小車/提升機(jī)構(gòu)運(yùn)動失效、套筒不在O位置、鑰匙開關(guān)聯(lián)鎖旁路、彎曲組件放置、組件裝填、爪具聯(lián)鎖的系統(tǒng)常見異?；蚬收锨闆r；部件虛化模擬模塊對裝卸料機(jī)提升機(jī)構(gòu)復(fù)雜部件結(jié)構(gòu)及爪具動作過程進(jìn)行層層虛化展示；視頻錄制和回放模塊記錄裝料/卸料操作過程，回放文件記錄的操作過程，回放過程支持漫游查看；三維模型設(shè)置模塊修改堆芯單元燃料放置情況，設(shè)置彎曲燃料，并對虛擬設(shè)備的異常、故障情況進(jìn)行觸發(fā)；攝像頭場景模塊控制攝像頭場景及攝像視角的切換。本發(fā)明的仿真工藝系統(tǒng)具備完整實(shí)現(xiàn)以下裝卸料操作過程根據(jù)壓水堆核電廠燃料廠房及系統(tǒng)工藝流程的情況，裝卸料機(jī)在堆芯位置(157個(gè)工位)、傾翻籃位置(I個(gè)工位)之間裝卸運(yùn)輸燃料組件。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)I)本發(fā)明提供的裝卸料操作工藝仿真系統(tǒng)是國內(nèi)第一臺模擬先進(jìn)壓水堆裝卸料機(jī)操作培訓(xùn)的模擬仿真系統(tǒng)，其嚴(yán)格按照真實(shí)裝卸料機(jī)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，符合其工藝要求和操作流程；2)虛擬場景真實(shí)、生動、準(zhǔn)確反映了實(shí)際場景中元素，著色逼真，模擬對象豐富，同時(shí)賦予仿真對象以各種物理屬性，仿真的數(shù)據(jù)更可靠，真實(shí)感更強(qiáng)；3)對各種常見“異常狀態(tài)”或“故障狀態(tài)”進(jìn)行模擬，允許操作員進(jìn)行交互操作和消除故障，增強(qiáng)了對操作員應(yīng)對異常狀態(tài)能力的培訓(xùn)；
4)具有部件虛化展示功能，輔助操作員更好理解關(guān)鍵部件的組成和機(jī)械聯(lián)鎖原理；5)具有觸摸屏界面控制功能，增強(qiáng)了邏輯性和交互性，簡化了硬件操控臺布局，操控界面豐富完善，與真實(shí)裝卸料機(jī)的觸摸屏界面一致；6)具有操作步驟錄制回放功能，能夠查看學(xué)員操作中存在的問題，增強(qiáng)了培訓(xùn)效果;7)可進(jìn)行后續(xù)功能擴(kuò)展，持續(xù)更新實(shí)際電廠運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)的異常狀況和故障狀態(tài)，擴(kuò)展故障模擬庫。利用該仿真系統(tǒng)，可以有效培訓(xùn)裝卸料操作人員，并能不破壞機(jī)械及電氣設(shè)備情況下，實(shí)現(xiàn)對操作員的有效培訓(xùn)。


圖I是本發(fā)明的原理方框2是本發(fā)明的操作程序流程I中1.操作控制臺2.信息通訊和處理裝置3.顯示裝置
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖I所示，本發(fā)明的裝卸料操作工藝仿真系統(tǒng)主要包括LED顯示器、觸摸屏和由按鈕、開關(guān)、操縱桿、指示燈、報(bào)警器構(gòu)成的元器件部分組成的操作控制臺I、由可編程序控制器PLC、PC機(jī)圖形工作站組成的信息通訊和處理裝置2、由場景顯示器和攝像頭顯示器組成的顯示裝置3，以及起連接轉(zhuǎn)換作用的工控機(jī)。圖I中的操作控制臺I是依照實(shí)際裝卸料系統(tǒng)的操作臺等比例設(shè)計(jì)的。其中LED顯示器、觸摸屏與工控機(jī)連接，元器件部分與可編程序控制器PLC連接，可編程序控制器PLC與PC機(jī)圖形工作站連接，PC機(jī)圖形工作站與顯示裝置連接，按鈕、開關(guān)、操縱桿是發(fā)送指令控制裝卸料機(jī)的，指示燈、報(bào)警器是接收指令信號進(jìn)行相關(guān)信息顯示和報(bào)警的，可編程序控制器PLC將采集到的操作控制臺I的信號處理后發(fā)送給PC機(jī)圖形工作站來控制虛擬現(xiàn)場的裝卸料機(jī)動作，同時(shí)接收PC機(jī)圖形工作站反饋的虛擬現(xiàn)場信息，處理后發(fā)送給觸摸屏和LED顯示屏顯示，同時(shí)點(diǎn)亮操作控制臺I的指示燈或觸發(fā)報(bào)警器，PC機(jī)圖形工作站是處理來自可編程序控制器PLC的指令，控制三維虛擬裝卸料機(jī)的動作，同時(shí)將虛擬裝卸料機(jī)相關(guān)狀態(tài)反饋給可編程序控制器PLC并在操作控制臺I上顯示，虛擬裝卸料機(jī)動作場景通過直接與PC機(jī)圖形工作站相連的所述顯示裝置3進(jìn)行顯示，場景顯示器顯示實(shí)際現(xiàn)場操作員所能觀察到的堆芯場景的，攝像頭顯示器顯示堆芯中攝像頭捕捉的實(shí)時(shí)場景。