автореферат диссертации по геодезии, 05.24.01, диссертация на тему:Разработка автоматизированной системы геодезическогообеспечения наведения разгрузочно-загрузочной машины при перегрузке топлива в реакторах РБМК

рГо ОД

2 1 ЬПГ 2303

УДК 528.48:681.3.06 На правах рукописи

Твердовский Олег Валерьевич

Разработка автоматизированной системы геодезического обеспечения наведения разгрузочно-загрузочной машины при перегрузке топлива в реакторах РБМК

05.24.01 - «Геодезия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2000

Работа выполнена в Сибирской государственной геодезической академии.

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор Середович В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Асташенков Г.Г. кандидат технических наук, доцент Аврунев Е.И. Ведущая организация - производственное объединение «Инженерная геодезия»

Защита состоится «31» июля 2000 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д064.14.01 в Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) по адресу: 630108, Новосибирск 108, ул. Плахотного 10, СГГА, ауд. 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА. Автореферат разослан «30» июня 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Изд. лиц. № ЛР 020461 от 04.03.1997 Подписано в печать 29.06.2000 Формат 60x84 1/16

Печать цифровая Усл.неч.л.1.51. Уч.-изд.л. 1.32. Тираж 100

Заказ 66

Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, 108, Плахотного 8

Середович В.А.

Общая характеристика работы.

Актуальность работы:

В связи с ростом роли ядерной энергетик», возрастает значение геодезического контроля при эксплуатации технологического оборудования атомных электростанций с целью повышения эффективности его работы, а так же для обеспечения надежности и безопасности.

В настоящее время, для обеспечения безопасной эксплуатации ядерных реакторов, особое значение приобретают вопросы своевременного получения достоверных результатов определения геометрических параметров работы оборудования атомных электростанций. Авария на Чернобыльской АЭС заставляет еще с большей мерой ответственности подходить к задаче постоянного контроля за режимом эксплуатации оборудования реакторов АЭС, составной частью которого является определение геометрических параметров геодезическими методами. При этом значительно повышается роль автоматизации геодезических измерений, выполняемых с целью определения параметров работающего оборудования в условиях радиационной обстановки.

Если раньше роль геодезического контроля в основном сводилась к определению осадок и деформаций сооружений, то в настоящее время службы эксплуатации АЭС ставят перед геодезистами задачи контроля эксплуатационных параметров крупного промышленного оборудования. Это в свою очередь, заставляет их искать новые методы и средства, позволяющие на данном этапе повысить точность и оперативность измерений, выполняемых в особо трудных и специфических условиях.

Основными задачами дальнейшего развития геодезических измерений, выполняемых для обеспечения безопасной работы оборудования атомных электростанций, являются:

• исследование воздействия деформаций технологического оборудования на безопасный режим эксплуатации реакторных блоков АЭС;

• разработка методов и средств для определения величин этих деформаций;

• разработка методов и средств контроля параметров работающего оборудования;

• автоматизация геодезических измерений в условиях радиационной обстановки.

Следует отметить, что в настоящее время актуальной является проблема разработки геодезических методов исследований деформаций оборудования атомных электростанций, а так же точности протекания технологических процессов в момент перегрузки ядерного топлива, как одной из наиболее важных составляющих общего технологического процесса выработки электроэнергии.

Цель работы:

Цель настоящих исследований состояла в разработке автоматизированных систем геодезического обеспечения наведения РЗМ на каналы реактора РБМК при перегрузке ядерного топлива.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Выполнить анализ методов и средств автоматизации угловых и линейных инженерно-геодезических измерений, а так же способов измерений с применением цифровых видеоконтрольных устройств.

2) Разработать схемы измерений для реализации автоматизированной системы наведения перегрузочного

комплекса на технологические каналы реактора, основанные на использовании лазерной сканирующей установки и цифровых устройств наблюдения за объектами.

3) Выполнить анализ факторов, вызывающих деформации системы реактор-перегрузочный комплекс, и разработать методику учета и исключения ошибок определения положения РЗМ в системе координат реактора.

