專利名稱：一種壓水堆核電廠裝卸料操作工藝仿真系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及三維虛擬仿真系統，具體涉及一種核電廠裝卸料操作工藝仿真系統。
背景技術：
核電廠裝卸料機安置在安全殼內部，由于安全殼內部具有很高的放射性，使得對裝卸料操作人員的培訓有很大的不便。為使工作人員達到熟練操作的目的，核電廠普遍采用裝卸料操作模擬機的訓練方法培訓工作人員。然而，這種模擬機設備造價昂貴且受培訓人員數量和場地限制，不能完成大量初學學員的培訓任務。更重要的是，無法設置出現機械及電氣硬件故障或重現故障來培訓操作員應對異常情況的能力。
當前廣泛應用于各領域的虛擬現實技術具有沉浸性、交互性、構想性的特點。基于虛擬現實技術實現裝卸料機操作工藝仿真系統，可提供在虛擬堆芯環境中進行觀察、分析、操作和控制能力，達到裝卸料操作人員的培訓目的。 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操作工藝仿真系統并不適用于培訓另一種堆型的電站裝卸料操作人員。在當前先進壓水堆核電技術發展的背景下，針對新型核電廠的裝卸料操作工藝仿真平臺亟需研發和增強培訓功能。

發明內容
本發明的目的在于建立先進壓水堆核電廠裝卸料機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、故障狀態的發生和解除，同時增加關鍵部件虛化展示、視頻錄制回放的輔助功能，以增強其培訓作用。整個仿真平臺支持交互式操控，也使得能更好地培訓壓水堆核電廠裝卸料機操作人員。本發明是這樣實現的它包括由LED顯示屏、觸摸屏和由按鈕、開關、操縱桿、指示燈、報警器構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，所述的操作控制臺是依照實際裝卸料系統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相連接，所述工控機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機圖形工作站相連接，所述PC機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、操縱桿是發送指令控制裝卸料機系統的，所述LED顯示屏、元器件部分中的指示燈、報警器是接收指令信號進行相關信息顯示和報警的，所述觸摸屏是顯示控制模塊，發送控制指令同時也能接收信息并顯示，所述可編程序控制器PLC是實現信號的輸入、輸出和處理的，用于采集所述操作控制臺的信號，處理后發送給PC機圖形工作站來控制虛擬現場的裝卸料機動作，同時接收所述PC機圖形工作站反饋的虛擬現場信息，處理后發送給所述操作控制臺的觸摸屏和LED顯示屏顯示，同時點亮操作控制臺的指示燈或觸發報警器，PC機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的動作、同時將虛擬裝卸料機相關狀態反饋給所述可編程序控制器PLC并在所述操作控制臺顯示，虛擬裝卸料機動作場景通過直接與PC機圖形工作站相連的所述顯示裝置進行顯示，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際現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時場景；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系統運行過程中的實時動畫、運動狀態參數以及異常、故障情況的提示和報警；觸敏控制模塊用于發出控制指令，對裝卸料機進行運動控制，選擇手動/自動/半自動運動模式，解除報警故障以及進行界面之間切換；料單加載模塊用于在自動運行模式下，從系統硬盤直接載入裝/卸料單文件，由系統自動讀取相關參數，實現自動控制虛擬裝卸料機進行裝卸動作；·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