觸摸屏顯示界面開發(fā)是利用WinCC組態(tài)界面編程實(shí)現(xiàn)。PC機(jī)圖形工作站設(shè)有上位程序單元及三維虛擬設(shè)備及場景。其中三維虛擬設(shè)備及場景模型借助計(jì)算機(jī)和3Dmax專業(yè)虛擬仿真軟件實(shí)現(xiàn),包括以下模型裝卸料機(jī)大車及軌道、小車及相關(guān)部件、提升機(jī)構(gòu)(包括內(nèi)外套筒、爪具等)、傾翻機(jī)、運(yùn)輸小車、燃料籃及相關(guān)部件、堆芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)、燃料組件、換料水池結(jié)構(gòu)及池內(nèi)相關(guān)設(shè)備。三維虛擬設(shè)備的仿真控制程序即上位程序在Microsoft Visual Studio. NET 2005平臺下用C++和C#編程語言進(jìn)行開發(fā)。虛擬現(xiàn)場設(shè)備的物理屬性模擬及工作仿真包括溫度測量儀仿真，驅(qū)動器仿真，載荷測量儀仿真，編碼器仿真，大車設(shè)備仿真，小車設(shè)備仿真，提升機(jī)構(gòu)設(shè)備仿真，傾翻機(jī)仿真，燃料組件仿真，現(xiàn)場總線I/O設(shè)備仿真。
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可編程序控制器PLC獲取操作控制臺I上按鈕、開關(guān)、指示燈、操作手柄的信號、觸摸屏的指令信號和來自PC圖形工作站的大小車及提升機(jī)構(gòu)位置信息。PLC通過判斷系統(tǒng)聯(lián)鎖條件、系統(tǒng)異常或故障條件以及偏位條件，確定是否對系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖控制，或觸發(fā)異常、故障狀態(tài)，或給出偏位操作提示，允許進(jìn)行偏位操作。PLC對這些信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，一方面將邏輯聯(lián)鎖結(jié)果、指令發(fā)送給PC機(jī)圖形工作站，由工作站調(diào)用相應(yīng)設(shè)備使能指令實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備動作，并最終在場景顯示器和攝像頭顯示器顯示。另一方面將邏輯運(yùn)算結(jié)果反饋給操作控制臺1，在觸摸屏、LED顯示屏顯示相關(guān)設(shè)備狀態(tài)及參數(shù)值，或觸發(fā)指示燈和報(bào)警器?？删幊绦蚩刂破鱌LC邏輯控制程序用梯形圖及機(jī)器語言開發(fā)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)可編程序控制器PLC與PC圖形工作站之間的信息通訊功能。PC機(jī)圖形工作站一面通過網(wǎng)絡(luò)端口傳送字節(jié)數(shù)據(jù)給可編程序控制器PLC，一面解析可編程序控制器PLC通過網(wǎng)絡(luò)端口傳送的字節(jié)數(shù)據(jù)。可編程序控制器PLC與PC圖形工作站通訊過程分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊以及一次性數(shù)據(jù)裝載，其中可編程序控制器PLC發(fā)給PC圖形工作站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有操作臺控制面板信號(操縱桿、按鈕、開關(guān)、指示燈)，可編程序控制器PLC邏輯聯(lián)鎖后發(fā)出的動作指令。可編程序控制器PLC發(fā)給PC圖形工作站的一次性數(shù)據(jù)為大小車及提升機(jī)構(gòu)的加減速度設(shè)置、可編程序控制器PLC聯(lián)鎖相關(guān)參數(shù)配置信息。