4) Разработать алгоритм и метод компьютерной реализации математической модели работы РЗМ по геодезическим данным с визуализацией перемещения РЗМ в режиме реального времени.

5) Разработать методику использования трехмерной интерпретации пространственно распределенных ошибок определения координат при применении метода статистического моделирования результатов геодезических измерений.

Объекты исследования:

Ленинградская, Курская, Игналинекая атомные электростанции.

Методика исследования:

Практической и теоретической основой, явились исследования российских ученых. Научные труды В.Д.Большакова, Ю.П.Гуляева, П.И.Брайта, Г.П.Левчука, К.Л.Проворова, М.Е.Пискунова, В.Г.Конусова, В.К.Панкрушина и др. заложили теоретическую основу производства и обработки высокоточных геодезических измерений. Огромную роль в формировании методов и средств производства инженерно-геодезических работ, выполняемых на энергетических объектах всего бывшего СССР, играют научные и практические разработки ученых Московского государственного университета геодезии и картографии и Сибирской

государственной геодезической академии Х.К.Ямбаева, И.Ю.Васютинского, Б.Н.Жукова, Г.А.Уставича.

Основные задачи, поставленные в работе, решались по результатам применения методов математического моделирования и пространственной интерпретации информации путем сбора и анализа теоретических и практических данных реализованных во время выполнения производственных работ на АЭС.

Научная ценность работы:

Научную ценность представляют:

1) Разработка модели работы системы наведения РЗМ на канал с учетом влияния основных факторов ошибок.

2) Разработка алгоритмов и методов компьютерной реализации математической модели работы РЗМ по геодезическим данным с определением положения перегрузочного комплекса и оценкой точности наведения в реальном режиме времени.

3) Методика применения трехмерной интерпретации пространственно распределенных ошибок определения координат при применении метода статистического моделирования результатов геодезических измерений.

Практическая ценность работы:

Практическую ценность работы составляют:

1). Анализ факторов, вызывающих деформации системы реактор-перегрузочный комплекс, и методика учета и исключения ошибок определения положения РЗМ в системе координат реактора.

2). Конструктивные схемы применения автоматизированных методов и устройств инженерно-геодезических измерений для решения

проблемы наведения перегрузочного комплекса на каналы реактора РБМК.

3). Методика учета факторов, вызывающих деформации системы реактор-перегрузочный комплекс.

4). Программный комплекс для определения положения перегрузочного комплекса по результатам геодезических измерений в режиме реального времени.

5). Компьютерная визуализация модели работы РЗМ в реакторном зале атомной электростанции.

Реализация результатов работы:

Данные исследований были учтены в работе эксплутационной службы Ленинградской АЭС. Результаты исследований используются в учебном процессе.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Объем и структура работы:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографии и приложений. Общий объем составляет 206 страниц машинописного текста, 59 рисунков, 10 таблиц и 7 приложений.

Содержание работы (по разделам):

Во введении дан краткий обзор состояния геодезических работ на атомных электростанциях, изложено обоснование актуальности исследований, формулируется научная новизна, цель исследований, даются общие сведения, и излагается подход к решению поставленных в работе задач.

Первый раздел посвящен анализу современного состояния инженерно-геодезических работ по контролю геометрических параметров оборудования и технологических процессов на атомных электростанциях. Приведена краткая характеристика ядерных реакторов, тепловая схема атомной электростанции, рассмотрено транспортно-технологическое оборудование АЭС и в частности перегрузочный комплекс центрального зала (ЦЗ) реакторного блока, а также непосредственно технологический процесс перегрузки ядерного топлива.

На основании анализа работы технологического оборудования обозначены задачи геодезического контроля геометрических параметров и обеспечения безопасности и эффективности процесса перегрузки топлива. Выполнено исследование факторов, вызывающих деформации оборудования перегрузочного комплекса. Приведено обоснование точности геодезического контроля для определения крена скафандра и взаимного положения системы реактор-перегрузочный комплекс. Для обеспечения технологического допуска на определение крена необходимо выполнять измерения с точностью 5", а ошибка геодезического определения наведения не должна превышать 0,8 мм.

