VOORWOORD De basis voor dit eindwerk werd gelegd gedurende een praktische stage tijdens de maand september. Het doel van deze stage was ervaring opdoen in een reële werkomgeving alsmede vertrouwd raken met het onderwerp van mijn eindwerk. Dit afstudeerverslag is bedoeld voor diegene die interesse hebben in niet-destructief-onderzoek op brandstofnaalden. Ook kan het als naslagwerk dienen voor de verdere implementatie van de nieuwe sturingen. De conclusies van het voorontwerp vormen de basis van het eigenlijke ontwerp van de meetbanken. Van deze gelegenheid wil ik gebruik maken om mijn oprechte dank te betuigen aan mijn promotoren dhr. Yves Parthoens, dhr. August Gys en dhr. M. Van Dosselaer voor hun bereidwillige medewerking en de boeiende ervaringen die ik heb opgedaan tijdens deze periode. Tevens wil ik dhr. Luk Mies en dhr. Dirk Delnooz bedanken voor hun hulp met al de technische details. Verder dank ik alle mensen van de afdeling LHMA en meer in het bijzonder: Leo Sannen, Mark Verwerft, en alle anderen die ik vergat te vernoemen. Ook wil ik de leden van de afstudeercommissie bedanken voor hun waardevolle bijdrage. De auteur geeft de toelating dit afstudeerwerk voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van het afstudeerwerk te kopiëren voor eigen gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit dit afstudeerwerk.
Jardin Maarten
Antwerpen, dinsdag 16 april 2002
i
Eindwerkovereenkomst Over enige jaren voorziet het Laboratorium voor Hoog en Middelmatige Activiteit (LHMA) van het studiecentrum voor kernenergie (SCK•CEN) een vernieuwing van de ‘hot cell’ voor niet-destructiefonderzoek van bestraalde brandstofelementen. Deze cel omvat drie meetbanken waarop radiografie, gamma-spectrometrie, wervelstroommetingen, klassieke lengtemetingen en profilometrie metingen worden verricht.
ii
Abstract (Nederlands) Binnen afzienbare tijd voorziet het Laboratorium voor Hoog en Middelmatige Activiteit (LHMA) van het studiecentrum voor kernenergie (SCK•CEN) een vernieuwing van de ‘hot cell’ voor nietdestructief-onderzoek op bestraalde brandstofelementen. Deze cel omvat drie meetbanken waarop radiografie, gamma-spectrometrie, wervelstroommetingen, klassieke lengtemetingen en diameter metingen worden verricht. Het eerste deel van het eindwerk behandelt een voorstudie voor het ontwerpen van de nieuwe meetbanken. Hierbij werd een grondige analyse gemaakt van de reeds gekende problemen en de eisen waaraan het nieuwe ontwerp moet voldoen. Hierna werden de verschillende alternatieven, die in het ontwerp van de meetbanken gevolgd kunnen worden, onderzocht en vergeleken. Tijdens dit voorontwerp werd reeds begonnen met het gedeeltelijk vervangen van de motorsturingen voor de huidige meetbanken. Voor het uitwerken en leveren van de sturing werd met verschillende bedrijven contact opgenomen. Het bouwen van de testopstelling en het schrijven van het PLC programma en de user interface in LabVIEW was eveneens mijn verantwoordelijkheid.
iii
Abstract (English) Within a limited number of years, the Laboratory of High and Middle Activity (LHMA) of the Nuclear Centre (SCK•CEN) has scheduled a replacement of the “hot cell” for non-destructive testing of irradiated fuel elements. This cell contains three experimental components where radiography, gamma spectroscopy, Eddy current measurements, classical length and diameter measurements are performed. The first part of this work deals with a pre-study of the design of the new experimental set-up. Here a thorough analysis has been made of the known problems and the requirements for the new design. In a further stage, the different alternatives, possible for the development of the new experimental set-up, are investigated and compared. During this pre-concept we already started to partially replace the motor steering of the actual set-up. Different companies have been contacted for the design and the delivery of this steering. The building up and the testing of this experimental set-up were my responsibility. I also did the writing of the PLC program and of the user interface in LabVIEW.
iv
Résumé (Français) Le LHMA, Laboratoire des Hautes et Moyennes Activités du Centre d’Étude de l’énergie Nucléaire (SCK•CEN) a plannifié d'ici un petit nombre d'années le remplacement d'une “cellule chaude” pour l'essai non destructif d'éléments combustibles irradiés. Cette cellule contient trois composantes expérimentales où peuvent s'effectuer radiographie, spectroscopie gamma, mesure de courant d'Eddy et mesure classique de longueur et de diamètre. La première partie de ce travail traite d'un avant-projet de la nouvelle installation expérimentale. Y a été faite une analyse complète des problèmes rencontrés et des exigences pour le nouveau modèle. Dans une étape ultérieure, les différentes alternatives possibles pour le développement de la nouvelle installation expérimentale ont été examinées et comparées. Lors du préconcept nous avons déjà commencé à remplacer partiellement la direction du moteur de l'installation actuelle. Différentes sociétés ont été contactées pour le dessin et la livraison de cette direction. La construction et l'essai de cette installation expérimentale étaient sous ma responsabilité. J'ai également écrit le programme PLC et l'interface utilisateur dans LabVIEW.
v
INHOUDSOPGAVE VOORWOORD ................................................................................................................................................................................... I EINDWERKOVEREENKOMST ....................................................................................................................................................II ABSTRACT (NEDERLANDS)....................................................................................................................................................... III ABSTRACT (ENGLISH) ................................................................................................................................................................ IV RÉSUMÉ (FRANÇAIS)..................................................................................................................................................................... V INHOUDSOPGAVE ........................................................................................................................................................................ VI LIJST MET FIGUREN ................................................................................................................................................................ VIII LIJST MET TABELLEN ................................................................................................................................................................ IX 1
INLEIDING...............................................................................................................................................................................1 1.1 STUDIECENTRUM VOOR KERNENERGIE .....................................................................................................................................1 1.1.1 Activiteiten [1] .................................................................................................................................................................1 1.1.2 Laboratorium voor hoge en matige activiteit..................................................................................................................2 1.2 PROBLEEMSTELLING .................................................................................................................................................................3 1.3 OPBOUW ...................................................................................................................................................................................3
2
DE INSTALLATIE VOOR NIET-DESTRUCTIEF ONDERZOEK (NDO) ....................................................................4 2.1 INLEIDING .................................................................................................................................................................................4 2.1.1 Druk-water reactor (PWR) ..............................................................................................................................................4 2.2 DE “HOT CELL” VOOR NIET-DESTRUCTIEF-ONDERZOEK ............................................................................................................6 2.3 HET MECHANISME VAN DE MEETBANKEN .................................................................................................................................7 2.3.1 De slede............................................................................................................................................................................7 2.3.2 De ondersteuning of supports..........................................................................................................................................7 2.3.3 Hoogteregeling.................................................................................................................................................................8 2.3.4 Sturing van de meetbanken..............................................................................................................................................8 2.3.5 Elektrische bedrading meetbank 3 ..................................................................................................................................9 2.4 LENGTE EN DIAMETER METING ...............................................................................................................................................10 2.4.1 Inleiding .........................................................................................................................................................................10 2.4.2 De installatie ..................................................................................................................................................................10 2.4.3 Principe Lengtemeting ...................................................................................................................................................11 2.4.4 Principe diametermeting................................................................................................................................................11 2.5 OXIDE EN EROSIE METINGEN ...................................................................................................................................................12 2.5.1 Principe [4]....................................................................................................................................................................12 2.5.2 Oxidedikte meting ..........................................................................................................................................................13 2.5.3 Breuk en erosiesleet meting ...........................................................................................................................................13 2.6 X-STRALEN RADIOGRAFIE.......................................................................................................................................................14 2.6.1 Inleiding .........................................................................................................................................................................14 2.6.2 Principe ..........................................................................................................................................................................14 2.6.3 De installatie ..................................................................................................................................................................15 2.7 GAMMA METINGEN .................................................................................................................................................................17 2.7.1 Inleiding .........................................................................................................................................................................17 2.7.2 De installatie ..................................................................................................................................................................17 2.7.3 Gross gamma meting .....................................................................................................................................................18 2.7.4 Gamma spectrometrie....................................................................................................................................................18
3
HET VOORONTWERP ........................................................................................................................................................19 3.1 ALGEMEEN .............................................................................................................................................................................19 3.2 GEKENDE PROBLEMEN MET DE HUIDIGE MEETBANKEN ...........................................................................................................20 3.3 EISEN VOOR DE NIEUWE MEETBANK .......................................................................................................................................21 3.3.1 Snelheden .......................................................................................................................................................................21 3.3.2 Nauwkeurigheid .............................................................................................................................................................22 3.4 AANDRIJVING EN GELEIDING ..................................................................................................................................................23 3.4.1 Kleinst mogelijke beweging voor de lengtemeting ........................................................................................................23 3.4.2 Alternatieven voor de aandrijving.................................................................................................................................23 3.4.3 rack and pinion met voorspanning ................................................................................................................................24 3.4.4 Kogelomloop spindel .....................................................................................................................................................25 3.4.5 Lineaire motoren............................................................................................................................................................26 3.5 POSITIE METING ......................................................................................................................................................................27 3.5.1 Algemeen ........................................................................................................................................................................27 3.5.2 Sony magnescale sensor ................................................................................................................................................27 3.5.3 Laser interferometer ......................................................................................................................................................28 3.5.4 Magnetostrictieve sensor ...............................................................................................................................................30 vi
3.6 DIAMETERMETING ..................................................................................................................................................................32 3.6.1 Nauwkeurigheid [9] .......................................................................................................................................................32 3.6.2 Meetmethode ..................................................................................................................................................................32 3.7 ONDERSTEUNING NAALD ........................................................................................................................................................33 3.8 SLEEPKETTING ........................................................................................................................................................................34 3.9 STURING .................................................................................................................................................................................34 4
VERNIEUWING VAN DE MOTORSTURING.................................................................................................................35 4.1 INLEIDING ...............................................................................................................................................................................35 4.1.1 Waarom vernieuwen? ....................................................................................................................................................35 4.1.2 Verloop van het project..................................................................................................................................................35 4.2 STAPPENMOTOREN .................................................................................................................................................................36 4.2.1 Algemeen ........................................................................................................................................................................36 4.2.2 Werking stappenmotor [10]...........................................................................................................................................37 4.2.3 Halve stap - en microstap werking ................................................................................................................................39 4.2.4 Unipolaire en bipolaire motoren ...................................................................................................................................40 4.2.5 Type sturingen [11]........................................................................................................................................................42 4.3 EISEN STURING .......................................................................................................................................................................43 4.3.1 Eigenschappen van de huidige motoren........................................................................................................................43 4.3.2 Versterker.......................................................................................................................................................................43 4.3.3 Microstap werking .........................................................................................................................................................44 4.3.4 Synchronisatie assen......................................................................................................................................................44 4.3.5 Sturing ............................................................................................................................................................................45 4.4 VOORSTELLEN ........................................................................................................................................................................46 4.4.1 National instruments......................................................................................................................................................46 4.4.2 Siemens...........................................................................................................................................................................46 4.4.3 Rotero .............................................................................................................................................................................47 4.4.4 Caldic technics...............................................................................................................................................................47 4.5 KEUZE ....................................................................................................................................................................................48
5
DE TESTOPSTELLING .......................................................................................................................................................49 5.1 ALGEMEEN .............................................................................................................................................................................49 5.2 VERSTERKER ..........................................................................................................................................................................50 5.2.1 Koppeling met motoren..................................................................................................................................................50 5.2.2 Koppeling met sturing....................................................................................................................................................51 5.3 PLC STURING FM-357-2........................................................................................................................................................53 5.3.1 Werking ..........................................................................................................................................................................53 5.4 PLC PROGRAMMA ..................................................................................................................................................................54 5.4.1 Algemeen ........................................................................................................................................................................54 5.4.2 OB1: Cyclische programma verwerking .......................................................................................................................54 5.4.3 FC 100: JOG_MODE ....................................................................................................................................................55 5.4.4 FC 101: CPU_MODE ...................................................................................................................................................55 5.4.5 FC 102: ROLSTURING .................................................................................................................................................56 5.5 DE OPC INTERFACE................................................................................................................................................................57 5.5.1 Algemeen ........................................................................................................................................................................57 5.5.2 Configuratie OPC server ...............................................................................................................................................58 5.6 LABVIEW PROGRAMMA ........................................................................................................................................................59 5.6.1 Algemeen ........................................................................................................................................................................59 5.6.2 DataSocket .....................................................................................................................................................................60 5.6.3 LabVIEW Code ..............................................................................................................................................................60