PC圖形工作站發(fā)送給可編程序控制器PLC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有虛擬現(xiàn)場設(shè)備及狀態(tài)信號，PC圖形工作站發(fā)送給可編程序控制器PLC的一次性數(shù)據(jù)位燃料池區(qū)域劃分信息。裝卸料操作工藝仿真系統(tǒng)，包括操作臺控制顯示模塊(包括信息顯示、觸敏控制、料單加載、堆芯圖更改、界面)、信號處理和通訊模塊(包括聯(lián)鎖判斷、異常、故障判斷、偏位操作、圖形工作站、異常狀態(tài)模擬、部件虛化模擬、三維模型設(shè)置)、場景顯示模塊(包括視頻錄制和回放、攝像頭場景)。裝卸料操作工藝仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)虛擬裝卸料機(jī)及虛擬堆芯環(huán)境有以下步驟I)采集真實(shí)核電站的影像素材，收集裝卸料機(jī)的圖紙資料，借助虛擬仿真軟件建立三維立體模型；2)依據(jù)真實(shí)現(xiàn)場環(huán)境和設(shè)備的顏色、光照、陰影情況對模型進(jìn)行貼圖、著色，并根據(jù)模型與環(huán)境相對位置關(guān)系為模型設(shè)置參數(shù)，包括位置參數(shù)，物理屬性參數(shù)、色調(diào)參數(shù)，以及光影效果參數(shù)；3)通過軟件將三維模型轉(zhuǎn)換至計(jì)算機(jī)可識別圖像，最終合成三維虛擬場景，在軟件編譯平臺上實(shí)現(xiàn)對模型的控制。裝卸料操作工藝仿真系統(tǒng)操作臺控制顯示由觸摸屏、LED顯示屏、元器件部分完成。LED顯示屏用于顯示虛擬裝卸料機(jī)在虛擬堆芯環(huán)境下運(yùn)動時(shí)的參數(shù)值，分別是大車東西向坐標(biāo)值，小車南北向坐標(biāo)值，提升機(jī)構(gòu)垂直向高度值，提升機(jī)構(gòu)實(shí)測載荷值。元器件包括整個(gè)裝卸料過程中所涉及的按鈕、開關(guān)、操縱桿、指示燈、報(bào)警器，其中按鈕、開關(guān)、指示燈、報(bào)警器與異常操作及狀態(tài)提示相關(guān)，操縱桿控制大小車和提升機(jī)構(gòu)的雙向運(yùn)動，其輸出值用于控制大小車和提升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動速度和方向。觸摸屏集成顯示和控制功能于一身，其功能由信息顯示模塊、觸敏控制模塊、料單加載模塊、堆芯圖更改模塊實(shí)現(xiàn)。信息顯示模塊用于在觸摸屏各界面顯示不同的數(shù)值信息、文字信息、動畫信息，實(shí)時(shí)顯示裝卸料機(jī)運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)以及異常、故障情況的提示和報(bào)警；觸敏控制模塊用于通過觸摸屏發(fā)出指令，進(jìn)行運(yùn)動模式選擇，并處理和解除異常、故障情況，此外進(jìn)行界面之間的切換；料單加載模塊是在自動運(yùn)行模式下的功能，從系統(tǒng)硬盤載入事先編制好的Excel料單文件，系統(tǒng)自動讀取燃 料及裝卸料任務(wù)相關(guān)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)全自動模式下虛擬裝卸料機(jī)自動進(jìn)行裝卸料操作；堆芯圖更改模塊是操作員對在裝載/卸料之前可手動載入事先編制好的堆芯布局圖，或手動對堆芯燃料布局情況進(jìn)行設(shè)置更改。觸摸屏作為交互界面重要的一部分，其界面包括I)登入界面，用于輸入操作學(xué)員賬號和密碼，作為擴(kuò)展功能，以后系統(tǒng)將增加不同權(quán)限操作。登入界面還有指示燈及報(bào)警器測試按鈕；2)登出界面，用于注銷當(dāng)前用戶；3)主界面，登錄系統(tǒng)后的界面，其上有信息圖標(biāo)，觸控按鈕，數(shù)值顯示，動畫顯示。信息圖標(biāo)用文字實(shí)時(shí)顯示裝卸料機(jī)位置信息，傾翻機(jī)狀態(tài)，是否有故障等。觸控按鈕可選擇裝卸料機(jī)操作模式，包括自動、半自動、手動運(yùn)行模式。觸控按鈕可以打開其他界面，包括堆芯界面，用戶界面，提升機(jī)構(gòu)界面，登出界面。數(shù)值顯示區(qū)用于實(shí)時(shí)顯示大車、小車、提升機(jī)構(gòu)的位置坐標(biāo)值、速度值，載荷值，以及當(dāng)前步驟目標(biāo)位置值。