Таким образом, атомная электростанция, и в частности оборудование реакторного зала, является сложнейшим технологическим комплексом. Этот комплекс подвержен различного рода деформациям. Выявление и учет этих деформаций, а так же параметров работающего оборудования геодезическими методами является, на сегодняшний день, одной из важнейших задач. В свою очередь технологический процесс наведения РЗМ на каналы реактора, так же может контролироваться геодезическими методами, дающими новые возможности для решения проблемы наведения РЗМ на каналы реактора.

Второй раздел посвящен проблеме наведения РЗМ на технологические каналы реактора и путям ее решения на основе создания автоматизированных 8

систем и устройств. Выполнен анализ систем и технических решений, используемых для наведения.

Системы, обеспечивающие процесс наведения перегрузочного комплекса, должны отвечать следующим требованиям:

1) обеспечение точности стыковки РЗМ и канала, необходимой для нормального протекания технологического процесса перегрузки ядерного топлива, составляющей 2,5 мм;

2) наведение РЗМ на канал без понижения точности в неблагоприятных условиях, т.е. в условиях аварийной ситуации;

3) исключение нахождение человека в опасной зоне в момент перегрузки топлива;

4) оперативная информация о положении РЗМ в системе координат реактора;

Существует три системы или технических решения, позволяющих выполнять процесс наведения перегрузочного комплекса на каналы реактора: сельсин датчики, расположенные на ходовых колесах моста и тележки; оптическая система, которая находится в кабине оператора; пневмоэлектромеханическая, заложенная в конструкцию РЗМ.

Ни одна из перечисленных выше систем наведения не отвечает всем требованиям, предъявляемым к ним. Более того, сельсин-датчики пути, расположенные на колесах РЗМ, вследствие того, что не обеспечивают требуемую точность, не используются службой эксплуатации АЭС вообще. Оптическая система подразумевает нахождение оператора в кабине управления, а пневмоэлектромеханическая работает в условиях ручного управления. Таким образом, возникает необходимость создания дополнительной автоматизированной системы наведения РЗМ на канал на основе современных разработок и устройств, отвечающих всем требованиям службы эксплуатации.

Исходя из этого выполнен анализ разработок и технических решений, применяемых для автоматизации геодезических измерений и создания автоматизированных систем на основе источников лазерного излучения, ПЗС матриц, теле- и видеоустройств. Рассмотрены методики исследования компонентов автоматизированных систем.

Исходя из анализа существующих в настоящее время методов и технических решений выполнения инженерно-геодезических измерений, можно сделать вывод, что использование последних достижений науки и техники позволит создать автоматизированную систему геодезического обеспечения наведения РЗМ на технологические каналы реактора.

В третьем разделе разработана система геодезического обеспечения автоматического наведения РЗМ на технологические каналы реактора при перегрузке ядерного с применением цифровых устройств наблюдения за объектами.

1-цифровая видеокамера; 2-кодовая шкала; 3-мост РЗМ; 4-тележка РЗМ; 5-скафандр РЗМ; 6-бассейн выдержки отработавших TBC; 7-свежис TBC; 8-верхняя плита реактора

Рисунок 1 - Схема автоматизированной системы наведения РЗМ на основе цифровых устройств видео наблюдения

] v ,')с;'., с о f f

Быстрое развитие науки и техники в области создания устройств оцифровки и передачи изображения, а так же компьютерной техники и технологий обработки видеоизображения предоставляет новые возможности для выполнения измерений перемещения объектов.

На основе устройств оцифровки видеоизображения в совокупности с аппаратными и программными средствами компьютерной техники можно создать автоматизированную систему наведения перегрузочного комплекса на технологические каналы реактора.

Для этого необходимо установить четыре видеокамеры 1 на мосту 3 и тележке 4 разгрузочно-загрузочной машины и отсчетные кодовые шкалы 2 для измерения продольного и поперечного перемещения (рисунок 1).