6
NABESCHOUWING .............................................................................................................................................................64 6.1 6.2
HET VOORONTWERP ...............................................................................................................................................................64 VERNIEUWING VAN DE MOTORSTURING ..................................................................................................................................64
WOORDENLIJST ............................................................................................................................................................................65 GERAADPLEEGDE LITERATUUR.............................................................................................................................................66 BIJLAGE 1 DEFINITIEF ONTWERP ..........................................................................................................................................67 BIJLAGE 2 THEORIE MAGNETOSTRICTIE ...........................................................................................................................68 BIJLAGE 3 ADRESSENLIJST.......................................................................................................................................................69 BIJLAGE 4 PRIJSVERGELIJKING VOORSTELLEN .............................................................................................................70 BIJLAGE 5 TECHNISCHE VERGELIJKING ............................................................................................................................74 BIJLAGE 7 PLC PROGRAMMA ..................................................................................................................................................76
vii
LIJST MET FIGUREN Nummer
Pagina
FIGUUR 1 LUCHTFOTO SCK•CEN ..........................................................................................................................................................1 FIGUUR 2 PLATTEGROND VAN HET LABORATORIUM VOOR HOGE EN MATIGE ACTIVITEIT ........................................................................2 FIGUUR 3 SCHEMATISCHE VOORSTELLING VAN EEN PWR CENTRALE ....................................................................................................4 FIGUUR 4 BRANDSTOF ASSEMBLAGE MET CONTROLESTAAF....................................................................................................................5 FIGUUR 6 MECHANISME VAN DE MEETBANKEN [3] .................................................................................................................................7 FIGUUR 7 ONDERSTEUNING VAN DE BRANDSTOFSTAVEN ........................................................................................................................7 FIGUUR 8 STURING VAN DE MEETBANKEN ..............................................................................................................................................8 FIGUUR 9 PRINCIPE DIAMETERMETING ..................................................................................................................................................10 FIGUUR 10 PRINCIPE WERVELSTROOMMETING ......................................................................................................................................12 FIGUUR 11 OXIDEDIKTE METING ...........................................................................................................................................................13 FIGUUR 12 RADIOGRAFIE VAN EEN BRANDSTOFNAALD.........................................................................................................................14 FIGUUR 13 COMPENSATIE STUK VOOR RADIOGRAFIE ............................................................................................................................15 FIGUUR 14 LOODAFSCHERMING EN TUNNEL GETEKEND IN MECHANICAL DESKTOP 5...........................................................................15 FIGUUR 15 MECHANISME FILMROL .......................................................................................................................................................16 FIGUUR 16 MECHANISME VOOR DE GAMMA METINGEN ........................................................................................................................18 FIGUUR 18 ONZEKERHEID OP HET AANTAL UITGEVOERDE STAPPEN BIJ DE LENGTEMETING ..................................................................23 FIGUUR 19 SPLIT-PINION AANDRIJVING, BRON ATLANTA ......................................................................................................................24 FIGUUR 20 DUAL PINION AANDRIJVING .................................................................................................................................................24 FIGUUR 21 KOGELOMLOOPSPINDEL VAN SKF TYPE TN/PN. ...............................................................................................................25 FIGUUR 22 EEN MOGELIJK ONTWERP VOOR DE AANDRIJVING................................................................................................................25 FIGUUR 23 LINEAIRE MOTOR VAN BALDOR TYPE BL............................................................................................................................26 FIGUUR 24 VOORBEELD VAN EEN SLEDE AANGEDREVEN DOOR EEN LINEAIRE MOTOR BRON BALDOR ..................................................26 FIGUUR 25 PRINCIPE VAN LENGTEMETING MET LASER ..........................................................................................................................28 FIGUUR 26 WERKINGSPRINCIPE INTERFEROMETER ...............................................................................................................................29 FIGUUR 27 PRINCIPE MAGNETOSTRICTIEVE SENSOR ..............................................................................................................................30 FIGUUR 28 FOTO VAN DE ONDERSTEUNING ...........................................................................................................................................33 FIGUUR 29 NAALDONDERSTEUNING GETEKEND IN MECHANICAL DESKTOP 5.......................................................................................33 FIGUUR 30 SLEEPKETTING VAN KABELSCHLEPP ...................................................................................................................................34 FIGUUR 31STAP 1 .................................................................................................................................................................................37 FIGUUR 32 STAP 2 ................................................................................................................................................................................37 FIGUUR 33 STAP 3 ................................................................................................................................................................................37 FIGUUR 35 VOLLE STAP STURING MET GELIJKTIJDIGE BEKRACHTIGING VAN DE FASEN .........................................................................38 FIGUUR 36 SCHOMMELEND MAGNETISCH VELD BIJ HALVE STAP STURING ZONDER STROOM BEPERKING ...............................................39 FIGUUR 37 STROOMVERLOOP IN DE SPOELEN BIJ HALVE STAP STURING ................................................................................................39 FIGUUR 38 ZES - EN ACHTDRADIGE STAPPENMOTOR .............................................................................................................................40 FIGUUR 39 UNIPOLAIRE STAPPENMOTOR IN SERIE AANGESLOTEN .........................................................................................................40 FIGUUR 40 UNIPOLAIRE STAPPENMOTOR PARALLEL AANGESLOTEN .....................................................................................................41 FIGUUR 41UNIPOLAIRE STAPPENMOTOR “HALF COIL” AANGESLOTEN ..................................................................................................41 FIGUUR 42 OVERZICHT STAPPENMOTORSTURING NATIONAL INSTRUMENTS .........................................................................................46 FIGUUR 43 DE TESTOPSTELLING ...........................................................................................................................................................49 FIGUUR 47 PRINCIPE OPC SERVER........................................................................................................................................................57 FIGUUR 49 SET PG/PC INTERFACE .......................................................................................................................................................58 FIGUUR 50 OPC SERVER .......................................................................................................................................................................58 FIGUUR 51 VOORBEELD VAN EEN LABVIEW PROGRAMMA ..................................................................................................................59 FIGUUR 52 DATASOCKET FUNCTIES ......................................................................................................................................................60 FIGUUR 53 MENU VOOR HET SELECTEREN VAN ÉÉN OPC ITEM .............................................................................................................61 FIGUUR 54 USER INTERFACE VAN HET LABVIEW PROGRAMMA...........................................................................................................61 FIGUUR 55 SELECTEREN VAN ITEMS MET DATASOCKET FUNCTIE .........................................................................................................62 FIGUUR 56 VOORGEPROGRAMMEERDE ITEMS .......................................................................................................................................62 FIGUUR 57 LEZEN VAN DE OPC ITEMS MET DATASOCKET FUNCTIES ...................................................................................................63
viii
LIJST MET TABELLEN Nummer
Pagina
TABEL 1 SNELHEDEN VAN DE NAALD VOOR DE VERSCHILLENDE METINGEN .........................................................................................21 TABEL 2 NAUWKEURIGHEDEN VAN METINGEN EN STANDAARDEN ........................................................................................................22 TABEL 3 BEKRACHTIGINGVOLGORDE VAN DE POLEN ............................................................................................................................38 TABEL 4 BEKRACHTIGINGVOLGORDE VAN DE POLEN ............................................................................................................................38 TABEL 5 BRON SUPERIOR ELECTRIC .....................................................................................................................................................43 TABEL 6 PINBEZETTING VAN VERBINDINGSKABEL ................................................................................................................................51 TABEL 7 DE I/O LIST VAN DE PROEFOPSTELLING ...................................................................................................................................54 TABEL 8 PRIJSVERGELIJKING VOORSTELLEN .........................................................................................................................................70 TABEL 10 PRIJSVERGELIJKING VOORSTELLEN .......................................................................................................................................72 TABEL 11 PRIJSVERGELIJKING VOORSTELLEN .......................................................................................................................................73 TABEL 12 TECHNISCHE VERGELIJKING VOORSTELLEN ..........................................................................................................................74 TABEL 13 BRON SCK•CEN..................................................................................................................................................................75
ix
H O O F D S T U K
1
1 Inleiding 1.1 Studiecentrum voor Kernenergie Het Studiecentrum voor Kernenergie (SCK•CEN) is een onderzoeksinstelling van openbaar nut voor wetenschappelijk onderzoek inzake veilige en vreedzame toepassingen van kernenergie voor industrieel en medisch gebruik. Het gaat uit van de huidige en toekomstige behoeften en het behoud van maximale veiligheidswaarborgen voor mens en milieu. Daarnaast staat het SCK•CEN ook in voor een ruime dienstverlening aan de overheid, de industrie, de wetenschappelijke en medische wereld en de bevolking. Het Studiecentrum wordt aanvaard LHMA als een geloofwaardige en objectieve bron van informatie. Figuur 1 Luchtfoto SCK•CEN 1.1.1
Activiteiten [1]
Een overzicht van de nucleaire cyclus vat de verschillende onderzoeksdomeinen op het Studiecentrum samen. Een volledige nucleaire cyclus bestaat, kort samengevat, uit uraniumontginning, productie van splijtstoffen, bouw en exploitatie van nucleaire installaties, de eventuele recyclage van splijtstoffen, ontmanteling en uiteindelijk berging van radioactief afval. De cyclus zal pas helemaal doorlopen zijn na de ontmanteling van de nucleaire installaties en de definitieve berging van het nucleair afval. Splijtstof: het onderzoek naar de optimalisering van het gebruik van de splijtstoffen in de reactoren is economisch en ecologisch interessant. Via dit onderzoek tracht men te weten te komen hoe splijtstof reageert op een meer langdurige bestraling in de reactor. Mengoxiden: de optimale recyclage van uranium - en plutoniumoxide (mengoxiden of MOX genaamd) past in de filosofie van duurzame ontwikkeling. MOX is een procédé dat op het SCK•CEN is ontwikkeld in samenwerking met Belgonucléaire. Men zoekt verder naar de beste samenstelling van de bundels volgens de eisen van de klanten, alsook naar de beste bergingsmethode van de bestraalde MOX. Reactorveiligheid: het onderzoek is in hoofdzaak gericht op de bepaling van de veilige levensduur van de kernreactoren. Ook dat dient een economisch en ecologisch doel. Hoe juister de levensduur van kerncentrales wordt bepaald, hoe minder er te bouwen en later te ontmantelen zijn. Kernenergie vermindert het verbruik van fossiele brandstoffen en dus ook het broeikaseffect.
1
BR2-Reactor: deze neemt in het onderzoek een belangrijke plaats in. Het is een van 's werelds meest performante onderzoeksreactoren. Hij is zo ontworpen dat onderzoek gepaard kan gaan met de productie van radio-isotopen voor de nucleaire geneeskunde. Myrrha: met dit project wordt al aan de periode na BR2 gedacht, want een reactor voor materialenonderzoek gaat niet eeuwig mee. Myrrha is een uniek concept. Het koppelt een deeltjesversneller, een subkritisch systeem en een spallatiebron voor onderzoek naar de transmutatie van radioactief afval en de productie van radio-isotopen voor de nucleaire geneeskunde. Stralingsbescherming: het Studiecentrum houdt op dit vlak zijn kennis en internationale faam hoog en wil zijn positie versterken. Die kennis staat ter beschikking van de overheid en de bevolking via participaties aan Europese programma's. Bescherming van de mens en milieuhygiëne staan centraal. 1.1.2
Laboratorium voor hoge en matige activiteit
Figuur 2 Plattegrond van het laboratorium voor hoge en matige activiteit Het eindwerk vond plaats in het Laboratorium voor Hoge en Matige Activiteit (LHMA) op de afdeling Reactor-Materialen Onderzoek (RMO). Binnen deze afdeling wordt onderzoek gedaan naar de stralingseffecten op materialen. Voor dit doel is de afdeling opgesplitst in volgende onderzoeksdomeinen: mechanische testen, corrosie onderzoek, microstructuur onderzoek en fysico chemie. Voor dit fysico chemisch onderzoek bevindt zich in het gebouw de “hot cell” voor niet-destructief-onderzoek die het onderwerp van het eindwerk vormde. Deze cel bevindt zich in de gecontroleerde zone van het gebouw (Zie rood gekleurde gebieden op tekening). Dit wil zeggen dat de toegang tot deze zone streng gecontroleerd wordt om besmetting van omgeving en personen te vermijden.
2
1.2 Probleemstelling De aanleiding voor dit eindwerk komt voort uit een praktisch probleem. Namelijk het vernieuwen van de installatie voor niet-destructief-onderzoek van de afdeling RMO. De oude installatie bestaat uit drie meetbanken waarop radiografie, gamma-spectrometrie, wervelstroommetingen, klassieke lengtemetingen en diameter metingen worden verricht op bestraalde brandstofnaalden. De straling van deze naalden brengt specifieke problemen met zich mee zoals de beperkte bereikbaarheid, onderhoudsmogelijkheden en de versnelde verouderingsverschijnselen van de installatie. Bij het ontwerp van de huidige meetbanken is weinig aandacht besteed aan deze problemen zodat de meetbanken vaak stuk gaan. Als voorbeeld kunnen de kunststof toevoerpijpjes voor persluchtvoorziening aangehaald worden die verbrossen waardoor de installatie regelmatig zonder perslucht valt. Een vernieuwing van de meetbanken dringt zich dan ook op waarbij de meetbanken volledig opnieuw ontworpen dienen te worden. De sturing van de meetbanken heeft in het verleden al een vernieuwing ondergaan. Bij deze vernieuwing zijn echter de oorspronkelijke stappenmotoren en versterkers behouden. Omdat nu ook deze versterkers steeds vaker uitvallen en de firma die deze geleverd heeft geen verder onderhoud wil garanderen is ervoor gekozen een deel van de sturingen te vernieuwen. Hierbij kunnen de vrijkomende versterkers gebruikt worden als reserve voor de rest van de installatie. Het doel van dit eindwerk is dat het er zal toe bijdragen dat de cel voor niet-destructief onderzoek in de toekomst een volledige renovatie kan ondergaan op basis van het voorontwerp. De vernieuwing van de sturing zal de goede werking verzekeren totdat de renovatie een feit is en de kans bieden ervaring op te doen met moderne motorsturingen.
1.3 Opbouw De structuur van dit werk bestaat uit twee delen. In het eerste deel wordt het voorontwerp behandeld waarin de verschillende alternatieven worden bekeken voor het definitieve ontwerp. Om het geheel echter overzichtelijk en leesbaar te houden heb ik er voor gekozen om meer gedetailleerde informatie in bijlage toe te voegen. Het tweede deel handelt over de vernieuwing van de sturingen van de huidige meetbank 3. Hierin worden de verschillende offertes besproken samen met de realisatie van de proefopstelling.
3
H O O F D S T U K
2
2 De installatie voor niet-destructief onderzoek (NDO) 2.1 Inleiding De installatie bestaat uit drie meetbanken, met ieder haar specifieke metingen. Op de eerste meetbank gebeuren de eddy-current en de gamma metingen en de visuele inspectie. De tweede meetbank is ingericht voor lengte en diametermeting en de derde voor de X-stralen Radiografie (RX). Als inleiding wordt eerst de cel voor NDT en de opbouw van de proefstaven beschreven. Aangezien de basis van elke meetbank identiek is wordt eerst het mechanisme van de meetbanken verduidelijkt voordat de specifieke metingen besproken worden. 2.1.1
Druk-water reactor (PWR)
Figuur 3 Schematische voorstelling van een PWR centrale Een PWR reactor bestaat uit een beperkt aantal onderdelen. In het reactorvat, waar de nucleaire reacties plaats vinden, bevinden zich brandstofassemblages met controle staaf, de koelvloeistof en de moderator. Buiten de kern bevinden zich de drie gescheiden koelcircuits voor het opwekken van elektriciteit. Een assemblage is een verzameling van brandstofstaven, in het jargon meestal naalden genoemd. De naalden hebben een lengte van 0,5 tot 4 meter en een diameter van 8 à 12 mm, zie tabel bijlage 6. De assemblages worden in het reactorvat gegroepeerd tot het hart. De naalden zijn opgebouwd uit een buis, vervaardigd uit een zirkoniumlegering, die aan weerszijden is dichtgelast met een stop. In de naald zitten UO2 of MOX pastilles opgestapeld en aangedrukt door een veer, zie figuur 4. De assemblages verblijven in de reactor voor een periode van 3 tot 5 jaar. Een typische PWR reactor bevat 193 elementen met daarin 51 000 naalden. Samen goed voor een totaal van 18 000 000 pastilles [2]. 4
In iedere assemblage bevinden zich controle staven. In deze staven bevinden zich pastilles die de neutronen afremmen. Deze pastilles kunnen bijvoorbeeld van cadmium zijn gemaakt zijn. De controle staven worden met behulp van een mechanische constructie op en neer bewogen in de reactor. Indien de staven naar beneden bewegen dooft de reactie omdat de vrije neutronen geabsorbeerd worden. In het tegenovergestelde geval worden de neutronen niet meer geabsorbeerd en komt de kettingreactie terug op gang. In de reactor bevindt zich de moderator, die de snelle neutronen vertraagt. In veel reactoren vervult de moderator eveneens de taak van koelvloeistof. De koelvloeistof absorbeert de warmte uit de reactie. In de meeste reactoren wordt hiervoor water gebruikt. Het water wordt opgewarmd tot 300°C door de kernreacties in de brandstofstaven. Om te voorkomen dat het gaat koken bevindt het zich onder een druk van ongeveer 150 bar. Het primaire koelcircuit, waar de reactor deel van uitmaakt, bestaat uit een pomp en een stoomgenerator. Het water dat in de reactor opgewarmd wordt gaat naar de stoom generator en wordt dan teruggepompt naar de reactor. In de stoom generator wordt de warmte uit het primaire circuit omgezet in stoom. Met deze stoom wordt de turbine gevoed die de generator aandrijft. Na de turbine passeert de stoom de condensator waarna het als water terug naar de stoomgenerator gepompt wordt.