動畫顯示區(qū)為堆芯環(huán)境的俯視區(qū)域圖，包括測試區(qū)、傾翻區(qū)、燃料儲存格架和堆芯區(qū)，有方塊動畫實(shí)時(shí)指示當(dāng)前裝卸料機(jī)的位置；4)堆芯界面將主界面的堆芯區(qū)單獨(dú)放大顯示，指示堆芯燃料裝載狀態(tài)，以及裝卸料機(jī)當(dāng)前在堆芯位置，其上有觸控按鈕，點(diǎn)擊可對各單元進(jìn)行置料和置空；5)提升機(jī)構(gòu)界面實(shí)時(shí)顯示提升機(jī)構(gòu)高度信息、燃料抓取/釋放信息，包括數(shù)值和動畫實(shí)時(shí)顯示；6)系統(tǒng)故障報(bào)警和處理界面是在有故障時(shí)彈出。它顯示大車、小車、提升機(jī)構(gòu)的各種故障信息，并接受操作員進(jìn)行交互處理，消除報(bào)警，解除故障，包括數(shù)值和文字信息顯示；7)報(bào)警提示界面，包括多個(gè)界面，一般當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，點(diǎn)擊相應(yīng)故障觸控按鈕就可調(diào)出報(bào)警提升界面，用于進(jìn)一步查看故障原因；8)偏位操作界面顯示偏位操作時(shí)具體燃料格架位置及燃料的移動情況，包括數(shù)值和動畫實(shí)時(shí)顯示。
裝卸料操作工藝仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可編程序控制器PLC與PC機(jī)圖形工作站通訊，具體實(shí)施如下I.網(wǎng)絡(luò)端口數(shù)據(jù)解析、發(fā)送解析來自PLC通過網(wǎng)絡(luò)端口傳送的字節(jié)數(shù)據(jù)；通過網(wǎng)絡(luò)端口傳送字節(jié)數(shù)據(jù)給PLC。2.通訊協(xié)議規(guī)范為PLC與PC機(jī)圖形工作站通訊過程分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊以及一次性數(shù)據(jù)裝載。(I) PLC發(fā)送給PC機(jī)圖形工作站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)內(nèi)容為發(fā)送方式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)圖形工作站，模擬操作控制臺I指示燈狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)圖形工作站，周期性發(fā)送給PC機(jī)圖形工作站，50ms周期，數(shù)據(jù)長度60字節(jié)。I)操作控制臺I面板的信號(操縱桿、按鈕、開關(guān)、指示燈); 2)PLC邏輯運(yùn)算后發(fā)出的動作指令(大車、小車、爪具的速度控制信號、狀態(tài)信號、聯(lián)鎖控制信號)。(2) PLC發(fā)送給PC機(jī)圖形工作站一次性數(shù)據(jù)內(nèi)容為發(fā)送方式在HMI配置完系統(tǒng)參數(shù)或參數(shù)改變后發(fā)送給PC機(jī)圖形工作站，數(shù)據(jù)長度60字節(jié)。I)大小車及提升機(jī)構(gòu)的加減速度設(shè)置；2) PLC連鎖相關(guān)參數(shù)的配置信息(載荷重量參數(shù)、超欠載重量參數(shù))。(3) PC機(jī)圖形工作站發(fā)送給PLC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)內(nèi)容為發(fā)送方式大車、小車、提升機(jī)構(gòu)主、冗編碼器的讀值，數(shù)據(jù)周期性發(fā)送給PLC，50ms周期，數(shù)據(jù)長度60字節(jié)。I)三維虛擬現(xiàn)場的設(shè)備儀器的信號(大小車、主提升的編碼器信號，主提升機(jī)構(gòu)的載荷，驅(qū)動器的速度反饋信號);2)設(shè)備狀態(tài)信號(包括正常的運(yùn)動狀態(tài)及故障狀態(tài)，由仿真系統(tǒng)模擬產(chǎn)生的故障也通過此處發(fā)送給PLC作故障報(bào)警及處理)。