行設置更改；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、提升機構界面、系統故障報警和處理界面、報警提示界面、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鎖判斷模塊根據大小車、提升機構的聯鎖條件判斷是否存在聯鎖，并設定聯鎖后的運動狀態；異常、故障判斷模塊根據設定的裝卸料機各運行參數閾值，判斷是否出現異常、故障狀態，設定觸發異常、故障狀態后的運行狀態；偏位操作模塊根據偏位算法判斷大小車偏位位置，設定偏位運行時的運動狀態；所述的信息通訊和處理裝置中的PC機圖形工作站還具有下述功能模塊圖形工作站模塊實現虛擬裝卸料機動作，還能夠模擬現場設備、儀器儀表的物理屬性和工作仿真，實現溫度測量儀、載荷測量儀、驅動器及編碼器功能的仿真；異常狀態模擬功能模塊將現場設備、儀器儀表作為故障源載體，使自身進入故障狀態從而模擬產生電氣、機械異常情況和故障，能夠模擬燃料超載、欠載、最大超載、行程旁路聯鎖、載荷測量儀對比錯誤、編碼器對比錯誤、爪具汽缸氣壓低、傾翻機未豎立、大車/小車/提升機構運動失效、套筒不在O位置、鑰匙開關聯鎖旁路、彎曲組件放置、組件裝填、爪具聯鎖的系統常見異常或故障情況；部件虛化模擬模塊對裝卸料機提升機構復雜部件結構及爪具動作過程進行層層虛化展示；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；三維模型設置模塊修改堆芯單元燃料放置情況，設置彎曲燃料，并對虛擬設備的異常、故障情況進行觸發；攝像頭場景模塊控制攝像頭場景及攝像視角的切換。本發明的仿真工藝系統具備完整實現以下裝卸料操作過程根據壓水堆核電廠燃料廠房及系統工藝流程的情況，裝卸料機在堆芯位置(157個工位)、傾翻籃位置(I個工位)之間裝卸運輸燃料組件。本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點I)本發明提供的裝卸料操作工藝仿真系統是國內第一臺模擬先進壓水堆裝卸料機操作培訓的模擬仿真系統，其嚴格按照真實裝卸料機功能進行設計，符合其工藝要求和操作流程；2)虛擬場景真實、生動、準確反映了實際場景中元素，著色逼真，模擬對象豐富，同時賦予仿真對象以各種物理屬性，仿真的數據更可靠，真實感更強；3)對各種常見“異常狀態”或“故障狀態”進行模擬，允許操作員進行交互操作和消除故障，增強了對操作員應對異常狀態能力的培訓；
4)具有部件虛化展示功能，輔助操作員更好理解關鍵部件的組成和機械聯鎖原理；5)具有觸摸屏界面控制功能，增強了邏輯性和交互性，簡化了硬件操控臺布局，操控界面豐富完善，與真實裝卸料機的觸摸屏界面一致；6)具有操作步驟錄制回放功能，能夠查看學員操作中存在的問題，增強了培訓效果;7)可進行后續功能擴展，持續更新實際電廠運行過程中發現的異常狀況和故障狀態，擴展故障模擬庫。利用該仿真系統，可以有效培訓裝卸料操作人員，并能不破壞機械及電氣設備情況下，實現對操作員的有效培訓。


圖I是本發明的原理方框2是本發明的操作程序流程I中1.操作控制臺2.信息通訊和處理裝置3.顯示裝置
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。如圖I所示，本發明的裝卸料操作工藝仿真系統主要包括LED顯示器、觸摸屏和由按鈕、開關、操縱桿、指示燈、報警器構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，以及起連接轉換作用的工控機。圖I中的操作控制臺I是依照實際裝卸料系統的操作臺等比例設計的。