Figuur 4 Brandstof assemblage met controlestaaf De hoge druk en temperatuur en de langdurige bestraling vormt een zeer grote mechanische belasting voor de naalden. Voor de ontwikkeling en certificatie van nieuwe brandstoffen wordt geregeld één of meer naalden bij wijze van steekproef uit de reactor gehaald om metingen op uit te voeren. Deze metingen kunnen in het reactorgebouw zelf gebeuren of in “hot cells” zoals op het SCK gebeurt in het labo LHMA.
5
2.2 De “hot cell” voor niet-destructief-onderzoek Om de operatoren van de meetbank en de omgeving te beschermen tegen de ioniserende straling zijn de meetbanken opgesteld in een zogenaamde warme cel, ook “hot cell” genoemd. Deze is opgebouwd uit twee verschillende afschermingen. De binnenste bescherming bestaat uit een luchtdichte roestvast stalen kast. De ruimte binnen deze kast wordt door een ventilatie systeem op onderdruk gehouden om te voorkomen dat radioactief stof naar buiten komt. De tweede afscherming biedt bescherming tegen de gamma straling en bestaat uit één meter dik beton. Om in de cel te kunnen kijken zijn in de Figuur 5 Vooraanzicht van de “hot cell” wanden vier vensters voorzien van dik loodglas. Handelingen in de cel worden uitgevoerd met manipulatoren. Dit zijn mechanische armen voorzien van twee vingers, die de bewegingen van de operator buiten de cel nabootsen. De bediening aan de buitenzijde gebeurt door middel van een arm met grijptang. De manipulatoren zijn zo geconstrueerd dat de bewegingen binnen de cel perfect die van de operator volgen. Om grotere verplaatsingen mogelijk te maken kan de arm binnen de cel doormiddel van elektrische motoren verplaatst worden. Herstellingen in deze cel zijn enkel mogelijk met speciale pakken waarbij de personen volledig afgeschermd zijn van de omgeving. Deze pakken hebben een eigen luchtvoorziening zodat geen besmetting met radioactief stof mogelijk is. De personen die de herstellingen doen kunnen hier slechts gedurende korte tijd verblijven omdat de dosis straling waaraan ze blootgesteld mogen worden beperkt is.
6
2.3 Het mechanisme van de meetbanken De drie meetbanken hebben ieder een totale lengte van 6 meter. Iedere meetbank heeft zijn eigen meettechnieken en apparatuur maar zijn identiek wat de aandrijving, ondersteuning en hoogte regeling betreft. De meetbanken zijn opgebouwd uit een tafel met daarop een geleiding met slede en twaalf ondersteuningsrolletjes.
Figuur 6 Mechanisme van de meetbanken [3] 2.3.1
De slede
De slede kan een translatie uitvoeren door middel van een stappenmotor waarop een worm gemonteerd is. De worm grijpt in op een wormwiel dat op zijn beurt ingrijpt op een tandlat tussen de twee horizontale staven van de geleiding. De worm wormwiel overbrenging en de tandlat zijn zodanig uitgevoerd dat een verplaatsing van 1 mm overeenkomt met 40 stappen van de stappenmotor. 2.3.2
De ondersteuning of supports
Figuur 7 Ondersteuning van de brandstofstaven Over de totale lengte van de meetbank zijn over gelijke afstanden van elkaar twaalf ondersteuningsrolletjes geplaatst. Deze doen dienst ter ondersteuning van de ingeklemde brandstofnaald, zodat deze niet kan doorbuigen. Omdat de supports in de baan van de slede zijn gelegen, moeten deze volledig naar omlaag gebracht kunnen worden zodat de slede er niet tegenaan botst. Het aandrijven van de supports gebeurt door middel van een persluchtcilinder, die bij bekrachtiging de supports naar beneden beweegt. 7
2.3.3
Hoogteregeling
De hoogte waarop de supports moeten staan is afhankelijk van de diameter van de naald en kan ingesteld worden met een stappenmotor. Deze zorgt voor de translatie van de nokkenas waardoor de positie van de nokken tegenover de supports mee verandert. Bij het omhoog bewegen van de support slaagt het hefboompje tegen de nok waardoor de beweging klem loopt. Door de afstand van de nok ten opzichte van de supports te veranderen is het mogelijk over een grotere hoek open te klappen en zo een andere hoogte in te stellen. Om de stappenmotor niet teveel te belasten is de bediening enkel mogelijk als alle supports naar beneden zijn gebracht. 2.3.4
Sturing van de meetbanken
Bij de huidige installatie wordt iedere stappenmotor gestuurd met een aparte sturing; zie figuur 8. Elke stappenmotorsturing heeft een aantal ingangen voor eindekoersschakelaars en alarmen, en zijn via een seriële lijn met de computer verbonden. De computer kan zo de gewenste commando’s en bewegingen sturen alsook informatie van de sturing opvragen, om zo de bewegingen te controleren en informatie op het scherm weer te geven. Om de meetbanken te bedienen terwijl men voor een raam van de cel staat is een extra toetsenbord voorzien aan het raam. Op deze manier is een ruwe positionering van de slede mogelijk. Meer uitgebreide I/O gebeurt via een digitale interface in de computer. Deze wordt naast het inlezen van het toetsenbord nog gebruikt om controleschakelaars op de meetbank in te lezen. Deze controleschakelaar worden onder meer gebruikt voor de wagendetectie, de positie schakelaars van de supports en het activeren van het toetsenbord.
Figuur 8 Sturing van de meetbanken
8
2.3.5
Elektrische bedrading meetbank 3
420 kV 10mA (max) X-stralen bron Naald CONTACT SCHAKELAAR ETMASSA
Naald ondersteuning ESS ET+
Trolley TROLLY DETECTIE ONDERSTEUNINGSROL MASSA STURING ET+
12 X
MASSA
Naald ondersteuning
Hoogte regeling ESS ETETMASSA
ESS BEVEILIGING LIFT ET+
Cassette Film lift
LIFT BOVEN LIFT BENEDEN BEVEILIGING CASSETTE
Film STURING CAMERA LIFT ET+ ETMASSA
9
2.4 Lengte en diameter meting 2.4.1
Inleiding
De zirkonium behuizing van de naalden zal bij blootstelling aan neutronenstraling in een reactoromgeving, waar een hoge druk en temperatuur heerst, krimpen of uitzetten. Hierdoor zal elke verandering van de diameter een goede indicatie zijn voor een aantal verschijnselen zoals het zwellen van de pastilles, excessieve vrijgave van fissiegassen en mechanische interactie tussen de pastilles en de behuizing. Het opmeten van deze behuizing is één van de belangrijkste niet destructieve karakterisatie methodes voor de evaluatie van de prestaties van de naalden. Om het gedrag van een brandstofnaald beter te leren kennen, zal men verschillende staven onder verschillende omstandigheden in een reactor belasten. Uit de resultaten van de lengte - en diametermeting kan nagegaan worden welke invloeden de belasting en de duur hiervan gehad hebben op de brandstofstaaf 2.4.2
De installatie
Om de diameter van een brandstofstaaf te meten worden lineaire differentiaaltransformatoren (LVDT) gebruikt. Deze bevinden zich op de snede, zodat, wanneer deze een translatie uitvoert, de diameter over de hele lengte van de brandstofstaaf kan gemeten worden. Een stappenmotor zorgt voor een verplaatsing van de LVDT’s (X), zodat deze gepositioneerd kunnen worden tot tegen de brandstofnaald. Bij het eigenlijke meten heeft de stappenmotor geen doel meer. Het variëren van de naalddiameter heeft een verplaatsing (D, D') van de LVDT’s tot gevolg. Voor een beperkte verplaatsing zal die lineair worden omgezet naar een analoge spanning. Een meettoestel (Diameter-TESAIRONIC TDI 30) zal het verschilsignaal van de twee LVDT’s gebruiken om het diameterverschil ten opzichte van de ingestelde nul te berekenen en weer te geven op een display, uitgedrukt in micrometer. Dit meettoestel wordt door middel van een standaard gekalibreerd.
Figuur 9 Principe diametermeting
10
2.4.3
Principe Lengtemeting
Om de lengte van een brandstofnaald te meten wordt eerst een staaf met gekende lengte ingeklemd in de klauwplaat; deze staaf wordt ook een standaard genoemd. De lengte van deze standaard wordt ingegeven in de computer. De computer laat de slede naar rechts bewegen en wanneer deze het uiteinde van de brandstofnaald heeft bereikt, zal de detector door de naald worden geactiveerd. De schakelaar verbonden met de detector wordt bediend en de computer zal de beweging dadelijk stop zetten en de tellerstand van de stappenmotorsturing onthouden. Vervolgens wordt de slede van de naald weg bewogen en kan de te meten naald ingeklemd worden. De computer herhaalt de procedure en de lengte van de brandstofnaald wordt dan berekend uit de lengte van de standaard en het verschil tussen de huidige tellerstand en die bekomen met de standaard. Deze meting wordt nog eens herhaald met een hoekverdraaiing van 180° van de brandstofnaald. Dit om eventuele onvlakke uiteinden van de staaf in rekening te kunnen brengen in het resultaat. Om de onzekerheid op de meetmethode zo klein mogelijk te maken, wordt de naald verschillende malen na elkaar gemeten en wordt de snelheid van de slede heel klein genomen. 2.4.4
Principe diametermeting
De eigenlijke diametermeting gebeurt door de LVDT’s. Zoals reeds besproken zullen deze een spanning uitgeven in functie van de diameter. De meetmodule “diameter -TESATRONIC TDI30" zet deze spanning om in een bepaald getal dat de diametervergroting of verkleining weergeeft ten opzichte van een ingestelde referentiewaarde. De meetmodule zal de meerwaarden doorsturen naar een PC waar ze opgeslagen worden om er later, na de volledige meting, eventuele bewerkingen op uit te voeren. De referentiewaarde wordt verkregen door de LVDT’s te kalibreren op een staaf met gekende diameter, een standaard genoemd. Vooraleer te beginnen met de meting dienen de LVDT’s juist gepositioneerd te worden. Ze worden door middel van een stappenmotor tot juist tegen de standaard geplaatst, zodanig dat de meetmodule een diameterafwijking van 0 µm weergeeft. Er dient natuurlijk wel in het programma te worden ingegeven welke de diameter van de standaard is, om ten opzichte van deze (afwijking 0) de variaties van de te meten staaf te bekomen. Vervolgens wordt de standaard verwijderd, de te meten brandstofstaaf ingeklemd en wordt de slede naar de beginpositie van de staaf gevoerd. Zijn deze instellingen voltooid, dan kan worden overgegaan tot het starten van de meting. Het meten zelf kan gebeuren op twee manieren: met de brandstofnaald onder een vaste hoek opgesteld of continu roterend. Meestal wordt gekozen voor het meten van de brandstofnaald in roterende toestand, omdat op deze manier de hele omtrek van de naald in rekening wordt gebracht voor het bepalen van het diameterverloop. De nauwkeurigheid van de diametermeting over de lengte van de staaf is afhankelijk van enkele parameters die door de gebruiker kunnen worden ingesteld, zoals:
snelheid waarmee de slede langsheen de brandstofnaald beweegt aantal meetpunten per millimeter verplaatsing van de slede
Deze parameters bepalen de nauwkeurigheid van de totale meting, terwijl het effectief meten van de diameter in een bepaald punt gebeurt met een constante nauwkeurigheid van ± l µm. 11
2.5 Oxide en erosie metingen 2.5.1
Principe [4]
Figuur 10 Principe wervelstroommeting Deze meting gebeurt volgens het wervelstroom of ‘Eddy current’ principe. Een hoogfrequente wisselstroom door een onderzoeksspoel gestuurd wekt een wisselend elektromagnetisch veld op dat het te onderzoeken voorwerp binnendringt. Daar waarin het materiaal de flux verandert ontstaan inductiestromen: wervelstromen of foucaultstromen genoemd. Deze wervelstromen zullen de oorzaak van hun ontstaan tegenwerken door het opwekken van een tegenveld. Dit tegenveld bepaalt de grootte van de impedantie van de meetspoel. In figuur 10 is het principe geschetst waarbij Bp staat voor de richting van het primair magnetisch veld, opgewekt door de stroom door de meetspoel, en Bs het secundair magnetisch veld weergeeft, behorend bij de wervelstromen. In figuur b zijn nog cirkelvormige stroomlijnen getekend waarlangs de wervelstroom in een foutloos werkstuk loopt. Bij een defect in een werkstuk moeten de stromen om het niet geleidend defect heen buigen. De stroomkring is nu langer, de elektrische weerstand groter en bij gelijke (inductie) spanning is volgens de wet van Ohm de stroomsterkte lager, Bs is dan zwakker en de respons in het meetsysteem, bijvoorbeeld de amplitude van het meetsignaal, heeft een kleinere waarde.
12
2.5.2
Oxidedikte meting
De niet elektrisch geleidende oxidatielaag wordt gemeten met een meetkop die in de hot cel staat opgesteld. Deze kop bevat een oppervlaktespoel waardoor een hoogfrequente wisselstroom van 3MHz gestuurd wordt. De meting gebeurt volgens het “lift off” principe. Dit wil zeggen dat bij groter wordende afstand tussen de spoel en het werkstuk, voor kleine afstanden, de impedantie evenredig verandert. De meetspoel is in een meetbrug volgens Wheatstone opgenomen zodat een spanning geproduceerd wordt evenredig met de dikte van de oxidelaag.
