重水堆核燃料芯塊制備自動生產(chǎn)線的設(shè)計與應(yīng)用

(中核北方核燃料元件有限公司,內(nèi)蒙古 包頭 014035)

中核北方核燃料元件有限公司重水堆燃料元件廠,是為了實現(xiàn)重水堆燃料元件國產(chǎn)化,滿足秦山第三核電站兩座728 MW核電站換料節(jié)點要求,于2002年12月建成投產(chǎn)的燃料生產(chǎn)線。

其中芯塊生產(chǎn)線工藝技術(shù)是從加拿大引進(jìn),生產(chǎn)線布局設(shè)計是由核工業(yè)第五研究設(shè)計院完成。芯塊生產(chǎn)線包括成型、燒結(jié)、磨削等主要生產(chǎn)工藝,各個工序均相對獨立。由于受當(dāng)時科技水平和技術(shù)條件的限制,整條生產(chǎn)線自動化水平相對較低,主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)以人工操作為主,崗位生產(chǎn)數(shù)據(jù)也全部依靠人工記錄,勞動強(qiáng)度較大,占用人員數(shù)量較多,制約了企業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

為了響應(yīng)和貫徹國務(wù)院發(fā)布的“中國制造2025”相關(guān)要求,“推進(jìn)制造過程智能化,在重點領(lǐng)域試點建設(shè)智能工廠/數(shù)字化車間”。中核北方核燃料元件有限公司重水堆核燃料元件廠立足自身實際,通過整合資源,采用當(dāng)前數(shù)字化生產(chǎn)制造領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù),率先在芯塊生產(chǎn)線進(jìn)行了數(shù)字化生產(chǎn)線的設(shè)計和應(yīng)用。

1 生產(chǎn)流程及布局設(shè)計

芯塊生產(chǎn)線物料流轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)較多,在各工序上下料過程中,全部為人工操作,工作量較大,勞動強(qiáng)度較高。每個工序均用不同的工裝,導(dǎo)致工裝數(shù)量較多,占用了生產(chǎn)現(xiàn)場大量的空間。為了實現(xiàn)整條生產(chǎn)線的自動化生產(chǎn),首先需要進(jìn)行生產(chǎn)流程和系統(tǒng)布局設(shè)計。

1.1 生產(chǎn)流程設(shè)計

生產(chǎn)流程設(shè)計包括生產(chǎn)環(huán)節(jié)的優(yōu)化和物料裝載方式優(yōu)化。

1.1.1 生產(chǎn)環(huán)節(jié)優(yōu)化

需要優(yōu)化的生產(chǎn)環(huán)節(jié)既包括主要工序上料、下料等重復(fù)性操作,又包括各工序與庫位之間的物料轉(zhuǎn)運及儲存操作。圖1為優(yōu)化后的生產(chǎn)流程。

圖1 自動化生產(chǎn)流程Fig.1 Automatic production process

1.1.2 物料裝載方式

各工序原有的物料裝載方式均不相同,且物料裝載工裝不統(tǒng)一,在原有的基礎(chǔ)上實現(xiàn)流程自動化非常困難。因此,為了實現(xiàn)生產(chǎn)線全流程的自動化,需要對工裝進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,可以減少物料裝載環(huán)節(jié),減少工裝種類和工裝數(shù)量。在芯塊磨削之前的生產(chǎn)過程中,物料全部以鉬舟的形式進(jìn)行裝載,取代了之前生坯倒舟、芯塊倒盤的裝載方式。磨削之后芯塊的裝載采用一種新設(shè)計的不銹鋼料盤,該料盤四周留有定位孔,用于自動化設(shè)備對其進(jìn)行抓取和翻轉(zhuǎn)動作。

1.2 系統(tǒng)布局設(shè)計

由于芯塊生產(chǎn)線廠房空間相對較小,原有主要設(shè)備已無法重新布局,因此在原基礎(chǔ)上,充分考慮,設(shè)計出了布局緊湊、較為合理的系統(tǒng)布局。

1.2.1 生產(chǎn)設(shè)備布局

在兩臺成型壓機(jī)分別增加生坯自動下料工作站,完成生坯自動碼盤、稱重等操作；在燒結(jié)爐進(jìn)料口和出料口分別增加自動上料工作站和自動下料工作站,完成燒結(jié)爐的自動上下料、物料稱重等操作；在磨削線上料段和下料段分別增加自動上料工作站和自動清洗下料工作站,完成磨削線的上料、清洗、下料等操作。