其中LED顯示器、觸摸屏與工控機連接，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機圖形工作站連接，PC機圖形工作站與顯示裝置連接，按鈕、開關、操縱桿是發送指令控制裝卸料機的，指示燈、報警器是接收指令信號進行相關信息顯示和報警的，可編程序控制器PLC將采集到的操作控制臺I的信號處理后發送給PC機圖形工作站來控制虛擬現場的裝卸料機動作，同時接收PC機圖形工作站反饋的虛擬現場信息，處理后發送給觸摸屏和LED顯示屏顯示，同時點亮操作控制臺I的指示燈或觸發報警器，PC機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的動作，同時將虛擬裝卸料機相關狀態反饋給可編程序控制器PLC并在操作控制臺I上顯示，虛擬裝卸料機動作場景通過直接與PC機圖形工作站相連的所述顯示裝置3進行顯示，場景顯示器顯示實際現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時場景。觸摸屏顯示界面開發是利用WinCC組態界面編程實現。PC機圖形工作站設有上位程序單元及三維虛擬設備及場景。其中三維虛擬設備及場景模型借助計算機和3Dmax專業虛擬仿真軟件實現,包括以下模型裝卸料機大車及軌道、小車及相關部件、提升機構(包括內外套筒、爪具等)、傾翻機、運輸小車、燃料籃及相關部件、堆芯內部結構、燃料組件、換料水池結構及池內相關設備。三維虛擬設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#編程語言進行開發。虛擬現場設備的物理屬性模擬及工作仿真包括溫度測量儀仿真，驅動器仿真，載荷測量儀仿真，編碼器仿真，大車設備仿真，小車設備仿真，提升機構設備仿真，傾翻機仿真，燃料組件仿真，現場總線I/O設備仿真。
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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、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構位置信息。PLC通過判斷系統聯鎖條件、系統異常或故障條件以及偏位條件，確定是否對系統進行聯鎖控制，或觸發異常、故障狀態，或給出偏位操作提示，允許進行偏位操作。PLC對這些信息進行邏輯運算后，一方面將邏輯聯鎖結果、指令發送給PC機圖形工作站，由工作站調用相應設備使能指令實現虛擬設備動作，并最終在場景顯示器和攝像頭顯示器顯示。另一方面將邏輯運算結果反饋給操作控制臺1，在觸摸屏、LED顯示屏顯示相關設備狀態及參數值，或觸發指示燈和報警器。可編程序控制器PLC邏輯控制程序用梯形圖及機器語言開發實現，實現可編程序控制器PLC與PC圖形工作站之間的信息通訊功能。PC機圖形工作站一面通過網絡端口傳送字節數據給可編程序控制器PLC，一面解析可編程序控制器PLC通過網絡端口傳送的字節數據。可編程序控制器PLC與PC圖形工作站通訊過程分實時數據通訊以及一次性數據裝載，其中可編程序控制器PLC發給PC圖形工作站的實時數據有操作臺控制面板信號(操縱桿、按鈕、開關、指示燈)，可編程序控制器PLC邏輯聯鎖后發出的動作指令。可編程序控制器PLC發給PC圖形工作站的一次性數據為大小車及提升機構的加減速度設置、可編程序控制器PLC聯鎖相關參數配置信息。PC圖形工作站發送給可編程序控制器PLC的實時數據有虛擬現場設備及狀態信號，PC圖形工作站發送給可編程序控制器PLC的一次性數據位燃料池區域劃分信息。裝卸料操作工藝仿真系統，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(包括聯鎖判斷、異常、故障判斷、偏位操作、圖形工作站、異常狀態模擬、部件虛化模擬、三維模型設置)、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實現虛擬裝卸料機及虛擬堆芯環境有以下步驟I)采集真實核電站的影像素材，收集裝卸料機的圖紙資料，借助虛擬仿真軟件建立三維立體模型；2)依據真實現場環境和設備的顏色、光照、陰影情況對模型進行貼圖、著色，并根據模型與環境相對位置關系為模型設置參數，包括位置參數，物理屬性參數、色調參數，以及光影效果參數；3)通過軟件將三維模型轉換至計算機可識別圖像，最終合成三維虛擬場景，在軟件編譯平臺上實現對模型的控制。