Figuur 11 Oxidedikte meting 2.5.3
Breuk en erosiesleet meting
Deze meting gebeurt op analoge wijze als de oxidedikte meting, met dit verschil dat hier gebruik wordt gemaakt van één of twee doorloopspoelen. Ook deze meting steunt op het principe van impedantie verschillen en kan volgens een absolute of differentiële methode worden uitgevoerd. De absolute methode laat toe een geleidelijke afwijking van de diameter van de staaf te meten omdat gemeten wordt t.o.v. een vaste impedantie. Bij de differentiële methode plaatst men twee spoelen achter mekaar en wordt de verschilspanning gemeten. Uit deze spanning kan dan afgeleid worden hoe de omtrek van de naald veranderd is.
13
2.6 X-stralen radiografie 2.6.1
Inleiding
X-stralen radiografie wordt hoofdzakelijk toegepast voor onderzoek naar de afmetingen van de verschillende mechanische onderdelen van de naald. Andere toepassingen zijn het onderzoek naar structuur wijzigingen in de naald en abnormaliteiten in de buiswand van de naald. De informatie die op deze wijze verzameld is vormt een waardevolle aanvulling voor de interpretatie van de niet destructieve onderzoeken of kan als bron voor verder destructief onderzoek gebruikt worden.
Figuur 12 Radiografie van een brandstofnaald 2.6.2
Principe X-stralen bron
Film
Compensatie stuk
Loodafscherming
Naald
Als men een bundel röntgenstraling door een object laat gaan zal door absorptie en verstrooiing de intensiteit van deze bundel verminderen. Als men dan deze uittredende straling op een film laat vallen die gevoelig is voor röntgenstraling, dan zullen op deze film zones van verschillende intensiteit gevormd worden die samen het absorptiebeeld vormen. Na ontwikkeling van de film wordt de negatieve weergave van het absorptiebeeld zichtbaar [5]. Vanwege de beperkte diameter van de stralenbundel die door de röntgenbuis wordt opgewekt kan een lang voorwerp zoals een brandstofstaaf niet in één keer helemaal doorgelicht worden. Daarom plaatst men de röntgenbuis op een vaste positie boven de staaf en laat men de staaf en de film onder de bron door bewegen. Tussen de staaf en de film is een afscherming aanwezig die ervoor zorgt dat de film niet door straling van de brandstofstaaf zelf belicht wordt. Op de plaats waar de brandstofstaaf door de röntgenstraling gaat is een smalle spleet (collimator) gemaakt in de afscherming tussen staaf en film. Deze spleet is zo smal dat alleen straling, die loodrecht door de staaf gaat op de film terechtkomt. Straling, die zijwaarts verstrooid wordt in de staaf, bereikt de film niet zodat een scherp beeld bekomen wordt. 14
Bij de radiografie van brandstofstaven en andere objecten met grote dikteverschillen is er nog een bijkomend probleem. Zou men deze objecten gewoon bestralen en de uittredende straling op een film laten vallen dan zal de film onder de dunste stukken van het object overbelicht worden en de film onder de dikste stukken zal onderbelicht zijn. Om van deze objecten toch een goede radiografie te maken plaatst men tussen de stralingsbron en het te onderzoeken object een tweede homogeen absorberend compensatiestuk dat de straling die door de dunnere stukken gaat extra verzwakt (zie figuur 13).
Compensatie stuk Naald
Figuur 13 Compensatie stuk voor radiografie 2.6.3
De installatie
De meting kan op twee verschillende manieren gebeuren. De eerste manier is de film in een ongeveer twee meter lange cassette te leggen die op een slede wordt gemonteerd. Deze slede verplaatst zich door een tunnelsysteem onder de naald aangedreven door een stappenmotor. Op onderstaande tekening zie je een afbeelding van deze tunnel. Collimator Tunnel voor filmcassette
Afscherming filmrol Afscherming filmcassette Figuur 14 Loodafscherming en tunnel getekend in Mechanical Desktop 5
15
Met de filmcassette kan geen radiografie gemaakt worden van lange brandstofnaalden omdat de lengte van de cassette slechts twee meter is. Om van de lange brandstofnaalden toch een radiografie te maken is een systeem met een filmrol geïnstalleerd onder de meetbank in de kelder. Dit systeem kan door een persluchtcilinder omhoog gebracht worden tot in de tunnel zodat deze zich vlak onder de collimator bevindt. De film bevindt zich opgerold op een rol en wordt dan via enkele rolgeleiders naar een trommel geleid die aangedreven wordt door een stappenmotor. Vandaar gaat de film omhoog tot over een geleider die zich onder de tunnel van de cassette geleiding bevindt. Vandaar gaat de film terug naar de tweede filmrol. Zie figuur 15. Brandstof staaf
Tunnel filmcassette Afscherming filmcassette Film geleiding
Collimator Afscherming filmrol Film
Filmrol systeem met stappenmotor aandrijving Translatie mechanisme
Figuur 15 Mechanisme filmrol 16
2.7 Gamma metingen 2.7.1
Inleiding
Gamma metingen geven informatie over de physico chemische eigenschappen en de afmetingen van de onderdelen. Zo kunnen onder meer eigenschappen zoals de lengte van de brandstofkolom, de overgangen en spaties tussen de pastilles, de interne structuur en de totale lengte, gemeten worden. Daarnaast levert gamma meting informatie over de migratie van vluchtige fisieproducten (bijvoorbeeld 137Cs) en de relatieve krachtverdeling over de brandstofkolom. Door ijking met de juiste standaarden kan een kwantitatieve meting gedaan worden van de “burn up” van de naald. Hiermee wordt het overblijvende percentage splijtbare bestanddelen bedoeld. De detectie van de kortlevende fisieproducten laat toe een absolute meting te doen van de warmteontwikkeling tijdens de meest recente werkingscyclus. De detectie van langlevende fisieproducten laat toe een absolute meting te doen van het geaccumuleerd gebruik over de totale levensduur van de naald. 2.7.2
De installatie
De meetinstallatie bestaat uit vier onderdelen namelijk: de naaldaandrijving, de collimator, de detector en het data acquisitiesysteem. De aandrijving van de naald gebeurt op meetbank 1 die volgens hetzelfde mechanisme werkt als eerder besproken. De naald wordt ingeklemd en de hoogte van de ondersteuning wordt op een vaste afstand boven de collimator ingesteld (145 mm). Door de slede te verplaatsen en de klauwplaat te roteren kan ieder deel van de naald gemeten worden. De snelheid waarmee de naald beweegt is 12 mm per minuut en de rotatie 6 tpm. Voor de ijking van de axiale verplaatsing wordt een 60Co lengte standaard gebruikt. De houder waarin de collimator zit staat op de vloer van de cel en bevindt zich onder de meetbank. Deze houder bevat meerdere collimators met verschillende rechthoekige afmetingen. De houder is niet meer dan een cilindrische trommel, omringd met lood dat als schild dienst doet. In deze trommel bevindt zich een schijf met de verschillende collimators die aangedreven wordt door twee stappenmotoren. Door deze schijf te roteren kan de juiste slit gekozen worden afhankelijk van de activiteit van de naald en de vereiste resolutie. Een smalle collimator geeft een betere resolutie en dode tijd maar een hogere statistische fluctuatie in de data. In de kelder onder de cel bevindt zich de Ge-detector die in lijn geplaatst is met de collimator op een afstand van ongeveer 1500 mm. De detector wordt op een spanning van 5000 Volt gehouden en gekoeld tot -196°C met vloeibaar stikstof om thermische ruis te onderdrukken. Het data acquisitie systeem bestaat uit een versterker verbonden met een computer ADC kaart die zich gedraagt als een meerkanaals analyser. De computer geeft eveneens de signalen naar de meetbank om de beweging van de naald te sturen.
17
2.7.3
Gross gamma meting
Voor de gross gamma meting worden de gamma fotonen afkomstig van de naald gemeten overeenkomstig met hun axiale positie. Er wordt geen onderscheid gemaakt tussen de verschillende energiewaarden. Alle waarden tussen 0,1 en 2 MeV worden gedetecteerd. Hierdoor is het mogelijk afmetingen af te leiden zoals de lengte van de brandstofkolom of de totale lengte van de naald. 2.7.4
Gamma spectrometrie
In contrast met de gross gamma metingen, wordt bij de gamma spectroscopie meting de energie van ieder gedetecteerd gamma foton gemeten. Zo bekomt men een spectrum dat men voor elke mm van de naald kan gaan opmeten. Door het vergelijken van dit spectrum met gekende spectra kan men uitmaken welke stoffen er op die plaats aanwezig zijn en in welke verhoudingen.
Figuur 16 Mechanisme voor de gamma metingen
18
H O O F D S T U K
3
3 Het voorontwerp 3.1 Algemeen Zoals in de inleiding beschreven moet er bij het ontwerp aandacht geschonken worden aan de beperkte bereikbaarheid, het onderhoud en de verouderingsverschijnselen van de meetbanken. Om de bereikbaarheid te vergemakkelijken is ervoor gekozen de drie meetbanken terug te brengen naar twee door de middelste meetbank te verwijderen. De lengte - en diametermeting zullen hiervoor mee op de derde meetbank geplaatst moeten worden. De overblijvende meetbanken moeten modulair opgebouwd worden zodat het mogelijk is defecte onderdelen direct te vervangen en het defect stuk in de alfazone achter de cel gerepareerd kan worden. Figuur 17 binnenaanzicht “hot cell” De meetbanken zijn al diverse keren aangepast maar een degelijke documentatie hierover ontbrak volledig. Om toch een beeld te krijgen van de huidige situatie heb ik de eerste maanden van mijn eindwerk de meetbanken getekend in Mechanical Desktop 5 Dit bood mij de mogelijkheid om een inventaris te maken van de gekende problemen. Daarnaast heb ik samen met mijn promotor de eisen waaraan toekomstige meetbanken moeten voldoen op een rij gezet. Tijdens de maand November heb ik een bezoek gebracht aan Interkama in Dusseldorf, een vakbeurs voor meetgereedschap. Tijdens dit bezoek heb ik tal van contacten kunnen leggen met leveranciers en ideeën kunnen opdoen voor mijn voorontwerp. Samen met mijn promotoren heb ik eveneens een bezoek gebracht aan het Transuranium Instituut in Karlsruhe. Het doel hiervan was informatie in te winnen omtrent nieuwe meettechnieken en meetbanken voor niet-destructief-onderzoek. Hierbij werd veel aandacht besteed aan de lengtemeettechniek en de ondersteuning van de naalden. Voor meer uitleg verwijs ik naar de paragrafen 3.5 en 3.7.
19
3.2 Gekende problemen met de huidige meetbanken 1. Door het inklemmen is steeds een stuk van de staaf niet meetbaar 2. Schakelaars voor ondersteuningsrolletjes gaan stuk en zijn moeilijk te vervangen 3. Controle van de positie van een individueel rolletje is niet mogelijk 4. De kunststof toevoerpijpjes voor persluchtvoorziening van de ondersteuningsrolletjes gaan stuk waarbij de volledige meetbank zonder luchtdruk zit. 5. De slede en de cassette worden aangedreven door stappenmotoren waardoor het niet mogelijk is een willekeurige snelheid in te stellen. Uitleg zie paragraaf 4.3.4. 6. Collimator aandrijving voor γ-metingen werkt niet goed 7. Speling op de aandrijving van de slede 8. Exacte positie van de slede is onbekend (feed-back) 9. Geen mogelijkheid voor het besturen van de wagen in de kelder 10. Collimator is verschoven waardoor slechte uitlijning is ontstaan 11. Onnauwkeurige eindschakelaar en klemming bij lengtemeting 12. Beperkte zichtbaarheid in de cel (camera is stuk) 13. Opslag staven blokkeert bovenaan 14. Vervangbaarheid onderdelen beperkt
20
3.3 Eisen voor de nieuwe meetbank 3.3.1
Snelheden
Aangezien de meeste meetapparatuur opnieuw gebruikt wordt blijven de huidige meetsnelheden ook in de toekomst van toepassing. Meetbank 1 Gross gamma
Translatie naald: 12 of 24 mm/min Rotatie naald: 6 tr/min
Gamma – spectrometrie
Rotatie naald: 1,5 tr/min
Eddy current
Translatie naald: 1000 mm/min
Oxidedikte
Translatie naald: 12 of 30 mm/min Rotatie naald: 6 tr/min
Meetbank 2 Diametermeting
Translatie naald: 12 of 30 mm/min ; Rotatie naald: 6 tr/min
Lengte meting
Translatie slede: 30 en 100 mm/min
Meetbank 3 RX
Translatie naald: 6 of 12 mm/min Translatie cassette: 7,5 of 15 m/min Rotatie camera: 0,3 tot 0,6 tr/min
Tabel 1 Snelheden van de naald voor de verschillende metingen Maximale snelheid bedraagt nu 500 steps per seconde (1 stap komt voor de translatie van de slede overeen met 0,025 mm, 360° komt met 4000 steps overeen voor rotatie naald en met 200 steps voor rotatie camera). Alle gebruikte motoren hebben 200 steps voor één volledige rotatie in full stepping nodig.