1.2.2 物料存儲布局

分別在成型、燒結(jié)、磨削工序后面設(shè)計了三個智能存儲庫房,用于分別存儲成型生坯、燒結(jié)芯塊、磨削芯塊。

1.2.3 物料轉(zhuǎn)運布局

設(shè)計了兩條AGV(自動導(dǎo)引)轉(zhuǎn)運路線。芯塊生產(chǎn)線前半部分轉(zhuǎn)運過程中涉及的工作站和庫位點較多,工作節(jié)拍較快,因此設(shè)置了兩臺AGV車。轉(zhuǎn)運路線采用閉合環(huán)路的方式,既可實現(xiàn)料架工裝的循環(huán)轉(zhuǎn)運,又能保證兩臺AGV車在轉(zhuǎn)運過程中,能夠合理分配路徑,互不影響。芯塊生產(chǎn)線后半部分設(shè)置1臺AGV車,用于完成磨削下料站與自動立體庫、烘干崗位之間的物料轉(zhuǎn)運及稱重等操作。

中央控制室設(shè)置在芯塊生產(chǎn)線廠房的中間位置,便于生產(chǎn)協(xié)調(diào)和應(yīng)急響應(yīng)。

2 自動上下料系統(tǒng)設(shè)計

自動上下料系統(tǒng)共包括6臺自動工作站,分別為兩臺生坯自動下料工作站、1臺燒結(jié)自動上料工作站、1臺燒結(jié)自動下料工作站、1臺磨削自動上料工作站和1臺磨削清洗下料工作站。

2.1 各工作站功能設(shè)計

2.1.1 生坯自動下料工作站

圖2為生坯自動下料工作站,該工作站包括生坯翻轉(zhuǎn)輸送裝置、裝盤機(jī)、舟單元機(jī)器人、芯塊機(jī)器人、鉬舟板緩存上料機(jī)、波紋板緩存上料機(jī)、舟單元緩存下料機(jī)、抽檢剔料裝置等部分,主要功能是將從成型壓機(jī)壓制出的生坯自動碼放在鉬舟板和鉬波紋板上面。

圖2 生坯自動下料工作站Fig.2 Automatic blanking workstation

2.1.2 燒結(jié)自動上料工作站及自動下料工作站

圖3為燒結(jié)自動上料工作站,該工作站由舟單元機(jī)器人、舟單元上料緩存機(jī)、料架定位平臺及傳輸軌道等部分組成。其主要功能是將轉(zhuǎn)運料架上的鉬舟進(jìn)行搬運,自動將鉬舟送至燒結(jié)爐上料臺,等待入爐燒結(jié)。

圖3 燒結(jié)自動上料工作站Fig.3 Automatic sintering feeding workstation

圖4為燒結(jié)自動下料工作站,該工作站由傳輸軌道、舟單元機(jī)器人、料架定位平臺等部分組成。其主要功能是將從燒結(jié)爐出爐的鉬舟進(jìn)行自動稱重,并搬運至轉(zhuǎn)運料架上面,完成燒結(jié)自動下料任務(wù)。

圖4 燒結(jié)自動下料工作站Fig.4 Automatic sintering blanking workstation

2.1.3 磨削自動上料工作站及清洗下料工作站

圖5為磨削自動上料工作站,該工作站由料架定位平臺、舟單元機(jī)器人、芯塊機(jī)器人、鉬舟緩存位、工裝緩存位、拆盤機(jī)等部分組成。其主要功能是將轉(zhuǎn)運料架上經(jīng)過燒結(jié)的鉬舟自動拆盤,并再次將鉬舟板及波紋板碼裝在料架上面,實現(xiàn)磨床自動連續(xù)上料。

圖5 磨削自動上料工作站Fig.5 Automatic grinding feeding workstation

圖6為磨削清洗下料工作站,該工作站由裝盤機(jī)、翻轉(zhuǎn)清洗機(jī)構(gòu)、料盤機(jī)器人、料盤上料軌道、下料位等部分組成。其主要功能將磨削后的芯塊進(jìn)行自動碼盤和離線刷洗。