裝卸料操作工藝仿真系統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在虛擬堆芯環境下運動時的參數值，分別是大車東西向坐標值，小車南北向坐標值，提升機構垂直向高度值，提升機構實測載荷值。元器件包括整個裝卸料過程中所涉及的按鈕、開關、操縱桿、指示燈、報警器，其中按鈕、開關、指示燈、報警器與異常操作及狀態提示相關，操縱桿控制大小車和提升機構的雙向運動，其輸出值用于控制大小車和提升機構的運動速度和方向。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、堆芯圖更改模塊實現。信息顯示模塊用于在觸摸屏各界面顯示不同的數值信息、文字信息、動畫信息，實時顯示裝卸料機運動狀態參數以及異常、故障情況的提示和報警；觸敏控制模塊用于通過觸摸屏發出指令，進行運動模式選擇，并處理和解除異常、故障情況，此外進行界面之間的切換；料單加載模塊是在自動運行模式下的功能，從系統硬盤載入事先編制好的Excel料單文件，系統自動讀取燃 料及裝卸料任務相關參數，從而實現全自動模式下虛擬裝卸料機自動進行裝卸料操作；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行設置更改。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，用于輸入操作學員賬號和密碼，作為擴展功能，以后系統將增加不同權限操作。登入界面還有指示燈及報警器測試按鈕；2)登出界面，用于注銷當前用戶；3)主界面，登錄系統后的界面，其上有信息圖標，觸控按鈕，數值顯示，動畫顯示。信息圖標用文字實時顯示裝卸料機位置信息，傾翻機狀態，是否有故障等。觸控按鈕可選擇裝卸料機操作模式，包括自動、半自動、手動運行模式。觸控按鈕可以打開其他界面，包括堆芯界面，用戶界面，提升機構界面，登出界面。數值顯示區用于實時顯示大車、小車、提升機構的位置坐標值、速度值，載荷值，以及當前步驟目標位置值。動畫顯示區為堆芯環境的俯視區域圖，包括測試區、傾翻區、燃料儲存格架和堆芯區，有方塊動畫實時指示當前裝卸料機的位置；4)堆芯界面將主界面的堆芯區單獨放大顯示，指示堆芯燃料裝載狀態，以及裝卸料機當前在堆芯位置，其上有觸控按鈕，點擊可對各單元進行置料和置空；5)提升機構界面實時顯示提升機構高度信息、燃料抓取/釋放信息，包括數值和動畫實時顯示；6)系統故障報警和處理界面是在有故障時彈出。它顯示大車、小車、提升機構的各種故障信息，并接受操作員進行交互處理，消除報警，解除故障，包括數值和文字信息顯示；7)報警提示界面，包括多個界面，一般當出現故障時，點擊相應故障觸控按鈕就可調出報警提升界面，用于進一步查看故障原因；8)偏位操作界面顯示偏位操作時具體燃料格架位置及燃料的移動情況，包括數值和動畫實時顯示。
裝卸料操作工藝仿真系統實現可編程序控制器PLC與PC機圖形工作站通訊，具體實施如下I.網絡端口數據解析、發送解析來自PLC通過網絡端口傳送的字節數據；通過網絡端口傳送字節數據給PLC。2.通訊協議規范為PLC與PC機圖形工作站通訊過程分實時數據通訊以及一次性數據裝載。(I) PLC發送給PC機圖形工作站實時數據內容為發送方式實時數據發送給PC機圖形工作站，模擬操作控制臺I指示燈狀態數據發送給PC機圖形工作站，周期性發送給PC機圖形工作站，50ms周期，數據長度60字節。I)操作控制臺I面板的信號(操縱桿、按鈕、開關、指示燈); 2)PLC邏輯運算后發出的動作指令(大車、小車、爪具的速度控制信號、狀態信號、聯鎖控制信號)。(2) PLC發送給PC機圖形工作站一次性數據內容為發送方式在HMI配置完系統參數或參數改變后發送給PC機圖形工作站，數據長度60字節。I)大小車及提升機構的加減速度設置；2) PLC連鎖相關參數的配置信息(載荷重量參數、超欠載重量參數)。(3) PC機圖形工作站發送給PLC的實時數據內容為發送方式大車、小車、提升機構主、冗編碼器的讀值，數據周期性發送給PLC，50ms周期，數據長度60字節。