21
3.3.2
Nauwkeurigheid
Aangezien de installatie moet dienen om metingen te doen moet hieraan bij het ontwerp al de nodige aandacht aan geschonken worden. We willen er met ander woorden bij het ontwerp al voor zorgen dat de fout op deze metingen zo klein mogelijk blijft [6]. Meting
Gewenste nauwkeurigheid
Nauwkeurigheid standaard
X-straal radiografie
0,5 mm (lengte positie)
0,4 µm (lengte 999,999 mm)
Lengtemeting
0,01 mm
0,5 µm + 1,0 ⋅ 10 −6 ⋅ l
Diametermeting
0,1 µm (diameter)
0,3 µm + 1,0 ⋅ 10 −6 ⋅ d
0,5 mm (lengte positie)
0,8 µm
Eddy current
0,5 mm (lengte positie)
0,8 µm + 1,0 ⋅ 10 −6 ⋅ l
Gross gamma
0,5 mm (lengte positie)
0,4 µm (lengte 999,999 mm)
Gamma spectroscopie
0,5 mm (lengte positie)
0,4 µm (lengte 999,999 mm)
Tabel 2 Nauwkeurigheden van metingen en standaarden
22
3.4 Aandrijving en geleiding 3.4.1
Kleinst mogelijke beweging voor de lengtemeting
Bij de lengtemeting wordt de totale lengte van de naald L berekend uit de lengte van de standaard Lstd plus het aantal stappen dat de naald langer is dan de standaard S vermenigvuldigd met 0,025 mm per stap, zie paragraaf 2.5.3 voor een beschrijving van de lentemeting. L = Lstd + A ⋅ S met A = 0,025 mm/stap Het betrouwbaarheidsinterval op de totale lengte is dus: BL = BL std + ( A ⋅ Bs ) 2
2
De standaarden hebben een onzekerheid van 0,5 µm + 1,0 ⋅ 10 −6 ⋅ l Het resultaat van de lengtemeting mag een totale onzekerheid op de lengte vertonen van maximaal 0,01 mm zoals in tabel 2 te zien is. De onzekerheid op het aantal uitgevoerde stappen nemen we bijvoorbeeld één omdat de naald gedetecteerd wordt ergens tussen twee stappen in zoals in figuur 18. In werkelijkheid wordt deze nauwkeurigheid berekend uit de standaardafwijking van de meervoudige meeting. NAALD
STAP
1
2
3
4
5
Figuur 18 Onzekerheid op het aantal uitgevoerde stappen bij de lengtemeting Voor een standaard van 4 meter mag de verplaatsing per stap dus niet groter zijn dan:
A= 3.4.2
BL2 − BL2std Bs
=
0,012 − 0,0045 2 = 0,089 mm 1
Alternatieven voor de aandrijving
De aandrijving van de huidige meetbanken gebeurt, zoals beschreven in paragraaf 2.4.1, door middel van een tandwiel met tandlat of ook “rack and pinion” systeem genoemd. Dit systeem werkt goed maar heeft het nadeel dat het een grote speling heeft waardoor bij het omkeren van de beweging de slede niet dadelijk volgt. De onderzochte alternatieven waren onder meer “rack and pinion” met spelingcompensatie, kogelomloop spindel en lineaire motoren. Hieronder worden de systemen besproken.
23
3.4.3
rack and pinion met voorspanning
Het huidige “rack and pinion” systeem heeft niet de nodige nauwkeurigheid door de speling tussen het tandwiel en de tandheugel. Om deze speling te verwijderen kan een rack and pinion systeem gebruikt worden met voorspanning. Dit systeem verwijdert de speling door gebruik te maken van twee tandwielen: één voor de aandrijving van de as en één om een voorspanning te geven. Het elimineren van de speling zorgt voor een nauwkeurige positionering bij de overgang tussen versnelling, regime en vertraging waarbij het contactvlak van het tandwiel en de last van richting omkeren. Het systeem bestaat uit een tandheugel, twee tandwielen, een overbrenging en een motor. Er zijn twee verschillende type voorspanningen voor “rack and pinion” systemen namelijk: mechanisch voorgespannen en elektrisch voorgespannen. Mechanische voorspanning
Mechanisch voorgespannen systemen bereiken de voorspanning door één tandwiel een wringmoment te geven tegenover het andere. Het ene wordt aangeduid als het vaste tandwiel en het ander als aanspannend tandwiel. Deze systemen worden aangedreven door één motor en hebben geen speciale sturing nodig. Hieronder staan twee mogelijke uivoeringen. Het “split-pinion” ontwerp kan eenvoudig geïmplementeerd worden in standaard overbrengingen maar het maximale koppel dat overgebracht kan worden is beperkt door de breedte van het tandwiel. Doordat de overbrenging geen last heeft van de voorspanning kan een kleinere overbrenging gebruikt worden. Dit ontwerp heeft een uitmuntende positioneer nauwkeurigheid en herhaalbaarheid, indien gecombineerd met een precisie overbrenging. Figuur 19 Split-pinion aandrijving, bron Atlanta Het “dual-pinion” ontwerp vereist twee tandwielen en overbrengingen met een verbinding tussen de twee om de spanning in te stellen. De stijfheid en efficiëntie van de overbrengingen worden belangrijk omdat deze tegenover elkaar belast worden. De eigenfrequentie van het systeem is eveneens belangrijk om resonantie te vermijden. Figuur 20 Dual pinion aandrijving Elektrische voorspanning
De voorspanning wordt hier bekomen door het elektrisch afremmen van het ene tandwiel tegenover het andere. Het eerste wordt aangeduid als het aandrijvende tandwiel en het tweede als het remmende tandwiel. Deze systemen vereisen twee motoren en overbrengingen en een speciale motorsturing om de spanning in te stellen. Het “split pinion” ontwerp lijkt de beste oplossing voor onze meetbanken omdat hiervoor geen speciale apparatuur vereist is. De elektrische voorspanning en het “dual pinion” ontwerp zijn moeilijker toepasbaar omdat de slede hiervoor te groot uitgevoerd moet worden. Een mogelijke leverancier van deze apparatuur is Alpha reductors die hoofdzakelijk “rack and pinion systemen van Atlanta verkoopt. 24
3.4.4
Kogelomloop spindel
Een kogelomloop spindel kan als alternatief gebruikt worden voor de “rack and pinion” aandrijving. Een kogelomloop spindel bestaat uit een spindel voorzien van schroefdraad en een moer. In deze moer zitten kogels die in de schroefdraad van de stang passen. Deze moeren bestaan zowel met als zonder voorspanning. Bij de moeren met voorspanning is een kleine verplaatsing gemaakt in de spoed van de moer zodat de speling volledig gecompenseerd wordt. Figuur 21 Kogelomloopspindel van SKF type TN/PN.
Bij het ontwerpen van de aandrijving voor de slede kunnen twee alternatieven gevolgd worden. Ofwel wordt de stang vast bevestigd en drijft men de moer aan of de moer wordt vast bevestigd op de slede en wordt de stang aangedreven. Aandrijving van de spindel
De spindel moet een lengte hebben van vijf meter en om doorbuiging te vermijden moet de diameter ook voldoende dik zijn. Hierdoor is het massatraagheidsmoment van het systeem aanzienlijk groter dan bij de aandrijving van de moer. Om dit moment te overwinnen zal de motor dan ook een groter vermogen moeten hebben. Dit ontwerp heeft wel het voordeel dat de motor niet op de slede bevestigd moet worden en de slede dus kleiner kan uitgevoerd worden. Aandrijving van de moer
Dit ontwerp heeft het voordeel dat niet de volledige stang aangedreven moet worden. De gebruikte motor is dan ook kleiner. De onderstaande figuur toont hoe de aandrijving er mogelijk kan uitzien.
Figuur 22 Een mogelijk ontwerp voor de aandrijving Producenten van kogelomloop spindels zijn onder meer INA en SKF.
25
3.4.5
Lineaire motoren
Met een lineaire motor is het mogelijk een lineaire beweging te realiseren zonder dat daarvoor een mechanische overbrenging vereist is. Omdat er geen bewegende onderdelen zijn is deze dan ook nagenoeg onderhoudsvrij en zeer betrouwbaar. Een lineaire motor heeft ook geen speling.
Figuur 23 Lineaire motor van Baldor type BL
Het anker van de motor wordt vaak uitgerust met een Hall Effect Sensor (HES) voor het regelen van de commutatie. Deze meet de veranderingen in de flux veroorzaakt door de beweging over de verschillende permanente magneten van de stator. Door de straling zal deze onvermijdelijk stuk gaan maar de meeste producenten van lineaire motoren hebben eveneens versies zonder sensor. Het is dan ook belangrijk het juiste type te kiezen indien gekozen wordt voor deze oplossing.
Eindekoers schakelaars Slede Encoder
Sleepketting voor draden Lineaire motor Figuur 24 Voorbeeld van een slede aangedreven door een lineaire motor bron Baldor
Technisch gezien is een lineaire motor de ideale oplossing voor de aandrijving van de slede, maar de kostprijs voor een lengte van vijf meter zal vele malen hoger uitvallen dan een klassieke aandrijving. Hierdoor lijk deze oplossing dan ook niet haalbaar voor onze installatie.
26
3.5 Positie meting 3.5.1
Algemeen
De positie van de slede wordt gemeten door het aantal stuurpulsen naar de stappenmotor te tellen en dit te vermenigvuldigen met de afstand dat deze aflegt per stap. Hierbij is er geen controle of de stappenmotor de stap ook daadwerkelijk uitvoert. En tweede opmerking die hierbij gemaakt moet worden is dat de tandlat vervaardigd is uit meerdere achter mekaar geschakelde eenheden met een beperkte nauwkeurigheid op de steek. De werkelijke positie van de naald zal dus bij grote verplaatsingen sterk afwijken van de theoretische. Om dit te voorkomen in de toekomst zou het gewenst zijn deze positie eveneens te meten bij de nieuwe meetbanken. Hiervoor zou een lineaire encoder geplaatst kunnen worden langs de as van de slede, eventueel aangevuld met een encoder op de motor. De reden waarom in het verleden geen encoders gebruikt zijn heeft te maken met de stralingsgevoeligheid van deze encoders. Deze zijn namelijk vaak van glas gemaakt dat zwart verkleurt bij lange blootstelling aan straling, waardoor geen positie aflezing meer mogelijk is. Bij het zoeken naar een geschikt meetsysteem moesten we rekening houden met de volgende zaken:
De leeskop zelf mag geen halfgeleiders bevatten. De behuizing en onderdelen mogen niet van plastiek zijn. De liniaal mag niet van glas zijn. Lengtemeting van 5 meter mogelijk zijn. Bij voorkeur absoluut ipv incrementeel
3.5.2
Sony magnescale sensor
Omdat al een aantal jaren met succes gebruik gemaakt wordt van een lineaire wegmeetsysteem van het merk Sony hebben we contact opgenomen met de firma Schut die deze producten verdeelt in de Benelux. Dit type dat nu gebruikt wordt voor de hoogteregeling van de X-stralen bron werkt magnetisch en is dus stralingsongevoelig. Na overleg bleek het niet mogelijk om hetzelfde type encoder opnieuw te gebruiken omdat dit type niet tot 5 meter leverbaar is. Als alternatief werden de volgende twee types voorgesteld. Het eerste type MSS-101 moet afgesteld worden om de 3 jaar wat niet mogelijk is omdat de omgeving waarin deze zich bevindt niet toegankelijk is. De leeskop bevat enkel een spoel en wordt met een kabel verbonden met de meetelektronica die buiten de cel geplaatst kan worden. Van het tweede type SL 331 hebben we een stuk proefexemplaar toegestuurd gekregen voor nader onderzoek. Hieruit bleek dat de leeskop elektronische onderdelen bevatte en dat de meetliniaal vervaardigd is van gemagnetiseerd rubber. Een mogelijke oplossing is eventueel de meetkop met lood af te schermen maar dat zou de slede onnodig verzwaren. De liniaal zelf kan echter niet afgeschermd worden.
27
3.5.3
Laser interferometer
Bij het bezoek aan Duitsland hebben we vastgesteld dat zij gebruik maken van een interferometer. Om de laser tegen de straling te beschermen hebben zij deze buiten de cel geplaatst en dmv spiegels de straal langs de meetbank omgebogen. De meting gebeurt door de naald links tegen een vaste aanslag te leggen en in de klauwplaat van de slede een aanslag te spannen, waarna de klauwplaat naar links beweegt totdat ze contact maakt met de naald. Zie figuur 25. Een opmerking hierbij is dat de hoge nauwkeurigheid nooit gehaald kan worden doordat de fout die voortkomt uit de methode (dus voor het opspannen van de naald) in vergelijking zeer groot is. Daarbij komt nog dat deze systemen wegens hun zeer hoge nauwkeurigheid zeer duur zijn. Slede
Laser
Figuur 25 Principe van lengtemeting met laser
Een mogelijk type dat gebruikt kan worden voor de nieuwe meetbank is de ML 10 van RENISHAW. Deze heeft een nauwkeurigheid van 1,1 µm en een resolutie van 1 µm. RENISHAW wordt vertegenwoordigd door de firma MARTEC. Zie adressenlijst in bijlage 3 voor contact informatie. Het werkingsprincipe van deze interferometer wordt hierna besproken. Werkingsprincipe [7]
De lengtemeting is gebaseerd op interferometrie, een techniek die de golflengte van licht gebruikt als eenheid van lengte. Het voordeel van een laser is dat deze een coherente lichtstraal heeft. De golflengte van een helium neon (HeNe) laser is 0,633 micron. Indien deze golflengte stabiel is kan een lengteverandering gemeten worden door het aantal golflengten van het licht te tellen met een detector. De ML 10 encoder is gebaseerd op de Michelson interferometer en bestaat uit drie onderdelen: een polariserende straaldeler en twee hoekspiegels. Hierna volgt een korte beschrijving van de principes die gebruikt worden om het verschil in afstand te meten tussen de meet - en referentiearm van de interferometer. Figuur 26 toont een schematisch overzicht van de ML 10 laserkop, meetoptica, interferentie detectoren en laser stralen. De laserstraal (1) afkomstig van de laserkop is een circulair gepolariseerde straal met één enkele licht frequentie. Als deze straal de polariserende straaldeler bereikt wordt deze gesplitst in twee componenten met exact dezelfde golflengte. De gereflecteerde straal (2) bestaat uit verticaal gepolariseerd licht en de doorgaande straal (3) bestaat uit horizontaal gepolariseerd licht. De twee hoekspiegels reflecteren deze twee stralen, (2) en (3), terug naar de deler.
28
Figuur 26 Werkingsprincipe interferometer
Voor de lentemeting is een van de twee hoekspiegels vast bevestigd op de straaldeler om zo de referentie arm te vormen en de andere hoekspiegel is beweegbaar opgesteld en vormt de meetarm. De interferometer detecteert iedere beweging van de meetarm doordat tijdens het bewegen de frequentie van de teruggekaatste straal door het Doppler effect verschoven wordt. Hierdoor zijn de frequenties van de teruggekaatste stralen tijdens de beweging van de meet - en referentie arm verschillend. Dit verschil is recht evenredig met de snelheid van de verplaatsing. Als de teruggekaatste stralen de staaldeler bereiken worden ze net zoals eerder gereflecteerd of doorgelaten zodanig dat beide stralen opnieuw gecombineerd terugkeren naar de laserkop. Deze gecombineerde straal (4) bestaat uit twee stralen met een verschillende polarisatie. De ene component is verticaal gepolariseerd en is afkomstig van de referentie arm. De andere is horizontaal gepolariseerd en komt van de meetarm. Op dit moment interfereren de twee stralen nog niet met elkaar omdat ze een verschillende polarisatie hebben. Als de stralen de meetkop binnen vallen passeren ze een speciale optiek (5) die er voor zorgt dat de twee stralen interfereren met elkaar en één enkele straal vormen (6) bestaande uit vlak gepolariseerd licht. De hoek van dit vlak is afhankelijk van het faseverschil tussen de twee weerkaatste stralen. Indien de meetarm van de straaldeler beweegt zal het vlak van de polarisatie in een bepaalde richting draaien, indien de beweging omkeert zal het polarisatievlak in de tegenovergestelde richting draaien. De straal (6) wordt gesplitst in drie en gefocusseerd op drie polarisatie gevoelige detectoren. Als het vlak van de polarisatie draait produceert iedere detector een sinusvormig uitgangssignaal. De polarisatiegevoeligheid van de detectoren is zo aangepast dat de uitgangssignalen in kwadratuur zijn met elkaar. Het gebruik van drie detectoren laat toe achtergrondlicht te elimineren, de bewegingszin te bepalen en de totale afstand te meten. Het uitgangssignaal komt sterk overeen met signalen van andere lineaire en rotatie encoders.