(4) PC機(jī)圖形工作站發(fā)送給PLC的一次性參數(shù)配置信息內(nèi)容為發(fā)送方式仿真現(xiàn)場的環(huán)境及設(shè)備參數(shù)一次性或參數(shù)改變后發(fā)送給PLC，數(shù)據(jù)長度60字節(jié)。發(fā)送內(nèi)容I)燃料池區(qū)域劃分信息(安全區(qū)、堆芯區(qū)、傾翻機(jī)、小車正位等區(qū)域劃分規(guī)則)。裝卸料操作工藝仿真系統(tǒng)PC機(jī)圖形工作站，其具體實(shí)現(xiàn)如下圖形工作站模塊控制虛擬裝卸料機(jī)動作，模擬現(xiàn)場設(shè)備、儀表儀器的物理屬性和工作仿真。溫度測量儀是通過設(shè)置界面設(shè)置屬性參數(shù)，屬性包括溫度過熱或正常，系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量大車1、2號電機(jī)溫度，提供其過熱信號，通過PC機(jī)圖形工作站與PLC通訊傳遞給PLC進(jìn)行邏輯聯(lián)鎖。包括大車1、2號電機(jī)溫度測量儀，提升機(jī)構(gòu)電機(jī)溫度測量儀，小車電機(jī)溫度測量儀。驅(qū)動器的物理屬性包括驅(qū)動器準(zhǔn)備狀態(tài)，驅(qū)動器運(yùn)動使能狀態(tài)。驅(qū)動器準(zhǔn)備狀態(tài)下，提供信號給PLC進(jìn)行邏輯聯(lián)鎖；運(yùn)動使能狀態(tài)下，PC機(jī)圖形工作站接收來自PLC的運(yùn)動使能信號，運(yùn)動方向信號，加/減速度信號，速度值信號，剎車抱閘信號，參與大車、小車、提升機(jī)構(gòu)運(yùn)動控制，方向控制，速度控制。旁路模式下，加/減速度和速度值由編入驅(qū)動器軟件的加/減速度參數(shù)和速度參數(shù)決定，方向取決于操縱桿的正向或反向輸入，剎車抱閘是當(dāng)運(yùn)動輸入斷開后，斷開剎車輸出實(shí)現(xiàn)運(yùn)動停止，在運(yùn)動停止后剎車重新抱閘。提升機(jī)構(gòu)載荷測量儀屬性包括載荷數(shù)據(jù)、是否故障、載荷對比偏差值，系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取提升機(jī)構(gòu)載荷信息，通過PC機(jī)圖形工作站與PLC通訊傳遞給PLC進(jìn)行邏輯聯(lián)鎖。提升機(jī)構(gòu)編碼器屬性包括編碼器值、是否故障，系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取提升機(jī)構(gòu)的位置信息，通過PC機(jī)圖形工作站與P LC通訊傳遞給PLC進(jìn)行邏輯聯(lián)鎖。大車設(shè)備屬性包括三維結(jié)構(gòu)表現(xiàn)、前進(jìn)/后退方向狀態(tài)、前進(jìn)/后退速度、大車位置坐標(biāo)，系統(tǒng)接收來自驅(qū)動器的運(yùn)動控制，驅(qū)動三維虛擬大車設(shè)備圖形作前進(jìn)、后退、加速、減速、停止動作，同時(shí)計(jì)算位置坐標(biāo)信息，供大車編碼器獲取。小車設(shè)備屬性包括三維結(jié)構(gòu)表現(xiàn)、左行/右行方向狀態(tài)、左行/右行速度、小車位置坐標(biāo)，系統(tǒng)接收來自驅(qū)動器的運(yùn)動控制，驅(qū)動三維虛擬小車設(shè)備圖形作左行、右行、加速、減速、停止動作，同時(shí)計(jì)算位置坐標(biāo)信息，供小車編碼器獲取。提升機(jī)構(gòu)設(shè)備屬性包括內(nèi)/外套筒和爪具三維結(jié)構(gòu)表現(xiàn)、上升/下降方向狀態(tài)、上升/下降速度、爪具鎖緊/釋放狀態(tài)、提升機(jī)構(gòu)載荷值、提升機(jī)構(gòu)高度坐標(biāo)值、爪具帶載/無載狀態(tài)、爪具重量、爪具抓取的燃料組件屬性。系統(tǒng)接收來自驅(qū)動器的運(yùn)動控制，驅(qū)動三維虛擬提升機(jī)構(gòu)圖形作上升、下降、加速、減速、停止動作，接收PLC發(fā)送的爪具鎖緊/釋放指令后，驅(qū)動爪具進(jìn)行鎖緊/釋放動作。同時(shí)計(jì)算提升機(jī)構(gòu)高度坐標(biāo)信息，供提升機(jī)構(gòu)編碼器獲取。傾翻機(jī)設(shè)備屬性包括三維結(jié)構(gòu)表現(xiàn)、垂直/水平狀態(tài)、位置坐標(biāo)信息，裝料過程將外部裝載燃料裝入傾翻機(jī)，卸料過程將傾翻機(jī)中料往外輸出。