I)三維虛擬現場的設備儀器的信號(大小車、主提升的編碼器信號，主提升機構的載荷，驅動器的速度反饋信號);2)設備狀態信號(包括正常的運動狀態及故障狀態，由仿真系統模擬產生的故障也通過此處發送給PLC作故障報警及處理)。(4) PC機圖形工作站發送給PLC的一次性參數配置信息內容為發送方式仿真現場的環境及設備參數一次性或參數改變后發送給PLC，數據長度60字節。發送內容I)燃料池區域劃分信息(安全區、堆芯區、傾翻機、小車正位等區域劃分規則)。裝卸料操作工藝仿真系統PC機圖形工作站，其具體實現如下圖形工作站模塊控制虛擬裝卸料機動作，模擬現場設備、儀表儀器的物理屬性和工作仿真。溫度測量儀是通過設置界面設置屬性參數，屬性包括溫度過熱或正常，系統實時測量大車1、2號電機溫度，提供其過熱信號，通過PC機圖形工作站與PLC通訊傳遞給PLC進行邏輯聯鎖。包括大車1、2號電機溫度測量儀，提升機構電機溫度測量儀，小車電機溫度測量儀。驅動器的物理屬性包括驅動器準備狀態，驅動器運動使能狀態。驅動器準備狀態下，提供信號給PLC進行邏輯聯鎖；運動使能狀態下，PC機圖形工作站接收來自PLC的運動使能信號，運動方向信號，加/減速度信號，速度值信號，剎車抱閘信號，參與大車、小車、提升機構運動控制，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動器軟件的加/減速度參數和速度參數決定，方向取決于操縱桿的正向或反向輸入，剎車抱閘是當運動輸入斷開后，斷開剎車輸出實現運動停止，在運動停止后剎車重新抱閘。提升機構載荷測量儀屬性包括載荷數據、是否故障、載荷對比偏差值，系統實時獲取提升機構載荷信息，通過PC機圖形工作站與PLC通訊傳遞給PLC進行邏輯聯鎖。提升機構編碼器屬性包括編碼器值、是否故障，系統實時獲取提升機構的位置信息，通過PC機圖形工作站與P LC通訊傳遞給PLC進行邏輯聯鎖。大車設備屬性包括三維結構表現、前進/后退方向狀態、前進/后退速度、大車位置坐標，系統接收來自驅動器的運動控制，驅動三維虛擬大車設備圖形作前進、后退、加速、減速、停止動作，同時計算位置坐標信息，供大車編碼器獲取。小車設備屬性包括三維結構表現、左行/右行方向狀態、左行/右行速度、小車位置坐標，系統接收來自驅動器的運動控制，驅動三維虛擬小車設備圖形作左行、右行、加速、減速、停止動作，同時計算位置坐標信息，供小車編碼器獲取。提升機構設備屬性包括內/外套筒和爪具三維結構表現、上升/下降方向狀態、上升/下降速度、爪具鎖緊/釋放狀態、提升機構載荷值、提升機構高度坐標值、爪具帶載/無載狀態、爪具重量、爪具抓取的燃料組件屬性。系統接收來自驅動器的運動控制，驅動三維虛擬提升機構圖形作上升、下降、加速、減速、停止動作，接收PLC發送的爪具鎖緊/釋放指令后，驅動爪具進行鎖緊/釋放動作。同時計算提升機構高度坐標信息，供提升機構編碼器獲取。傾翻機設備屬性包括三維結構表現、垂直/水平狀態、位置坐標信息，裝料過程將外部裝載燃料裝入傾翻機，卸料過程將傾翻機中料往外輸出。燃料組件設備屬性包括三維結構表現、位置坐標信息、組件類型、自身重量、物理碰撞屬性。系統在產生新組件時，即賦予其相應屬性。在移動過程中的組件，參與物理碰撞計算，其結果用于控制提升機構的邏輯聯鎖。現場總線I/O設備通過指定周期性的時間循環收集以上所有設備的狀態信號，調用通訊模塊與PLC交互狀態信號，提供相關配置界面。其中溫度測量儀、載荷測量儀、大小車驅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裝卸料機，增強了操作的真實感。裝卸料操作工藝仿真系統信號處理實施過程如下聯鎖判斷是根據大小車、提升機構的聯鎖條件判斷是否存在聯鎖，并設定聯鎖后的提升機構運動狀態；異常故障判斷是根據設定的裝卸料機各運行參數閾值，實施判斷是否出現異常、故障狀態，并設定觸發異常、故障狀態后的運行狀態；偏位操作是根據偏位算法判斷大小車偏位位置，設定偏位運行時的運動狀態。