29
3.5.4
Magnetostrictieve sensor
Het absolute en tevens contactloze meetprincipe van dit type sensor is ideaal voor het verwezenlijken van onze applicatie. Deze sensor is de enige die een absolute positie geeft over een lengte van meer dan 5 meter. Een belangrijk voordeel is ook dat hij een vaste meetkop heeft, waardoor geen draden met de slede mee moeten bewegen en de meetkop gemakkelijk afgeschermd kan worden. De werking wordt hieronder besproken. Voor de theoretische achtergrond verwijs ik naar bijlage 2. De sensor wordt in België verkocht door MULTIPROX NV. Algemeen werkingsprincipe [8]
De sensor bestaat uit vijf onderdelen: sensorelement, sensorelektronica, positiemagneet, torsiepulsomvormer en demping aan het einde van het sensorelement. De kern van het meetsysteem is het buisvormig ferromagnetische sensorelement, welke de torsiepuls geleidt naar de torsiepulsomvormer. De te meten positie wordt door een beweegbare permanente magneet, die het sensorelement omsluit, gemarkeerd. Deze positiemagneet genereert in het sensorelement het magnetische veld en is star met het object verbonden waarvan de positie gemeten dient te worden.
Figuur 27 Principe magnetostrictieve sensor
Voor de eigenlijke meting wordt een korte stroompuls door het sensorelement gestuurd. Hierdoor ontstaat een tweede, met de puls meelopend radiaal magneetveld om het sensorelement heen. Ter plaatse van de positiemagneet vindt volgens het Wiedemann-effect een elastische, torsionale vervorming van het sensorelement plaats. Gezien de korte tijdsduur van de stroompuls ontstaat een korte torsiepuls in het sensorelement. Deze torsiepuls loopt vanaf het ontstaanspunt naar beide einden van het sensorelement.
30
Aan het uiteinde van het sensorelement wordt de torsiepuls gedempt om storende invloeden tegen te gaan. Aan de andere kant, het beginpunt van het sensorelement, wordt de torsiepuls door de torsiepulsomvormer omgezet in een elektrische puls. De tijd vanaf het uitsturen van de elektrische puls en het ontvangen van de torsiepuls wordt nauwkeurig gemeten. De tijd die verstrijkt tussen beide pulsen is een goede maat voor de afstand van de magneet tot het beginpunt van het sensorelement. Aangezien de torsiepuls en de elektrisch puls met een constante snelheid door het sensorelement lopen, kan een zeer nauwkeurige positiebepaling van de magneet gedaan worden (resoluties beter dan 2µm zijn haalbaar). Het is tevens mogelijk tegelijkertijd meerdere magneten, en dus meerdere posities, af te scannen. Indien meerdere magneten toegepast worden, worden de verschillende reflecties omgezet in posities. Om de gegenereerde torsiepuls om te zetten in een elektrische puls zijn er verschillende omzettingsmethoden. In figuur 4 is het gepatenteerde systeem van MTS Sensor Technologie weergegeven. Met deze methode worden de beste resultaten behaald. De sensor heeft weinig last van longitudinale golven en is zeer ongevoelig voor vibratie en schokken. De signaal/ruisverhouding is hoger dan bij de andere omvormprincipes.
De resoluties die met de sensoren van MTS worden bereikt zijn beter dan 2 micron. Belangrijk voor de nauwkeurigheid is met name de niet-lineariteit van het systeem. Deze niet-lineariteit van de sensor is bij magnetostrictieve sensoren altijd afhankelijk van de lengte van de sensor en wordt daarom weergegeven als een percentage van de meetlengte (FS). Door MTS worden waarden bereikt beter dan 0,01% FS, met een minimum van ±20µm. De herhaalnauwkeurigheid van de sensoren is beter dan 0,001% FS, met een minimum van ±2,5µm. Bij een meetlengte van 5000 mm komt dit overeen met 50 micron.
31
3.6 Diametermeting 3.6.1
Nauwkeurigheid [9]
De diameter van de naald D wordt berekend uit de som van de diameterstandaard D en de afwijking V, zie paragraaf 2.5.4. D = Dstd ± V De diameterstandaard heeft een nauwkeurigheid van 0,3 µm + 1,0 ⋅ 10 −6 ⋅ d Voor een diameter van 1 cm komt dit overeen met 0,31 µm. De huidige verschilmeting met de LVDT’s heeft een nauwkeurigheid van 1 µm. Het betrouwbaarheidsinterval op de diameter is dus:
BD = BD2 std + BV2 = 0,312 + 12 = 1,05 µm Voor een gewenste nauwkeurigheid van 0,1 µm moet de verschilmeting een nauwkeurigheid hebben van: BV = BD2 std − BD2 = 0,312 − 0,12 = 0,29 µm 3.6.2
Meetmethode
Bij de huidige meetbanken zijn de LVDT’s op de slede bevestigd en beweegt de slede langs de naald. Om trillingen te vermijden zou het beter zijn dat de LVDT’s op de meetbank bevestigd zijn en de naald de beweging uitvoert. Dit meetprincipe werd eveneens toegepast in het ITU Karlsruhe.
32
3.7 Ondersteuning naald In paragraaf 2.4.2 wordt de ondersteuning van de naald besproken. Deze ondersteuning kan zoals beschreven naar beneden geklapt worden om de slede te laten passeren. Om te weten wanneer de slede eraan komt zijn, zoals op de foto links onder te zien is, op de tafel schakelaars bevestigd. Deze schakelaars zijn echter van kunststof en gaan geregeld stuk. De persluchtvoorziening voor de cilinder waarmee de ondersteuning bediend wordt gebeurt met kunststof darmpjes die eveneens geregeld stuk gaan. Om al deze problemen te voorkomen zou men graag een mechanische ondersteuning van de naald ontwerpen zodat geen perslucht of schakelaars meer nodig zijn. Figuur 28 Foto van de ondersteuning
Bij het bezoek aan het ITU in Karlsruhe hebben we zulk een ontwerp gezien bij hun nieuwe meetbanken, zie figuur 29. Hieronder wordt kort het principe uitgelegd. Als de slede aankomt duwt deze op de hefboom links waardoor de vergrendeling naar voor beweegt en de hefboom, in het blauw getekend, niet meer vastgehouden wordt. Indien de wagen verder beweegt klapt de ondersteuning om en kan de slede verder bewegen. De ondersteuning blijft plat liggen totdat de slede in de tegenovergestelde richting terug over de neergeklapte ondersteuning beweegt. Hierbij zal deze tegen de blauwe hefboom lopen waardoor de ondersteuning terug omhoog klapt en vergrendeld wordt. Figuur 29 Naaldondersteuning getekend in Mechanical Desktop 5 Een andere mogelijk ontwerp wordt toegepast in CEA Cadarache Frankrijk. Dit ontwerp is het best te vergelijken met klapdeurtjes. De ondersteuning klapt dus niet horizontaal neer maar beweegt verticaal open zodat de slede langs kan bewegen. Dit ontwerp heeft het voordeel dat alle ondersteuningen actief zijn ook als de slede volledig links staat.
33
3.8 Sleepketting De motoren voor de aandrijving bevinden zich op de slede zelf wat inhoud dat de voedingskabels mee moeten gesleept worden. Hierbij komen nog de aansluitdraden voor de meetapparatuur. Om al deze draden met de slede te verbinden zou een sleepketting gebruikt kunnen worden zodat de draden nergens blijven hangen. Vaak worden deze van kunststof gemaakt, maar na zoeken op internet heb ik ook uitvoeringen uit staal gevonden. Deze worden verkocht in België door de firma WISMAN ELEKTRO TECHNIEK. Zie adressenlijst in bijlage 3.
Figuur 30 Sleepketting van KabelSchlepp
3.9 Sturing De vernieuwing voor een deel van de sturing staat in het volgende hoofdstuk beschreven. Bij de vernieuwing van de meetbanken kan deze sturing uitgebreid worden naar de volledige installatie. Hierbij wil ik wel opmerken dat het bij de nieuwe meetbanken wel mogelijk zal zijn andere motoren te gebruiken. Voor het nieuwe deel van de sturing kunnen dus de versterkers en motoren gekozen worden die het best bij de sturing passen zodat een groot deel van de problemen die er nu zijn bij de vernieuwing wegvallen.
34
H O O F D S T U K
4
4 Vernieuwing van de motorsturing 4.1 Inleiding 4.1.1
Waarom vernieuwen?
De oude sturingen beginnen steeds meer problemen te vertonen. Gekende problemen zijn bijvoorbeeld het uitvallen van de displays en het EEPROM geheugen. De firma Noron, die deze sturingen geleverd heeft in 1984, voorziet niet langer in het onderhoud hiervan. Zie figuur 8 voor een foto van de huidige sturingen. Het is eveneens moeilijk om nog vervangelementen te vinden. Om de continuïteit van de huidige metingen toch te kunnen verzekeren is het noodzakelijk om al een deel van de sturingen te vervangen. Meetbank 3 is de enige die geen data acquisitie vereist, daarom is ervoor gekozen de sturing van deze meetbank eerst te vervangen. Deze meetbank bevat vier assen voor het sturen van: slede, cassette, film en hoogte regeling. Door het vernieuwen van deze assen komen er vier oude drives vrij die kunnen gebruikt worden om de sturing van de andere meetbanken te onderhouden. De huidige sturingen werken volgens het L/R principe wat impliceert dat ze veel stroom verbruiken en een aanzienlijke warmteontwikkeling hebben. Het vervangen zou een energiebesparing opleveren. Door het vernieuwen kan eveneens ervaring worden opgedaan met nieuwe sturingen. Deze ervaring kan dan later gebruikt worden bij de volledige vernieuwing van de cel. 4.1.2
Verloop van het project
Bij het ontwerp van de nieuwe sturing was de grootste moeilijkheid dat de verouderde stappenmotoren behouden moesten blijven. Om problemen te voorkomen was het belangrijk dat de leverancier de volledige verantwoordelijkheid zou dragen voor de goede werking van hun sturing met onze installatie. Daarom was het ook belangrijk dat de volledige installatie door een enkele firma zou geleverd worden. De firma “CALDIC Techniek” die de levering van de installatie mocht doen heeft nadat de bestelling geplaatst was de opdracht doorgegeven aan IEC, een firma die gespecialiseerd is in de bouw van kasten en tevens een erkend verdeler van Siemens materiaal is. Bij de bestelling was namelijk overeen gekomen dat CALDIC de kast zou bouwen voor de installatie maar omdat het ontwerp van deze kast aan zoveel eisen moest voldoen kon CALDIC de verantwoordelijkheid hiervoor niet meer dragen. Tevens bleek de communicatie tussen hen en Siemens niet optimaal te verlopen zodat in de bestelling van het materiaal een fout geslopen was. Tijdens de onderhandelingen was namelijk overeen gekomen dat het volledige ontwerp samen met Siemens zou worden doorgenomen om fouten te voorkomen. Het was duidelijk dat zij niet de nodige ervaring en kennis bezaten om dit project tot een goed einde te brengen. Nadat deze bestelling geannuleerd was hebben wij samen met SIEMENS en CALDIC alle technische details terug doorgenomen, iets wat eigenlijk al bij het begin van de bestelling gebeurd moest zijn. Nadien hebben we met het definitieve ontwerp contact opgenomen met IEC die op basis hiervan tegen betaling een ontwerp heeft gemaakt voor de kast. Met dit ontwerp kan de definitieve bestelling geplaatst worden bij IEC. 35
4.2 Stappenmotoren 4.2.1 Voeding
Algemeen Versterker
Motor
Overbrenging
Mechanische last
Sturing
Ten gevolge van hun eenvoudige controle vinden we stappenmotoren meer en meer terug in het domein van de servotechniek. Ze hebben het voordeel tegenover servosystemen een positiecontrole mogelijk te maken zonder dat hiertoe een positiemeting en regelkring nodig zijn. Een stappenmotor systeem bestaat net als een servo systeem uit volgende onderdelen: sturing, voeding, versterker, motor, overbrenging en mechanische last. De sturing regelt de positionering van de last door het sturen van een aantal stuurpulsen naar de versterker. Iedere stuurpuls komt overeen met een discrete hoekverplaatsing van de motor. Hieruit kan de sturing, zonder de exacte positie te meten, de positie berekenen waarin de last zich bevindt. Het aantal pulsen bepaalt dus de totale verplaatsing en de frequentie van de pulsen bepaalt de snelheid. Naast het controleren van deze variabelen moet een sturing tevens gegevens kunnen doorsturen voor data acquisitie, de synchronisatie van meerdere assen kunnen verzorgen en discrete en analoge I/O kunnen verwerken. De regelbaarheid van het systeem wordt verkregen door in te grijpen op de energietoevoer naar de motor. Dit gebeurt in de versterker of drive; deze zet de stuurpulsen van de sturing om in stromen in de wikkelingen van de motor. Het gebruik van een overbrenging laat toe om een motor met minder nominaal vermogen aan te wenden waardoor kostprijs en massatraagheidsmoment afnemen.