(гтпигп мтлглюлмнлтлютн (

1-кодовая шкала; 2-ПЗС матрица; З-камал передачи видеоизображения; 4-нзобрзжение перемещения объекта

Рисунок 2 - Принципиальная схема измерения положения РЗМ но кодовым шкалам

В качестве измеряемого объекта для определения смещения перегрузочного комплекса в системе координат реактора используется рейка с нанесенной на нее кодовой маской (рисунок 2). Такие рейки используются для измерения превышений в цифровых нивелирах.

Изображение штрихового кода, несущее в себе информацию о величине перемещения РЗМ, через объектив видеокамеры поступает на ПЗС матрицу.

Современные инструментальные устройства обеспечивают погрешность измерения перемещения РЗМ, равную 0,008 мм.

Полученное изображение сжимается с применением одного из алгоритмов и передается через аппаратное устройство видеозахвата в компьютер.

Обрабатывая изображение кодовой маски с помощью специальной программы распознавания кода, можно получать координаты РЗМ в режиме реального времени.

В работе выполнен анализ ошибок, возникающих при использовании этой системы, и разработана методика определения относительных координат.

Предвычисленная в этом случае точность определения перемещения РЗМ составляет 0,7 мм с учетом влияния основных факторов, рассмотренных в первом разделе.

Таким образом современные цифровые видеоконтрольные устройства в совокупности с программными комплексами и вычислительными средствами обработки кодового видеоизображения, имеют большие перспективы для использования в производстве инженерно-геодезических измерений.

В четвертом разделе разработана система геодезического обеспечения автоматического наведения РЗМ на технологические каналы

реактора при перегрузке ядерного топлива с использованием метода сканирования углов.

Для решения задачи автономного определения положения РЗМ в системе координат реактора предлагается использовать метод обратной угловой засечки, основанный на применении сканирующей лазерной системы для измерения углов.

Он заключается в том, что, в качестве меры для измерения углов, используется время. Для этого достаточно в вершине измеряемых углов поместить лазерный источник, равномерно вращающийся с периодом Т и измерить время I прохождения этого луча от левой до правой стороны угла. Тогда угол рможно вычислить по формуле:

/?=-х360°; (О

Рисунок 3 - Принципиальная схема измерения углов сканирующей лазерной системой

Принципиальная схема измерения углов этой системой приведена на рисунке 3.

Излучение лазера разворачивается в вертикальную плоскость, через вращающийся блок. Момент прохождения лазерного луча регистрируется фотоприемниками по энергетическому центру излучения.

Информация о зарегистрированных моментах времени и периоде полного оборота поступает в блок обработки информации, в котором вычисляются интервалы времени, соответствующие измеряемым углам засечки. Затем в компьютере происходит вычисление координат лазерного источника по известным формулам обратной угловой многократной засечки.

1-лазсрный сканирующий блок; 2-фотоприсм1гак; 3-мост РЗМ; 4-тележка РЗМ; 5-скафаидр РЗМ; 6-бассейн выдержки отработавших TBC; 7-свсжис TBC; 8-верхняя плита реактора; 9-технологический качал реактора; lft-подкрановые пути тележки РЗМ; 11-подкрановые пути

моста РЗМ

Рисунок 4 - Схема автоматизированной системы сканирования лазерным лучом

Для реализации этого метода на скафандре разгрузочно-загрузочной машины 5 (рисунок 4) устанавливается лазерный источник 8, который равномерно вращается вокруг вертикальной оси при помощи двигателя.

Скорость вращения двигателя стабилизируется с помощью кварцевого генератора. На стенах реакторного зала на одной высоте устанавливаются приемники лазерного излучения 2, которые регистрируют время прохождения лазерного луча.

По полученным таким образом углам обратной многократной геодезической засечки могут быть вычислены координаты лазерного источника. Переход от координат горизонтальной проекции оси лазера к координатам оси скафандра осуществляется введением постоянных поправочных элементов. К данной поправке добавляется влияние крена скафандра.

В работе выполнен анализ ошибок, влияющих на точность определения положения РЗМ данным методом.