裝卸料操作工藝仿真系統異常狀態模擬功能，包括對虛擬現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行模擬。具體是，在開始操作之前，對待模擬的異常事件進行勾選，當操作過程中達到預設條件時，相應異常狀態就會出現，并給出相應報警和提示，操作員可進行故障解除，從而培訓操作員應對故障的能力。模擬的異常狀態包括燃料超載、欠載、最大超載、行程旁路聯鎖、載荷測量儀對比錯誤、編碼器對比錯誤、爪具汽缸氣壓低、傾翻機未豎立、大車/小車/提升機構運動失效、套筒不在O位置、鑰匙開關聯鎖旁路、彎曲組件放置、組件裝填、爪具聯鎖等常見異常情況。裝卸料操作工藝仿真系統關鍵部件虛化展示功能，支持對關鍵部件進行虛化展示。操作過程中，點擊待虛化的部件，再點擊虛化命令，即可從最外圍層層向內剖析虛化，至內部汽缸及機械聯鎖動作細節均能展示，虛化后在整個操作過程中可保持，直至解除。這利于操作員對關鍵部件結構及動作原理進行理解，增強了操作員的學習效果。裝卸料操作工藝仿真系統視頻錄制和回放過程點擊開始錄制，之后的裝料/卸料操作過程將被記錄下來。停止錄制后，系統將操作記錄保存至文件。之后加載一個歷史操作記錄文件，即可回放文件中的操作，回放過程可以漫游查看。回放內容在整個操作臺的觸摸屏、LED顯示屏、指示燈、場景顯示、攝像頭顯示器均會體現。圖2為操作程序流程圖。如圖所示，由觸摸屏登入界面進入仿真系統，點擊測試指示燈和報警器，PLC獲取WinCC組態軟件中觸敏控制按鈕模塊的輸入信號，觸發操作臺上元器件部分的指示燈和報警器進行點亮和報警。測試結束進入主界面，開始裝卸料操作流程。在一個任務過程中，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出的操作模式指令，調用相應操作控制模塊。開始操作時，操作員操作元器件部分中的大車/小車/·提升機構操縱桿，PLC實時獲取操縱桿動作方向和速度指令信號，整個運行過程中，若邏輯聯鎖判斷模塊檢測到滿足聯鎖條件，則觸發聯鎖使相應聯鎖機構停止動作，進入聯鎖狀態，直至解除聯鎖條件。若觸發急停按鈕，則整個裝卸料機停止動作，直至系統讀取到解除急停并復位信息，系統才能繼續運行。PLC將獲取的信號處理后輸出控制信號至PC機圖形工作站，由PC機圖形工作站上位程序模塊調用大車/小車/提升機構使能模塊控制虛擬大車/小車/提升機構向指令方向動作，一方面在場景顯示器和攝像頭顯示器顯示對應三維裝卸料機動作過程，一方面將大車/小車/提升機構速度值、當前坐標值反饋給PLC，PLC再發送至觸摸屏和LED顯示屏進行數值顯示。大車/小車/提升機構動作過程中觸發的報警信號、聯鎖信號由PLC檢測輸出至操作臺的報警器進行報警，同時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。
權利要求
1.一種壓水堆核電廠裝卸料操作工藝仿真系統，包括由LED顯示屏、觸摸屏和由按鈕、開關、操縱桿、指示燈、報警器構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，其特征在于所述的操作控制臺(I)是依照實際裝卸料系統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相連接，所述工控機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機圖形工作站相連接，所述PC機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、操縱桿是發送指令控制裝卸料機系統的，所述LED顯示屏、元器件部分中的指示燈、報警器是接收指令信號進行相關信息顯示和報警的，所述觸摸屏是顯示控制模塊，發送控制指令同時也能接收信息并顯示，所述可編程序控制器PLC是實現信號的輸入、輸出和處理的，用于采集所述操作控制臺(I)的信號，處理后發送給PC機圖形工作站來控制虛擬現場的裝卸料機動作，同時接收所述PC機圖形工作站反饋的虛擬現場信息，處理后發送給所述操作控制臺(I)的觸摸屏和LED顯示屏顯示，同時點亮操作控制臺(I)的指示燈或觸發報警器，PC機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的動作、同時將虛擬裝卸料機相關狀態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，虛擬裝卸料機動作場景通過直接與PC機圖形工作站相連的所述顯示裝置(3 )進行顯示，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際現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時場景； 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系統運行過程中的實時動畫、運動狀態參數以及異常、故障情況的提示和報警； 觸敏控制模塊用于發出控制指令，對裝卸料機進行運動控制，選擇手動/自動/半自動運動模式，解除報警故障以及進行界面之間切換； 料單加載模塊用于在自動運行模式下，從系統硬盤直接載入裝/卸料單文件，由系統自動讀取相關參數，實現自動控制虛擬裝卸料機進行裝卸動作； 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行設置更改； 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、提升機構界面、系統故障報警和處理界面、報警提示界面、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鎖判斷模塊根據大小車、提升機構的聯鎖條件判斷是否存在聯鎖，并設定聯鎖后的運動狀態； 異常、故障判斷模塊根據設定的裝卸料機各運行參數閾值，判斷是否出現異常、故障狀態，設定觸發異常、故障狀態后的運行狀態； 偏位操作模塊根據偏位算法判斷大小車偏位位置，設定偏位運行時的運動狀態； 所述的信息通訊和處理裝置(2)中的PC機圖形工作站還具有下述功能模塊 圖形工作站模塊實現虛擬裝卸料機動作，還能夠模擬現場設備、儀器儀表的物理屬性和工作仿真，實現溫度測量儀、載荷測量儀、驅動器及編碼器功能的仿真； 異常狀態模擬功能模塊將現場設備、儀器儀表作為故障源載體，使自身進入故障狀態從而模擬產生電氣、機械異常情況和故障，能夠模擬燃料超載、欠載、最大超載、行程旁路聯鎖、載荷測量儀對比錯誤、編碼器對比錯誤、爪具汽缸氣壓低、傾翻機未豎立、大車/小車/提升機構運動失效、套筒不在O位置、鑰匙開關聯鎖旁路、彎曲組件放置、組件裝填、爪具聯鎖的系統常見異常或故障情況； 部件虛化模擬模塊對裝卸料機提升機構復雜部件結構及爪具動作過程進行層層虛化展示； 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； 三維模型設置模塊修改堆芯單元燃料放置情況，設置彎曲燃料，并對虛擬設備的異常、故障情況進行觸發； 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
本發明涉及一種壓水堆核電廠裝卸料操作工藝仿真系統，包括由LED顯示屏、觸摸屏和由按鈕、開關、操縱桿、指示燈、報警器構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。本發明的裝卸料操作工藝仿真系統嚴格按照真實裝卸料機功能進行設計的，模擬對象豐富，仿真數據可靠、真實感強，對各種常見異常狀態或故障狀態進行模擬，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，可進行后續功能擴展，可以有效培訓裝卸料操作人員，可廣泛用于核電站及有關的模擬仿真系統。
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 優先權日2012年10月10日
發明者葉琛, 張凱峰, 徐進津, 文忠, 管正剛, 丁凱強, 周凱旋, 俞敏, 黃凱強 申請人:國核電站運行服務技術有限公司