36
4.2.2
Werking stappenmotor [10]
Stappenmotoren bestaan in verschillende uitvoeringsvormen, nl. permanent magneet motor (PM), variabele reluctantie motor (VR) en hybride motor. De motoren die in de installatie gebruikt worden zijn van het hybride type maar omdat uitwendig geen verschil te merken is met de permanente magneet motor wordt hier voor de eenvoud de werking aan de hand van een permanente magneet motor uitgelegd. In figuur 31 is in een doorsnede de principiële bouw van een PM stappenmotor te zien. De stator draagt een tweefasige wikkeling, waarbij de wikkelingen van de tegenover elkaar gelegen polen in serie geschakeld zijn. De rotor is een permanente magneet met twee polen. Indien fase 1 bekrachtigd wordt, stelt de motor zich in volgens de aslijn van deze fase: ongelijknamige magnetische polen trekken elkaar aan zodat de polen van de stator elektromagneet de permanente rotormagneet in horizontale positie brengen.
Figuur 31Stap 1
Indien vervolgens fase 2 bekrachtigd wordt zal de rotor zich volgens de verticale aslijn van deze fase richten. De rotor is verdraaid over een hoek van 90° in wijzerzin (bij de gekozen stroomzin in figuur 32).
Figuur 32 Stap 2
Indien vervolgens fase 1 met een negatieve stroom bekrachtigd wordt, zullen de polen van de elektromagneet tegengesteld aan die in positie 1 gemagnetiseerd worden en de rotor draait verder 90° in wijzerzin.
Figuur 33 Stap 3
Tenslotte wordt fase 2 met een negatieve stroom bekrachtigd. De rotor draait 90° verder in wijzerzin.
Figuur 34 Stap 4 37
Door de bekrachtigingvolgorde van volgende tabel aan te houden zal de motor in wijzerzin draaien. Door het omkeren van de volgorde keert eveneens de draaizin om.
Stapnummer
1
Spoel 1
+
2
4
1
-
Spoel 2 Positie
3
+
+
-
N
N Z
Z
Z N
Z
N Z
N
Tabel 3 Bekrachtigingvolgorde van de polen
Figuur 35 Volle stap sturing met gelijktijdige bekrachtiging van de fasen
We kunnen de rotor tussenliggende posities laten innemen door beide statorspoelen gelijktijdig te bekrachtigen, zie figuur 35. Dit is een tweede manier om een volle stap sturing te realiseren. In onderstaande tabel is de bekrachtigingvolgorde weergegeven om de motor in wijzerzin te laten draaien. Stapnummer
1
2
3
4
1
Spoel 1
+
-
-
+
+
Spoel 2
+
+
-
-
+
Positie
N
N Z
Z
Z
Z N
N
N Z
Tabel 4 Bekrachtigingvolgorde van de polen
De staphoek van deze principiële PM motor bedraagt 90° maar kan verder verkleind worden door:
Meerdere poolparen te gebruiken Meertraps motoren te bouwen Halve stap sturing of microstap sturing toe te passen
38
4.2.3
Halve stap - en microstap werking
Door beide aanstuurmethoden uit vorige paragraaf te combineren halveert de gemaakte stap. Doordat met twee bekrachtigde spoelen de magnetische velden zich vectorieel samenstellen, zal de totale flux groter zijn dan bij één bekrachtigde spoel met gevolg een schommelend motorkoppel.
Figuur 36 Schommelend magnetisch veld bij halve stap sturing zonder stroom beperking
Om hieraan te verhelpen kan de statorstroom bij bekrachtiging van twee spoelen 2 kleiner gemaakt worden. Figuur 37 toont het stroomverloop voor beide spoelen om een flux met constante grootte op te wekken. Deze methode vormt de basis van microstap sturing.
Figuur 37 Stroomverloop in de spoelen bij halve stap sturing
Bij microstap werking zorgen we ervoor dat de stromen door beide fasen zodanig in de tijd evolueren dat de vectorsom van de fluxen de originele stap in een gekozen aantal delen splitst, waarbij de grootte van de flux constant blijft. Indien theoretisch het aantal stappen oneindig groot genomen wordt evolueren de statorstromen sinusvormig in de tijd en gedraagt de stappenmotor zich als een tweefasige synchrone motor. Deze vergelijking gaat enkel op wat de motor betreft, de sturing ervan is verschillend. Microstep sturing wordt niet enkel toegepast om de stapgrootte te verkleinen maar ook om een meer continue beweging te verkrijgen. Bij volle stap sturing en lage motorsnelheid is het mogelijk dat de rotor na elke stap even oscilleert rond zijn nieuwe evenwichtpositie. Microstep sturing dempt deze oscillaties vermits het koppel en de motorpositie meer continu evolueren.
39
4.2.4
Unipolaire en bipolaire motoren
De hoger besproken tweefasige motor noemt men een bipolaire motor, de stroom door elke wikkeling moet immers zowel positief als negatief worden (bipolair). Dezelfde flux kan echter ook opgewekt worden door om de statorpolen twee tegengesteld gewikkelde spoelen aan te brengen, waarbij één spoel dient om positieve fluxen, en de andere om negatieve fluxen op te wekken. De vier spoelen moeten dan enkel positieve stromen voeren (unipolair) waardoor de versterker eenvoudiger kan worden uitgevoerd. Unipolaire motoren komen voor met zes en acht aansluitdraden. De figuur toont respectievelijk een zesdradige -en achtdradige motor. Een zesdradige motor is in principe hetzelfde als een achtdradige met als enig verschil dat de centrale aansluiting niet naar buiten wordt gebracht.
Figuur 38 Zes - en achtdradige stappenmotor
Unipolaire motoren kunnen aangesloten worden op een bipolaire versterker door de statorspoelen van elke pool in serie, of in parallel te schakelen. Het in serie schakelen van de twee spoelen, zoals in figuur 39 is weergegeven, geeft het grootste koppel per ampère, maar heeft het nadeel dat de inductantie toeneemt waardoor de prestaties bij hogere snelheden afnemen.
Figuur 39 Unipolaire stappenmotor in serie aangesloten
Als alternatief kunnen unipolaire motoren ook in parallel geschakeld worden zoals te zien is in figuur 40. Deze configuratie geeft betere prestaties bij hoge snelheden maar verbruikt meer stroom voor hetzelfde koppel.
40
Figuur 40 Unipolaire stappenmotor parallel aangesloten
Merk op dat een zesdradige unipolaire motor bijna identiek is aan een achtdradige unipolaire motor in serie en dat deze eveneens een laag vermogen levert bij hoge toerentallen. Het parallel schakelen van een zesdradige motor is niet mogelijk. Om toch een groot koppel te bekomen bij hoge toerentallen wordt soms de “half-coil” schakeling toegepast die in figuur 41 wordt weergegeven. Deze configuratie offert een deel van zijn koppel bij laag toerental op voor een betere prestatie bij hoog toerental. Met deze configuratie is het niet mogelijk om hetzelfde koppel te bekomen zonder het risico te lopen de motor te oververhitten omdat slechts de helft van de windingen gebruikt wordt.
Figuur 41Unipolaire stappenmotor “half coil” aangesloten
41
4.2.5
Type sturingen [11]
De meeste sturingen kunnen ingedeeld worden volgens de volgende basisstructuren:
PC-gebaseerde sturing; Stand-alone sturing; PLC-gebaseerde sturing en Hybride sturing.
De PC-gebaseerde sturing is opgebouwd rond een insteekkaart voor de computer. Hierdoor is het mogelijk gebruik te maken van bestaande soft - en hardware. Door de combinatie met zelf ontwikkelde software kan op een eenvoudige wijze tot een toepassing gekomen worden waarbij dataverwerking en visualisatie belangrijk zijn. In het algemeen is de hardware prijs van PCgebaseerde systemen goedkoper in vergelijking met andere systemen. Een nadeel is echter dat er verschillende kaarten nodig zijn voor sturing, I/O, en communicatie waardoor de programmeur zelf verantwoordelijk is voor het perfect samenwerken tussen deze verschillende onderdelen. Dit leidt vaak tot complexe systemen, waarbij het onderhouden of aanpassen van de installatie enkel mogelijk is door de ontwikkelaar van de software. Typische voorbeelden voor PC-gebaseerde systemen zijn herhaalbare toepassingen waarbij de toepassing niet gewijzigd of geïmplementeerd dient te worden. Stand-alone sturing combineren de versterker, sturing, I/O, gebruikers interface en communicatie in één enkele eenheid. Deze integrale structuur zorgt ervoor dat een minimale ontwikkelingstijd en kost. De I/O, en gebruikers interface maken deel uit van het systeem waardoor een enkel softwarepakket kan gebruikt worden om de toepassing te programmeren. De aankoop van de controllers is in de meeste gevallen duurder dan bij PC-gebaseerde systemen maar dat word gecompenseerd door de lagere kost voor de ontwikkeling, sofware en onderhoud van het systeem. Stand-alone systemen hebben echter wel niet dezelfde mogelijkheden wat communicatie en gebruikersinterface betreft en zijn daardoor soms moeilijk te integreren in grotere projecten met meerdere assen. Stand-alone systemen worden vaak gebruikt voor zeer nauwkeurige toepassingen met geïntegreerde gebruikers interface en systemen die weinig communicatie vereisen. Hybride sturingen combineren de sturing en de omvormer in één enkele eenheid. Ze zijn te vergelijken met de stand-alone systemen maar met verschil dat ze niet programeerbaar zijn en dus minder I/O- en communicatie mogelijkheden hebben. Je hebt hybride systemen die één of meerdere assen tegelijk kunnen sturen. Een nadeel is wel dat geen synchronisatie tussen de verschillende eenheden mogelijk is als er nog meer assen nodig zijn. PLC-gebaseerde sturingen zijn geschikt voor een groot gebied van toepassingen. PLC gebaseerde systemen integreren de motorsturing als een extra module op het PLC rack. Machine logica, I/O, operator interface en communicatie zijn geïntegreerd in de PLC en worden verbonden met de motorsturing via de systeembus van de PLC. De toegepaste sturingen maken gebruik van een afzonderlijke microprocessor om de PLC zoveel mogelijk te ontlasten en een snellere respons tijd te bekomen. Meerdere eenheden kunnen gesynchroniseerd worden via de systeemklok van de PLC. Voordelen van de PLC-gebaseerde sturing zijn hun gemakkelijke programmeerbaarheid door de gestandaardiseerde programmeertalen en hun grote betrouwbaarheid. Omdat de instellingen in de PLC worden opgeslagen kun de sturing vervangen worden zonder dat deze opnieuw geconfigureerd dient te worden.
42
4.3 Eisen sturing 4.3.1
Eigenschappen van de huidige motoren
Motor Type
Connections Number
3% Accuracy
5% Accuracy
M092-FC09
M092-FD09
Type
Typical Time for Single Step (mS) (1)
6
LEADS
3.9
R
L
Minimum Holding Torque Oz-In (Ncm)
Bipolar series Connection Volts
Amperes
3.6
3.25
2 On
1 On 225(158)
1.1
11.04
370(261)
R
L
Minimum Holding Torque Oz-In (Ncm)
Bipolar parallel Connection Volts
Amperes
—
—
2 On
1 On —
—
—
—
Nominal Resistance Per Winding (25°C) OHMS (2)
Nominal Inductance Per Phase (MilliHenry's) (2) (4)
Minimum Holding Torque Oz-In (Ncm) 2 On
1 On
0.55
2.76
300(212)
180(127)
Tabel 5 Bron Superior Electric (1) With 24 volts drive. (2) Values shown are for reference only and are correct to the best of our knowledge at the time of publication, but are subject to change without notice. Parameters to be used as part of a specification should be verified with the factory. (3) Voltage shown is per phase at rated current at zero steps per second, with winding at 25°C. Resistance tolerance and winding temperature will influence voltage. (4) Tolerance is ±20%. Measured at 1 kHz with a General Radio #1650B impedance bridge having a 1 volt rms open circuit sinusoidal signal. Rotor position preconditioned by energizing same phase, then deenergizing same phase during measurement without changing rotor position.
Unipolar Configuration Nominal DC Volts (3)
2.5
4.3.2
Rated Amperes Per Winding
4.6
Versterker
De motoren die in de huidige meetbanken gebruikt zijn werken volgens het verouderde unipolaire principe. De keuze die we hadden was ofwel deze motoren mee vervangen ofwel geschikte bipolaire versterkers zoeken die deze motoren konden aansturen. Het vervangen van de motoren bleek niet haalbaar omdat hiervoor een kostelijke interventie in de cel noodzakelijk was en de installatie een tijd niet gebruikt zou kunnen worden. De keuze viel dus op het zoeken van geschikte versterkers. Onze motor is een zesdradige unipolaire stappenmotor en is in serie of “half coil” aan te sturen. De producent van de motoren raadt aan om voor hun bipolaire versterkers de motor in serie te schakelen. Voor het aansturen van de motoren moet de versterker dus aan de volgende eigenschappen voldoen:
Geen versterkers in de cel zelf wat betekent dat lange draden tussen de versterkers en de motoren mogelijk moeten zijn. Spanning van 2,5 V (serie) tot 3,6 V (half coil) Stroom van 4,6 A (serie) tot 3,25 A (half coil) 43
4.3.3
Microstap werking
De traagste beweging gebeurt bij de RX meting, hierbij beweegt de naald met 6 mm per minuut. Dit komt bij een verplaatsing van 0,025 mm per stap overeen met 4 stappen per seconde. De naald staat dus gedurende 0,25 seconden stil om dan telkens over een afstand van 0,025 mm te verspringen. Hierdoor ontstaat een schokkende beweging die de metingen beïnvloedt. Om een meer geleidelijke beweging te krijgen zou het wenselijk zijn dat de motoren ipv in “full stepping” in microstepping zouden draaien. Het aantal microstappen per volledige stap mag echter niet te hoog liggen omdat hierdoor de maximale snelheid beperkt wordt. 4.3.4
Synchronisatie assen
Aan de RX meting zijn enkele beperkingen verbonden. De slede en de cassette worden namelijk aangedreven door stappenmotoren. De X-straling is divergent zodat de snelheid van de cassette, afhankelijk van de hoogte, een factor sneller moet zijn dan die van de slede. Omdat de snelheid, uitgedrukt in het aantal steps per seconde, bij de huidige sturing een geheel getal moet zijn is de keuze aan snelheden beperkt: De overbrenging van zowel de slede als van de cassette zorgt voor een verplaatsing van 5 mm per 200 stappen. De snelheid bij X stappen per seconde wordt dan berekend met de formule: v= met X = 1
→
v = 1,5 mm/min
met X = 2
→
v = 3 mm/min
5 ⋅ 60 ⋅ X 200
enz… Indien de afstanden tussen bron en naald en tussen naald en film gekend zijn samen met de snelheid van de slede kan men via driehoeksmeting de snelheid van de cassette berekenen.
