陈梦雪 蒋波 李林洪
摘 要
介绍了激光测距仪测距技术及其在XX堆厅吊车控制系统中的安装和应用，重点介绍其在吊车定位及自动对中中的应用，使用该技术，可以实现对吊车位置的准确实时定位，解除了现在普遍应用的吊车控制系统对自动对中初始目标位置的限制，还可以引入一些扩展应用，方便了操作人员的操作。
关键词
激光测距仪;定位;自动对中
中图分类号： TG334.9 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 77
0 引言
堆厅吊车是进行核燃料装载必不可少的设备，在反应堆运行期间，承担着把辐照材料吊入、吊出堆芯孔道的任务。
XX堆厅吊车控制系统采用光电开关检查位置区域，无法自动获取大小车的准确位置，所以仅可在0#孔道和1～9#孔道间实现自动对中，且大车的初始位置和欲对中的目标孔道必须分别位于大车运行方向第二个光电开关（安装于大车行程的中间位置）的两侧，若位于同侧，则不具备自动对中功能。
1 激光测距仪
激光测距是当前广泛应用的定位技术，利用激光的非接触性、快速性及高精度特性对目标进行准确定位，有利于改善整合行吊运动控制特性，准确、快速到达预定位置，减少人员来回定位时带来的工作效率低下等问题。
激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定（又称激光测距）的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。
激光测距是光波测距中的一种测距方式，如果光以速度c 在空气中传播在A、B 两点间往返一次所需时间为t，则A、B 两点间距离D可用下列表示。
D=ct/2
式中：
D——测站点A、B两点间距离;
c——速度;
t——光往返A、B一次所需的时间。
由上式可知，要测量A、B 距离实际上是要测量光传播的时间t，根据测量时间方法的不同，激光测距仪通常可分为脉冲式和相位式两种测量形式。
脉冲法是测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。脉冲法测量距离的精度是一般是在10厘米左右。另外，此类测距仪的测量盲区一般是1米左右。
而相位测量测量调制在红外或者激光上面的信号相位，通常精密测距需要全反射棱镜配合，直接以光滑的镜面反射测量，光反射回来的信号强度够大，与此可以知道，发射激光源一定要与反射面垂直，否则返回信号过于微弱将无法得到精确距离。相位激光测距仪精度可达到1毫米误差，适合各种高精度测量用途。
吊车测量系统可用相位激光测距仪实现吊车的实时定位。根据堆厅大小，选择中距离传感器，测量范围为50mm至30000mm，即可满足吊车可达区域的测量需求。
2 吊车速度的设置
吊车在运行过程中具有较大惯性，为了降低惯性对定位带来的影响，需实现大小车的调速;同时为了使大小钩的吊取操作更稳定，需实现大小钩的调速。
采用变频器实现电机驱动以及方向和速度控制，以此实现大小车和大小钩的缓启、缓停功能。
大钩、小钩的手动状态下速度只有高速、低速两个选择，大车、小车手动状态下速度分为5档，为1档（20%额定速度）、2档（40%额定速度）、3档（60%额定速度）、4档（80%额定速度）、5档（100%额定速度），这些速度均可在PLC中重新设置。
3 仪器的安装
在定位和自动对中中需要获取吊钩的当前位置信息，该位置可以通过测量大小车距离横向和纵向墙面的距离得到，因此，只需在大车、小车的适当位置分别安装一台激光测距仪，并且以通讯方式接入PLC即可。其对吊车运行的控制原理如图1所示，激光测距仪测得到位置信息模拟信号送到控制柜PLC处理后对吊车的方向和速度进行调控。
如图2，A、B为安装于大小车上的激光测距仪，a为A对应的置于墙壁上与A垂直的固定位置的反光板，b为B对应的置于大车上靠近墙壁的与B垂直的固定位置的反光板，激光测距仪发出的信号送到控制柜的PLC处理后对吊车进行控制。S1、S2、S3、S4为限位开关，吊车运行过程中遇到限位开关即停止运行，K1、K2为光电开关，吊车运行过程中遇到光电开关吊钩自动上升至一定高度，以免撞到房间1的墙壁。
4 吊车定位
定义吊车安装大厅的左下角为三维直角坐标系的原点。大车上的激光测距仪测量横向（X轴方向）到墙面反光板的距离，该距离与激光测距仪X方向的坐标经计算修正后即得到大车X方向的坐标值;小车上的激光测距仪测量纵向（Y轴方向）到大车上的反光板的距离，该距离与激光测距仪及反光板Y方向的坐标经计算修正后即得到小车Y方向的坐标值。这两个方向的坐标值作为大小车位置信息送入PLC，即实现了大小车的定位。
送入PLC大小车的实时位置信息可应用于后续的自动对中过程，同时也可以显示于显示器上供操作人员观察使用。
5 自动对中
首先将堆厅10个固定孔道的位置信息事先保存到PLC控制器内，若自动对中的对象为堆厅内的10个固定孔道之一，则只需在控制台上选择孔道即可，如需要吊取堆厅内孔道位置以外的物体，则需要事先测量该位置的坐标值（精确度要求高时可选择用激光测距仪测得）并手动输入PLC系统中供选择。吊车的自动对中原理如图3所示，控制系统对目标位置坐标和激光测距仪测得的吊车当前位置进行比较后控制变频器驱动马达调速。
大车的自动对中过程如下：
大车的运行速度在自动状态下下分为高速（100%额定速度）和低速（20%額定速度），预设低速运行距离为S。
设测得大车X轴方向位置坐标为X1（实时测量），目标点的X轴方向位置坐标为X2，则D=X2-X1为目标点距大车的距离。大车运行方向和速度确定如下：
当D>0时，大车向右运行;当D<0时，大车向左运行，当D=0时，大车停止运行。
当D>S时，大车高速运行;当D=S时，进行高低速切换;当D 小车在Y轴方向上的自动运行同理。 考虑到大小车启动、停止、加速、减速过程中惯性的影响，需要在实际调试中通过定时运行的方式作适当修正。 大小车PLC控制下定位及自动对中流程见图4在此运行过程中，程序要时刻检测是否有手动操作的切换，如果有，自动对中程序马上中止进入手动操作程序。 6 扩展应用 运用激光测距仪吊车实现实时位置定位后，突破了目标位置的限制，但现在的吊车控制系统的吊车自动对中功能仅可以在设定的10个孔道间进行，可以进一步改进，即添加目标位置自定义功能，将目标位置的坐标输入到PLC中，该位置即可和预先定义的10个孔道一起供操作员选择即可。 除此之外，还可以添加一块显示屏，将激光测距仪实时测得的吊车位置和运行方向、速度、故障状态等信息一起显示出来供操作员查看。 7 结论 使用激光测距仪可以对吊车位置实现精确的实时定位，从而消除了后续自动对中流程的初始位置限制，实现了整个吊车运行范围内任意目标位置的自动对中，除此之外，还可以实现目标位置自定义及吊车实时位置显示等扩展应用，方便了堆厅操作人员对堆厅内吊车的操作。 参考文献 [1]孙长库，叶生华.激光测距技术，天津大学出版社. [2]王秀芳，王江，杨向东，王磊，吴海志.相位激光测距技术研究概述，《激光杂志》2006.27（2）. [3]陆惠惠.实用软件工程，清华大学出版社.