燃料組件設(shè)備屬性包括三維結(jié)構(gòu)表現(xiàn)、位置坐標(biāo)信息、組件類型、自身重量、物理碰撞屬性。系統(tǒng)在產(chǎn)生新組件時(shí)，即賦予其相應(yīng)屬性。在移動過程中的組件，參與物理碰撞計(jì)算，其結(jié)果用于控制提升機(jī)構(gòu)的邏輯聯(lián)鎖?，F(xiàn)場總線I/O設(shè)備通過指定周期性的時(shí)間循環(huán)收集以上所有設(shè)備的狀態(tài)信號，調(diào)用通訊模塊與PLC交互狀態(tài)信號，提供相關(guān)配置界面。其中溫度測量儀、載荷測量儀、大小車驅(qū)動器及編碼器的仿真使得其對溫度的模擬、載荷測量以及大小車速度和位置控制上更加貼近真實(shí)裝卸料機(jī)，增強(qiáng)了操作的真實(shí)感。裝卸料操作工藝仿真系統(tǒng)信號處理實(shí)施過程如下聯(lián)鎖判斷是根據(jù)大小車、提升機(jī)構(gòu)的聯(lián)鎖條件判斷是否存在聯(lián)鎖，并設(shè)定聯(lián)鎖后的提升機(jī)構(gòu)運(yùn)動狀態(tài)；異常故障判斷是根據(jù)設(shè)定的裝卸料機(jī)各運(yùn)行參數(shù)閾值，實(shí)施判斷是否出現(xiàn)異常、故障狀態(tài)，并設(shè)定觸發(fā)異常、故障狀態(tài)后的運(yùn)行狀態(tài)；偏位操作是根據(jù)偏位算法判斷大小車偏位位置，設(shè)定偏位運(yùn)行時(shí)的運(yùn)動狀態(tài)。裝卸料操作工藝仿真系統(tǒng)異常狀態(tài)模擬功能，包括對虛擬現(xiàn)場誤操作以及碰撞檢測，還支持對一些非人因的異常情況進(jìn)行模擬。具體是，在開始操作之前，對待模擬的異常事件進(jìn)行勾選，當(dāng)操作過程中達(dá)到預(yù)設(shè)條件時(shí)，相應(yīng)異常狀態(tài)就會出現(xiàn)，并給出相應(yīng)報(bào)警和提示，操作員可進(jìn)行故障解除，從而培訓(xùn)操作員應(yīng)對故障的能力。模擬的異常狀態(tài)包括燃料超載、欠載、最大超載、行程旁路聯(lián)鎖、載荷測量儀對比錯(cuò)誤、編碼器對比錯(cuò)誤、爪具汽缸氣壓低、傾翻機(jī)未豎立、大車/小車/提升機(jī)構(gòu)運(yùn)動失效、套筒不在O位置、鑰匙開關(guān)聯(lián)鎖旁路、彎曲組件放置、組件裝填、爪具聯(lián)鎖等常見異常情況。裝卸料操作工藝仿真系統(tǒng)關(guān)鍵部件虛化展示功能，支持對關(guān)鍵部件進(jìn)行虛化展示。操作過程中，點(diǎn)擊待虛化的部件，再點(diǎn)擊虛化命令，即可從最外圍層層向內(nèi)剖析虛化，至內(nèi)部汽缸及機(jī)械聯(lián)鎖動作細(xì)節(jié)均能展示，虛化后在整個(gè)操作過程中可保持，直至解除。這利于操作員對關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及動作原理進(jìn)行理解，增強(qiáng)了操作員的學(xué)習(xí)效果。裝卸料操作工藝仿真系統(tǒng)視頻錄制和回放過程點(diǎn)擊開始錄制，之后的裝料/卸料操作過程將被記錄下來。停止錄制后，系統(tǒng)將操作記錄保存至文件。之后加載一個(gè)歷史操作記錄文件，即可回放文件中的操作，回放過程可以漫游查看?；胤艃?nèi)容在整個(gè)操作臺的觸摸屏、LED顯示屏、指示燈、場景顯示、攝像頭顯示器均會體現(xiàn)。圖2為操作程序流程圖。如圖所示，由觸摸屏登入界面進(jìn)入仿真系統(tǒng)，點(diǎn)擊測試指示燈和報(bào)警器，PLC獲取WinCC組態(tài)軟件中觸敏控制按鈕模塊的輸入信號，觸發(fā)操作臺上元器件部分的指示燈和報(bào)警器進(jìn)行點(diǎn)亮和報(bào)警。測試結(jié)束進(jìn)入主界面，開始裝卸料操作流程。在一個(gè)任務(wù)過程中，操作員先在觸摸屏上選擇操作模式，PLC讀取觸控按鈕模塊發(fā)出的操作模式指令，調(diào)用相應(yīng)操作控制模塊。