©

Рисунок 5 - Интерфейс программы Reaktor

Выполнено исследование лабораторной установки временного измерения углов, смонтированной на базе модернизированной системы сканирования лазерным лучом.

Разработан алгоритм и выполнена компьютерная реализация модели перемещения РЗМ в реакторном зала атомной электростанции рисунок 5.

Программа позволяет непрерывно вычислять координаты лазерного источника 1 и оси скафандра 2, номер канала 3, а также приближенные и уравненные координаты 4, и погрешность определения этих координат 5.

Реализована на ПЭВМ методика исследования точности определения координат из обратной угловой многократной засечки с применением метода статистического моделирования ошибок геодезических измерений.

Для анализа ошибок предлагаемого метода в эталонные значения углов засечки были внесены ошибки измерений с применением ряда нормально распределенных случайных чисел.

^им Атеор ^

>

о пк

(2)

(3)

где риш - статистически смоделированные значения измеренных углов,

1УХ

РтыР ~ эталонные значения углов, Л - случайная ошибка, ^ - средняя

Я

квадратическая ошибка измерения углов, ' - равномернораспределенное число, полученное с помощью генератора случайных чисел.

По полученным таким образом углам были вычислены приближенные координаты лазерного источника, и затем выполнено

уравнивание засечки параметрическим способом по методу наименьших квадратов.

На основе полученных результатов исследований выполнена интерпретация массивов пространственно распределенных ошибок в виде трехмерной цифровой модели рабочей зоны перегрузочного комплекса (рисунок 6).

С помощью разработанной программы Reaktor был выполнен анализ точности определения координат пункта из обратной угловой геодезической многократной засечки. В первом варианте проводились исследования влияния формы обратной многократной засечки на точность определения координат РЗМ.

Рисунок 6 - Трехмерная интерпретация массива пространственно распределенных ошибок

Для этого в углы была внесена фиксированная смоделированная случайная погрешность измерений и выполнено определение координат РЗМ в 484 точках в районе верхней плиты реактора. Исследования были

выполнены при следующих средних квадратических погрешностях измерения углов: 3, 5, 7 и 10 секунд.

Анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что при всех значениях погрешности измерений, влияние формы засечки остается постоянным, и увеличивается во всем массиве точек пропорционально увеличению погрешности измерения углов. Характер же влияния формы засечки можно описать так: в рабочей зоне перегрузочного комплекса значения погрешностей остаются практически одинаковыми и увеличиваются при приближении к нулю по оси X и в районе 22 метров по оси У. Причем, увеличение значений погрешности находится вне зоны перегрузки реактора, а следовательно, не повлияет на точность определения координат РЗМ.

Во втором варианте исследования в измеренные углы были внесены случайные погрешности, смоделированные по формулам статистического моделирования. Значения погрешности измеренных углов задавались по той же схеме, что и в первом варианте. Характер распределения погрешностей в этом варианте практически повторяет их распределение в первом варианте, но в этом случае наблюдаются случайно распределенные увеличения погрешности определения координат.

Третий вариант исследования заключался в изменении количества исходных пунктов, используемых для определения положения и уравнивания координат РЗМ при постоянной погрешности измерения углов. Результаты позволяют сделать вывод о независимости средней квадратической погрешности определения положения РЗМ из обратной многократной угловой засечки при изменении количества исходных пунктов с 6 до 4. Количество исходных пунктов определяется условиями видимости в реакторном зале.

Исследования позволили так же определить оптимальное значение погрешности измерения углов при заданной допустимой погрешности

определения координат РЗМ. Так, например, для достижения точности определения координат в любой точке рабочей зоны РЗМ равной 0,8 мм, необходимо выполнять измерения углов засечки с ошибкой 5" (рисунок 7).

В качестве опорной сети, для определения координат перегрузочного комплекса по измеренным лазерной системой углам обратной геодезической засечки, предложено использовать два варианта инженерно-геодезических построений, состоящих из шести пунктов и разных комбинаций линейных и

Рисунок 7 - Погрешность определения положения РЗМ при статистическом моделировании случайной ошибки измерения углов

тц=5"

Выполнен предрасчет точности проекта инженерно-геодезической сети (рисунок 8) в различных комбинациях линейных и угловых измерений.