圖6 磨削清洗下料工作站Fig.6 Grinding,cleaning and blanking workstation

2.2 電氣控制設(shè)計

各個分站的PLC通過以太網(wǎng)、串口、DP、Drive-CliQ、CC-Link等專用接口與本站的觸摸屏、伺服驅(qū)動器、讀碼器、機(jī)器人控制器、氣缸電磁閥、傳感器等設(shè)備連接,以實現(xiàn)本站的信息采集、數(shù)據(jù)通訊和控制。PLC控制程序使用Rslogix5000軟件進(jìn)行編寫、上傳和下載。

2.3 人機(jī)界面設(shè)計

各個工作站的人機(jī)界面均采用了AB 2711 PC系列的觸摸屏,操作界面使用Factorytalk View Stutio軟件進(jìn)行設(shè)計。

各個工作站均設(shè)計了安全友善且符合人體工程學(xué)的人機(jī)交互界面(見圖7),實現(xiàn)設(shè)備調(diào)試、維護(hù)操作,自動/手動操作,以及設(shè)備故障報警顯示等功能。

圖7 人機(jī)操作界面Fig.7 Man-machine operation interface

系統(tǒng)具有手動和自動兩種操作模式,兩種操作模式可以在操作面板上互相轉(zhuǎn)換。在自動操作模式下,設(shè)備連續(xù)自動運行；在手動操作模式下,允許授權(quán)用戶對每一個受控元件進(jìn)行手動操作。

3 物料轉(zhuǎn)運及存儲系統(tǒng)設(shè)計

3.1 物料轉(zhuǎn)運系統(tǒng)

芯塊生產(chǎn)線各工序與庫位之間的物料轉(zhuǎn)運采用了AGV系統(tǒng),主要負(fù)責(zé)生坯轉(zhuǎn)運循環(huán)、熟坯轉(zhuǎn)運循環(huán)、成品轉(zhuǎn)運循環(huán)等工作。

3.2 物料存儲系統(tǒng)

物料存儲系統(tǒng)共包括3個存儲庫房,分別為生坯暫存庫、芯塊暫存庫、成品暫存庫。通過設(shè)置這3個庫房,使各工序之間可以存放足夠的緩存物料,增強(qiáng)了生產(chǎn)線的柔性,使生產(chǎn)控制方式更加靈活。3個存儲庫房依托中央控制系統(tǒng),均具有自動出入庫、庫位信息自動更新等功能。

圖8 自動立體庫房Fig.8 Automatic stereoscopic warehouse

成品暫存庫由于存儲量較大,為了節(jié)省現(xiàn)場空間,便于生產(chǎn)控制,采用了自動立體存儲庫房。該庫房設(shè)置有一個巷道和一臺堆垛機(jī),共有4排7列6層,堆垛機(jī)的承載重量不低于200 kg。

自動立體庫房電氣控制系統(tǒng)采用西門子的PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)及PROFIBUS現(xiàn)場總線。自動立體庫房控制系統(tǒng)與中央控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接,采用OPC協(xié)議進(jìn)行通訊實現(xiàn)信息交互。自動立體庫房具有多種操作模式,既可以通過信息交互進(jìn)行全自動出入庫操作,又可以根據(jù)實際情況進(jìn)行半自動模式、手動模式、維修模式等操作。

4 中央控制系統(tǒng)設(shè)計

圖9為中央控制系統(tǒng)連接圖。中央控制系統(tǒng)上位機(jī)通過以太網(wǎng)與各個分站的PLC進(jìn)行連接,通過實時的數(shù)據(jù)通訊和備份并監(jiān)控生產(chǎn)線的運行及生產(chǎn)狀況,方便上層管理人員的綜合管理工作。通過中央控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)調(diào)度、信息管理、生產(chǎn)線監(jiān)控等功能。

圖9 中央控制系統(tǒng)連接圖Fig.9 Connection diagram of central control system

4.1 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集

芯塊生產(chǎn)線的生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要包括物料狀態(tài)信息和設(shè)備運行信息。

每個轉(zhuǎn)運料架和不銹鋼料盤上均有一個唯一的二維碼,每個工作站均設(shè)計有掃碼識別設(shè)備,在各工序生產(chǎn)過程中,可以實現(xiàn)物料生產(chǎn)信息的有序流轉(zhuǎn)。

通過各個工作站的PLC,可以實時將生產(chǎn)信息和設(shè)備狀態(tài)信息與中央控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交互,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和備份,為生產(chǎn)調(diào)度和監(jiān)控、信息管理提供原始數(shù)據(jù)。

4.2 生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)