開始操作時(shí)，操作員操作元器件部分中的大車/小車/·提升機(jī)構(gòu)操縱桿，PLC實(shí)時(shí)獲取操縱桿動作方向和速度指令信號，整個(gè)運(yùn)行過程中，若邏輯聯(lián)鎖判斷模塊檢測到滿足聯(lián)鎖條件，則觸發(fā)聯(lián)鎖使相應(yīng)聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)停止動作，進(jìn)入聯(lián)鎖狀態(tài)，直至解除聯(lián)鎖條件。若觸發(fā)急停按鈕，則整個(gè)裝卸料機(jī)停止動作，直至系統(tǒng)讀取到解除急停并復(fù)位信息，系統(tǒng)才能繼續(xù)運(yùn)行。PLC將獲取的信號處理后輸出控制信號至PC機(jī)圖形工作站，由PC機(jī)圖形工作站上位程序模塊調(diào)用大車/小車/提升機(jī)構(gòu)使能模塊控制虛擬大車/小車/提升機(jī)構(gòu)向指令方向動作，一方面在場景顯示器和攝像頭顯示器顯示對應(yīng)三維裝卸料機(jī)動作過程，一方面將大車/小車/提升機(jī)構(gòu)速度值、當(dāng)前坐標(biāo)值反饋給PLC，PLC再發(fā)送至觸摸屏和LED顯示屏進(jìn)行數(shù)值顯示。大車/小車/提升機(jī)構(gòu)動作過程中觸發(fā)的報(bào)警信號、聯(lián)鎖信號由PLC檢測輸出至操作臺的報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)輸出至觸摸屏界面顯示；爪具釋放/鎖緊信號、行程旁路信號、急停信號、鑰匙聯(lián)鎖旁路信號由PLC直接從操作臺讀取元器件輸出信號，再輸出至觸摸屏顯示。
權(quán)利要求
1.一種壓水堆核電廠裝卸料操作工藝仿真系統(tǒng)，包括由LED顯示屏、觸摸屏和由按鈕、開關(guān)、操縱桿、指示燈、報(bào)警器構(gòu)成的元器件部分組成的操作控制臺(I )，由可編程序控制器PLC、PC機(jī)圖形工作站組成的信息通訊和處理裝置(2)，由場景顯示器組成的顯示裝置(3)，以及工控機(jī)，其特征在于所述的操作控制臺(I)是依照實(shí)際裝卸料系統(tǒng)的操作臺等比例制作的，其中所述的操作控制臺(I)中的LED顯示屏、觸摸屏與所述工控機(jī)相連接，所述工控機(jī)與所述信息通訊和處理裝置(2)中的可編程序控制器PLC相連接，所述元器件部分與所述信息通訊和處理裝置(2 )中的可編程序控制器PLC相連接，所述可編程序控制器PLC與所述PC機(jī)圖形工作站相連接，所述PC機(jī)圖形工作站與所述顯示裝置(3)相連接；所述元器件部分中的按鈕、開關(guān)、操縱桿是發(fā)送指令控制裝卸料機(jī)系統(tǒng)的，所述LED顯示屏、元器件部分中的指示燈、報(bào)警器是接收指令信號進(jìn)行相關(guān)信息顯示和報(bào)警的，所述觸摸屏是顯示控制模塊，發(fā)送控制指令同時(shí)也能接收信息并顯示，所述可編程序控制器PLC是實(shí)現(xiàn)信號的輸入、輸出和處理的，用于采集所述操作控制臺(I)的信號，處理后發(fā)送給PC機(jī)圖形工作站來控制虛擬現(xiàn)場的裝卸料機(jī)動作，同時(shí)接收所述PC機(jī)圖形工作站反饋的虛擬現(xiàn)場信息，處理后發(fā)送給所述操作控制臺(I)的觸摸屏和LED顯示屏顯示，同時(shí)點(diǎn)亮操作控制臺(I)的指示燈或觸發(fā)報(bào)警器，PC機(jī)圖形工作站是處理來自可編程序控制器PLC的指令、控制三維虛擬裝卸機(jī)的動作、同時(shí)將虛擬裝卸料機(jī)相關(guān)狀態(tài)反饋給所述可編程序控制器PLC并在所述操作控制臺(I)顯示，虛擬裝卸料機(jī)動作場景通過直接與PC機(jī)圖形工作站相連的所述顯示裝置(3 )進(jìn)行顯示，所述顯示裝置(3 )除了所述場景顯示器外還包括有攝像頭顯示器，其中所述的場景顯示器是顯示實(shí)際現(xiàn)場操作員所能觀察到的堆芯場景，所述的攝像頭顯示器是顯示堆芯中攝像頭捕捉的實(shí)時(shí)場景； 所述的操作控制臺(I)中觸摸屏還包括下述功能模塊 信息顯示模塊用于顯示裝卸料機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)動畫、運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)以及異常、故障情況的提示和報(bào)警； 觸敏控制模塊用于發(fā)出控制指令，對裝卸料機(jī)進(jìn)行運(yùn)動控制，選擇手動/自動/半自動運(yùn)動模式，解除報(bào)警故障以及進(jìn)行界面之間切換； 