В работе получены данные о требуемой точности измерения углов и линий в сети.

Таким образом, полученная математическая модель точности определения координат РЗМ и ее компьютерная реализация, позволяет получать достоверную информацию о состоянии и положении РЗМ в реакторном зале, получать точностные характеристики определений и выполнять исследования факторов, влияющих на точность определения положения РЗМ, для учета их величин при определении координат.

Заключение (основные выводы)

В процессе выполненных в данной работе исследований получены следующие результаты:

1) Выполнено обоснование точности геодезических измерений при определении положения скафандра РЗМ относительно технологических каналов реактора с учетом существующих допусков.

2) Разработана схема автоматизированной системы наведения РЗМ на каналы реактора на основе цифровых видеоустройств и кодовых носителей информации. Выполнен анализ ошибок, возникающих при определении положения РЗМ.

3) Разработана конструктивная схема автоматизированной системы наведения РЗМ на основе сканирования лазерным лучом. Рассмотрены ошибки, влияющие на точность определения координат РЗМ.

4) На основе разработанного алгоритма реализована на ЭВМ программа исследования точности определения координат методом статистического моделирования ошибок геодезических измерений.

5) Разработан алгоритм и метод компьютерной реализации математической модели работы РЗМ по геодезическим данным с визуализацией перемещения РЗМ, в режиме реального времени.

6) Предложена и реализована трехмерная интерпретация пространственно распределенного массива ошибок определения координат в любой точке рабочей зоны РЗМ.

7) Разработана методика создания опорной инженерно-геодезической, исходя из специфический условий реакторного цеха АЭС. Выполнен предрасчет точности проектов инженерно-

геодезических сетей в разных комбинациях линейно - угловых измерений.

Список опубликованных рабог по теме диссертации.

Основные результаты выполненных исследований и разработок были доложены на научно-технических конференциях СГГА и Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике и опубликованы в 7 работах.

1) Твердовский О.В. Разработка автоматизированной системы наведения перегрузочного комплекса на каналы реактора // Новосиб. межвуз. науч. конф. «Интеллектуал, потенциал Сибири»/ Сб. тез. докл./ Новосиб. гос. акад. стр., - Новосибирск, 1993. С 65.

2) Твердовский О.В. Автономная система наведения РЗМ на каналы реактора на основе лазерной сканирующей системы.// Вест. СГГА,- 1996.-Вып. 1. С 68-71.

3) Твердовский О.В. Исследование геометрического фактора автоматизированной системы наведения РЗМ на каналы реактора РБМК методом математического моделирования.// Третий сиб. конгр. по приклад, и индустриал, математике, посвящ. памяти С.Л.Соболева (1908-1989) (ИНПРИМ-98): Тез. докл., Ч. 111. - Новосибирск: Изд. ин. математики СО РАН, 1998. -С 122.

4) Твердовский О.В. Исследование формы обратной засечки для определения положения РЗМ по геодезическим данным.//

Соврем, проблемы геодезии и оптики: Международ, научно-гехн. конф., посвящ. 65-летию СГТА-НИИГАиК, 23-27 нояб. 1998 г.: Тез. докл.-Новосибирск, 1998. - С 132.

5) Твердовский О.В. Математическое моделирование состояния технологического оборудования реакторного цеха АЭС.// Четвертый сибир. конгр. по приклад, и индустриал, математике, посвящ. памяти М.А.Лаврентьева (1900-1980) (ИНПРИМ-2000): Тез. докл., Ч. IV. - Новосибирск: Изд. ин. математики, 2000. - С. 74.

6) Твердовский О.В. Трехмерная интерпретация результатов оценки точности определения координат из обратной угловой многократной геодезической засечки.// Вест. СГГА, 2000.-Вып. 5. С. 65.

7) Исследование деформаций сооружений и оборудования ЛАЭС геодезическими методами: Отчет о НИР./ СГГА: Руководитель И.В. Лесных. - Новосибирск, 1997. - 52 с.