在芯塊生產(chǎn)線中,生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)為指揮中心,將各個設(shè)備的指令進(jìn)行匯總分析,并發(fā)出相應(yīng)執(zhí)行指令,從而使整條生產(chǎn)線的設(shè)備能夠協(xié)調(diào)配合、有序運轉(zhuǎn),圖10為調(diào)度系統(tǒng)界面。

圖10 調(diào)度系統(tǒng)界面Fig.10 Scheduling system interface

4.3 監(jiān)控系統(tǒng)

以信息采集系統(tǒng)實時采集到的生產(chǎn)信息、庫存信息、AGV工作信息等生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用仿真模擬技術(shù)建立了一個完整的芯塊生產(chǎn)線監(jiān)控界面。該監(jiān)控界面(見圖11)在芯塊生產(chǎn)線中央控制室的大屏幕進(jìn)行顯示,大屏幕由四個55 inch(等于139.7 cm)窄邊液晶屏拼接而成。

圖11 監(jiān)控系統(tǒng)界面Fig.11 Monitoring system interface

監(jiān)控界面共包括三個部分,其中生產(chǎn)狀態(tài)部分可以實時顯示各個自動工作站的工作狀態(tài)和工作進(jìn)度、每臺AGV的移動位置,庫房存儲部分可以實時顯示各個庫房內(nèi)的物料數(shù)量和物料基本信息等,調(diào)度任務(wù)部分可以實時顯示當(dāng)前調(diào)度系統(tǒng)中正在執(zhí)行和即將執(zhí)行的調(diào)度任務(wù)。

通過該監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用,生產(chǎn)線控制和監(jiān)控更加直觀。

4.4 信息管理系統(tǒng)

信息管理系統(tǒng)(見圖12)為生產(chǎn)線信息的存儲和管理中心。該系統(tǒng)采用了Web界面設(shè)計,整個操作界面非常簡潔,便于人員操作。

圖12 信息管理系統(tǒng)Fig.12 Information management system

信息管理系統(tǒng)使用前,需通過授權(quán)賬號進(jìn)行登錄。為了明確分工,突出層級管理,共設(shè)置了三個權(quán)限級別,分別為“普通用戶”“管理員”“超級管理員”,其中“超級管理員”可以使用系統(tǒng)的全部功能,“管理員”可以使用刪除功能以外的大部分功能,“普通用戶”僅可以查詢,無法修改信息。

信息管理系統(tǒng)共設(shè)置了14個一級菜單和51個二級菜單,可以實現(xiàn)芯塊制備流通卡管理、庫房管理、工裝管理、AGV管理、崗位調(diào)度管理、用戶信息管理、運行故障查詢和處理等功能。

5 自動化生產(chǎn)線應(yīng)用

芯塊制備自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)于2016年2月投入應(yīng)用,其主要功能也已經(jīng)得到了充分的驗證。該系統(tǒng)的應(yīng)用大大提升了重水堆核燃料元件生產(chǎn)線的自動化和信息化水平,主要表現(xiàn)為：

1)生產(chǎn)線自動化水平明顯提高。通過自動工作站的研發(fā)和應(yīng)用,實現(xiàn)了關(guān)鍵工序的自動上下料,通過建立AGV轉(zhuǎn)運系統(tǒng)和自動存儲系統(tǒng),實現(xiàn)了芯塊生產(chǎn)線物料的自動轉(zhuǎn)運和儲存,大大降低了重復(fù)性勞動的工作量,降低了勞動強(qiáng)度。

2)生產(chǎn)線基本實現(xiàn)了信息化。通過建立中央控制系統(tǒng),芯塊生產(chǎn)線實現(xiàn)了生產(chǎn)信息自動采集、存儲和處理,規(guī)范了生產(chǎn)管理。

3)生產(chǎn)線實現(xiàn)了一體化控制。以中央控制系統(tǒng)為中樞,以各工作站、AGV轉(zhuǎn)運系統(tǒng)、自動存儲庫房為執(zhí)行機(jī)構(gòu),芯塊生產(chǎn)線成為了一個協(xié)同配合、有效運轉(zhuǎn)的整體,簡化了生產(chǎn)環(huán)節(jié),優(yōu)化了生產(chǎn)過程,使生產(chǎn)線運行效率更高。

該數(shù)字化生產(chǎn)線系統(tǒng)的研制,對我國核燃料制造行業(yè)的數(shù)字化建設(shè)起到了一定的引領(lǐng)和示范作用,為未來實施智能制造打下了堅實的基礎(chǔ)。