料單加載模塊用于在自動運(yùn)行模式下，從系統(tǒng)硬盤直接載入裝/卸料單文件，由系統(tǒng)自動讀取相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動控制虛擬裝卸料機(jī)進(jìn)行裝卸動作； 堆芯圖更改模塊用于在裝載/卸料之前允許操作員對堆芯燃料布局情況進(jìn)行設(shè)置更改； 界面模塊形成操作過程中不同階段的操控界面，包括登入界面、登出界面、主界面、堆芯界面、提升機(jī)構(gòu)界面、系統(tǒng)故障報(bào)警和處理界面、報(bào)警提示界面、偏位操作界面； 所述的信息通訊和處理裝置(2)中的可編程序控制器PLC還具有下述功能模塊聯(lián)鎖判斷模塊根據(jù)大小車、提升機(jī)構(gòu)的聯(lián)鎖條件判斷是否存在聯(lián)鎖，并設(shè)定聯(lián)鎖后的運(yùn)動狀態(tài)； 異常、故障判斷模塊根據(jù)設(shè)定的裝卸料機(jī)各運(yùn)行參數(shù)閾值，判斷是否出現(xiàn)異常、故障狀態(tài)，設(shè)定觸發(fā)異常、故障狀態(tài)后的運(yùn)行狀態(tài)； 偏位操作模塊根據(jù)偏位算法判斷大小車偏位位置，設(shè)定偏位運(yùn)行時(shí)的運(yùn)動狀態(tài)； 所述的信息通訊和處理裝置(2)中的PC機(jī)圖形工作站還具有下述功能模塊 圖形工作站模塊實(shí)現(xiàn)虛擬裝卸料機(jī)動作，還能夠模擬現(xiàn)場設(shè)備、儀器儀表的物理屬性和工作仿真，實(shí)現(xiàn)溫度測量儀、載荷測量儀、驅(qū)動器及編碼器功能的仿真； 異常狀態(tài)模擬功能模塊將現(xiàn)場設(shè)備、儀器儀表作為故障源載體，使自身進(jìn)入故障狀態(tài)從而模擬產(chǎn)生電氣、機(jī)械異常情況和故障，能夠模擬燃料超載、欠載、最大超載、行程旁路聯(lián)鎖、載荷測量儀對比錯(cuò)誤、編碼器對比錯(cuò)誤、爪具汽缸氣壓低、傾翻機(jī)未豎立、大車/小車/提升機(jī)構(gòu)運(yùn)動失效、套筒不在O位置、鑰匙開關(guān)聯(lián)鎖旁路、彎曲組件放置、組件裝填、爪具聯(lián)鎖的系統(tǒng)常見異?；蚬收锨闆r； 部件虛化模擬模塊對裝卸料機(jī)提升機(jī)構(gòu)復(fù)雜部件結(jié)構(gòu)及爪具動作過程進(jìn)行層層虛化展示； 視頻錄制和回放模塊記錄裝料/卸料操作過程，回放文件記錄的操作過程，回放過程支持漫游查看； 三維模型設(shè)置模塊修改堆芯單元燃料放置情況，設(shè)置彎曲燃料，并對虛擬設(shè)備的異常、故障情況進(jìn)行觸發(fā)； 攝像頭場景模塊控制攝像頭場景及攝像視角的切換。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓水堆核電廠裝卸料操作工藝仿真系統(tǒng)，包括由LED顯示屏、觸摸屏和由按鈕、開關(guān)、操縱桿、指示燈、報(bào)警器構(gòu)成的元器件部分組成的操作控制臺，由可編程序控制器PLC、PC機(jī)圖形工作站組成的信息通訊和處理裝置，由場景顯示器和攝像頭顯示器組成的顯示裝置，以及工控機(jī)。本發(fā)明的裝卸料操作工藝仿真系統(tǒng)嚴(yán)格按照真實(shí)裝卸料機(jī)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)的，模擬對象豐富，仿真數(shù)據(jù)可靠、真實(shí)感強(qiáng)，對各種常見異常狀態(tài)或故障狀態(tài)進(jìn)行模擬，允許交互操作和消除故障，具有部件展示功能，觸摸屏具有界面控制功能，簡化操作臺布局，可進(jìn)行后續(xù)功能擴(kuò)展，可以有效培訓(xùn)裝卸料操作人員，可廣泛用于核電站及有關(guān)的模擬仿真系統(tǒng)。
文檔編號G09B9/00GK102903271SQ201210382048
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月10日
發(fā)明者葉琛, 張凱峰, 徐進(jìn)津, 文忠, 管正剛, 丁凱強(qiáng), 周凱旋, 俞敏, 黃凱強(qiáng) 申請人:國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司