A / h2 = B / (h1 + h2 ) B = A ⋅ (h1 + h2 ) / h2 B = A + A ⋅ (h1 / h2 ) Voorbeeld
h2
h1 = 185 mm h2 = 740 mm
A
A = 6 mm / min h1
B = 6 + 6 ⋅ (185 / 740 )
B
= 7,5 mm / min Deze berekende snelheid moet echter wel weer een geheel veelvoud van 1,5 mm/min zijn zoals in het voorbeeld het geval is. 44
Om de mogelijke snelheden dichter bij elkaar te brengen zou de overbrengingen verkleind kunnen worden. Een alternatief is het gebruik van microstap sturing voor de motoren, zie paragraaf 4.2.3, waardoor de stap verkleint. De beste oplossing zou echter een sturing zijn die een synchronisatie toelaat tussen de verschillende assen. 4.3.5
Sturing
Hier worden een aantal eisen opgesomd waaraan de sturing zeker moet voldoen:
Bediening kan zowel vanuit computer en met drukknoppen aan de vensters (eventueel op de sturing zelf) Koppeling van twee assen waarbij de tweede as met een gekende factor sneller of trager loopt dan de eerste (beweging cassette en naald) Sturing moet onafhankelijk zijn van de PC waarop de metingen verwerkt worden. Zodat bij het herstarten van deze PC de positie van de wagen niet verloren gaat en manuele verplaatsing via drukknoppen mogelijk blijft De positie van de naald moet als meetwaarde uitgelezen kunnen worden door andere meetapparatuur Aansluiten van een absolute lineaire encoder moet mogelijk zijn De sturing moet voldoende programeerbare uitgangen hebben voor het op en neer sturen van de ondersteuningsrollen
45
4.4 Voorstellen Na opzoekwerk op het internet en het doorbladeren van verschillende catalogussen heb ik contact opgenomen met National Instruments (NI), Siemens, Rotero en Caldic Technics voor het aanvragen van een offerte. 4.4.1
National instruments
Figuur 42 Overzicht stappenmotorsturing National Instruments
De contactpersoon bij NI was F. Langenaken. Na een afspraak op het SCK waarbij de installatie uitvoerig besproken werd stelde hij voor om voor de sturing hun stappenmotor kaart NI 7344 te gebruiken. Het programmeren van deze kaart kan volledig gebeuren vanuit LabVIEW. Als versterker voor de motoren biedt NI hun NuDrive aan maar omdat deze duur is raden zij aan om de bijpassende versterkers van de stappenmotoren te gebruiken. De aankoop en de verantwoordelijkheid voor de werking van deze versterkers zou volledig bij het SCK berusten. De meest voor de hand liggende software is LabVIEW omdat deze de sturing al standaard ondersteunt. Tevens zijn er al voorbeeld programma’s beschikbaar. 4.4.2
Siemens
Na overleg met de heer Stormezand van Siemens werd voorgesteld een PLC met stappenmotorsturing FM 357-2 te gebruiken. De sturing laat toe tot vier verschillende assen te synchroniseren en een absolute encoder aan te sluiten wat bij geen enkel ander type mogelijk is. Het uitlezen van de positie informatie is mogelijk via de profibus of MPI interface. De versterkers die Siemens levert zijn ontwikkeld voor driepolige stappenmotoren van Siemens en kunnen in principe niet gebruikt worden. Er werd toch besloten een van onze reserve motoren mee te geven om in hun technische afdeling met hun sturing getest te worden. De sturing is echter wel compatibel met versterkers van andere merken via een gestandaardiseerde “puls and direction” uitgang. Dit biedt de mogelijkheid om geschikte drives te zoeken voor de huidige motoren en later enkel de versterkers te vervangen (indien nodig) zonder dat er iets moet veranderd worden aan de sturing van de bank. Voor HMI biedt Siemens twee mogelijke pakketten aan namelijk WinCC en ProTool/Pro. WinCC biedt de meeste mogelijkheden maar ProTool/Pro is voor onze toepassing eveneens geschikt. Het gebruik van NI LabVIEW is ook mogelijk. Het opzetten van een verbinding met de PLC is echter 46
niet zo eenvoudig als bij ProTool/Pro of WinCC. Dit dient namelijk te gebeuren via SIMATIC S7OPC Server en een CP5611 profibuskaart in de computer. 4.4.3
Rotero
Het voorstel is gebaseerd op een stappenmotor PC sturing van Aerotech en een bipolaire versterker van JVL. Hun verkoper G. Mertens stelde na overleg voor om de UNIDEX 500 van Aerotech te gebruiken. Dit is een PC kaart die verbonden kan worden met de versterkers via het BB 500 verbindingsbord. Als versterker boden ze de SMC 24 B van JVL aan. Deze versterker zou “half coil” aangesloten kunnen worden op de motoren. De drive voldoet aan de eisen maar is echter nog niet getest met onze motoren. De sturing biedt de mogelijkheid voor synchronisatie tussen de verschillende assen maar biedt geen ondersteuning voor een absolute encoder. Een belangrijk nadeel met een PC gebaseerde sturing is dat het niet mogelijk is om manipulaties uit te voeren als de PC niet aanstaat of als er zich een software probleem voordoet. Aerotech biedt een programatie tool aan waarmee een programma kan geladen worden in het geheugen van de sturing zelf. Een eigen gebruikers interface is hiermee niet te maken maar hiervoor zijn er drivers beschikbaar voor LabVIEW en VisualBASIC. 4.4.4
Caldic technics
Caldic biedt zowel producten van Pacific Scientific als van Superior Electric aan (deze laatste is recent opgekocht door Pacific Scientific). Voor overzicht voorstellen zie bijlage. Het eerste voorstel is een hybride sturing, het is dus een combinatie van een versterker met een sturing. De sturing zelf gebeurt met ASCI codes die via de parallelle poort van een PC komen. Het versterker gedeelte is compatibel met de huidige motoren, maar dit is nog niet getest in praktijk. Het tweede voorstel is een “stand-alone” sturing en biedt meer mogelijkheden voor programmering en I/O. Deze sturing kan dus zelf logische functies verwerken en uitgangen sturen. Een belangrijk nadeel van deze sturing is dat ze geen synchronisatie van de verschillende assen onderling toe laat, wel is het mogelijk om de beide assen parallel aan te sturen en zo de assen ongeveer synchroon te bewegen. Het aansluiten van een absolute encoder is eveneens niet mogelijk en het opvragen van de positie informatie is vrij omslachtig. De versterker voldoet aan de eisen maar is eveneens nog niet getest. Het derde voorstel is een versterker apart van Superior Electric de fabrikant van de huidige motoren. In de handleiding wordt duidelijk vermeld hoe de unipolaire motoren moeten aangesloten worden en hoe de versterker ingesteld moet worden. De koppel toerental grafiek is eveneens opgenomen voor deze configuratie. Deze drive moet aangesloten worden op een sturing via de gestandaardiseerde “puls and direction” input. Dit kan bijvoorbeeld de FM 357-2 van Siemens zijn of de PCI kaarten van Rotero of NI.
47
4.5 Keuze De sturing van Siemens kwam uiteindelijk het beste overeen met de door ons gestelde eisen. Deze is namelijk onafhankelijk van de computer waardoor een manuele bediening ten alle tijde mogelijk blijft. Daarnaast heeft deze de mogelijkheid voor het aansluiten van een absolute encoder wat een belangrijk voordeel vormt tegenover de andere sturingen. Het bijna onbeperkt aantal digitale in en uitgangen was eveneens niet onbelangrijk bij onze keuze. Voor de visualisatie en sturing vanuit de computer is gekozen voor LabVIEW. Dit pakket wordt reeds op verschillende plaatsen binnen de afdeling gebruikt en er moet dus geen licentie meer voor aangekocht worden. Voor de communicatie met LabVIEW moet wel de SIMATIC NET S7-OPC server geïnstalleerd worden samen met de CP5611 profibuskaart van Siemens. Uit de tests bleek echter dat onze motoren niet compatibel waren met de Siemens versterkers. Hierop hebben we aan Siemens de vraag gesteld of zij andere versterkers konden aanbieden die wel werkten met onze motoren maar deze verantwoordelijkheid wilden zij niet opnemen. Omdat de versterkers van Superior Electric, hetzelfde merk als de motoren, de beste garantie boden om onze motoren aan te kunnen sturen hebben we uiteindelijk terug contact opgenomen met de firma Caldic die deze firma vertegenwoordigt in België. Aan hen hebben we voorgesteld dat zij de volledige installatie zouden leveren waarbij ze de sturing van Siemens zouden gebruiken en de versterkers van Superior Electric. Dit heeft geleid tot de uiteindelijke samenwerking en de definitieve oplossing.
48
H O O F D S T U K
5
5 De testopstelling 5.1 Algemeen Bij de realisatie van de testopstelling is het belangrijk de werking tussen de verschillende onderdelen te onderzoeken zodat men zeker is dat de gekozen configuratie tot een werkende sturing zal leiden. De realisatie van de testopstelling heeft door het opzeggen van de levering een aanzienlijke vertraging opgelopen. Gelukkig was de functiemodule en de versterker al geleverd zodat ik in het labo besturingstechnieken in de school de rest van de proefopstelling heb kunnen afmaken. De proefopstelling bestaat uit een S7-300 PLC met CPU 314 van Siemens met functiemodule FM 357-2 en simulatie inputmodule. De functiemodule bevat de sturing voor de stappenmotoren en wordt verbonden met de versterkers via een zelf gemaakte kabel. Als versterker wordt het type SS2000MD4-M van Superior Electric gebruikt. De motor is eveneens van Superior Electric. Voor de eigenschappen van deze motor verwijs ik naar paragraaf 4.3.1.
Figuur 43 De testopstelling
49
5.2 Versterker 5.2.1
Koppeling met motoren
De versterkers zijn bedoeld voor bipolaire motoren maar kunnen ook unipolaire motoren aansturen. Zie paragraaf 4.2.4. Om een keuze tussen “half coil” en serie configuratie te doen heb ik de motoren op beide manieren aangesloten. In “half coil” draaide de motor veel rustiger en kon een veel hoger toerental bereikt worden maar het geleverde koppel was zo laag dat ik zelfs geen koppel heb kunnen meten. Voor serie aansluiting zie je hieronder de koppel - toerental grafiek. Deze is opgemeten met behulp van een momentsleutel die op de as van de motor bevestigd was. De nauwkeurigheid van deze methode is niet goed maar geeft toch een indicatie van het maximale koppel dat te bereiken is. De tweede grafiek geeft de koppel - toerental grafiek voor de huidige sturing. Uit de test blijkt dat het aansluiten van de Figuur 44 Versterker van Superior Electric motoren in serie zal moeten gebeuren. type SS7000 MD4-M
Koppel-toerental grafiek 1/25 microstepping, serie aangesloten op nieuwe versterker
3,0
Koppel [Nm]
2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,00
50,00
100,00 150,00 200,00 250,00
Toerental [stappen per seconde]
50
Koppel-toerental grafiek full stepping, unipolair aangesloten op oude versterker
3,0
Koppel [Nm]
2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,00
500,00
1000,00
1500,00
Toerental [stappen per seconde]
5.2.2
Koppeling met sturing
Voor het aansluiten van de sturing is een speciale kabel gemaakt die de 50 pins D-sub connector op de FM omzet naar een 25 pins D-sub connector. De weggelaten pinnen zijn aansluitingen die voorzien zijn voor het aansturen van servo motoren. Een overzicht van de pinbezetting vind je in volgende tabel. Gnd Pulse1 Pulse1N Dir1 Dir1N Enable1 Enable1N Puls2 Puls2N Dir2 Dir2N Enable2 Enable2N Pulse3 Pulse3N Dir3 Dir3N Enable3 Enable3N Pulse4 Pulse4N Dir4 Dir4N Screen-Grnd Enable4 Enable4N
50 PINS 22 5 38 6 39 18 19 40 7 41 8 20 21 9 42 10 43 26 27 44 11 45 12 23 28 29
Zwart Wit/Grijs Groen Wit/rose Rose/br Violet Geel/br Wit/rd Wit/Bl Bruin/bl Wit/zw Geel Grijs/br Wit/Groen Grijs Oranje Wit/gl Wit Bruin Blauw Bruin/gr Bruin/rd Licht Blauw Screen Rood Rose
25 PINS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Pulse1 Dir1 Puls2N Dir2N Pulse3 Dir3 Pulse4N Dir4N Enable1 Enable1N Enable2 Enable2N Gnd Screen-Grnd Enable3 Enable3N Enable4 Enable4N Pulse1N Dir1N Puls2 Dir2 Pulse3N Dir3N Pulse4 Dir4
50 PINS 5 6 7 8 9 10 11 12 18 19 20 21 22 23 26 27 28 29 38 39 40 41 42 43 44 45
Wit/Grijs Wit/rose Wit/Bl Wit/zw Wit/Groen Oranje Bruin/gr Licht Blauw violet Geel/br Geel Grijs/br Zwart Screen Wit Bruin Rood Rose Groen Rose/br Wit/rd Bruin/bl Grijs Wit/gl Blauw Bruin/rd
25 PINS 2 4 9 11 14 16 21 23 6 7 12 13 1 18 19 24 25 3 5 8 10 15 17 20 22
Tabel 6 Pinbezetting van verbindingskabel 51
De aansluiting naar de sturing gebeurde oorspronkelijk via een opto-koppeling om schade te voorkomen. Het schema voor de aansluiting van één motor wordt hieronder gegeven. Deze opstelling bleek echter niet te werken omdat de opto-koppelaar slechts frequenties tot 100 Hz aankan maar de stuursignalen tot 20 kHz kunnen oplopen. e VERSTERKER
FM 357-2 OPTO +5 V OPTO-KOPPELING PULS 1
PULS
GND
GND
De uitgangen van de FM zijn kortsluit beveiligd zodat een extra beveiliging eigenlijk niet nodig is. De aansluiting kan gebeuren volgens volgend schema. VERSTERKER
OPTO
FM 357-2 PULS 1
PULS
GND
52
5.3 PLC sturing FM-357-2 5.3.1
Werking
De PLC bestaat uit een CPU, I/O module en een functiemodule gemonteerd op een DIN rail. De communicatie gebeurt via een systeembus, aan de achterzijde. De kern van het systemen is de CPU die het gebruikersprogramma bevat voor het sturen van de verschillende modules. De FM-357-2 module bevat alle functies die nodig zijn voor het sturen van de stappenmotoren. De module vormt samen met de CPU een werkend geheel en kan los hiervan niet werken.
Figuur 45 Stappenmotorsturing FM-357-2
Om communicatie tussen de CPU en de functiemodule mogelijk te maken moeten in het gebruikersprogramma een aantal standaardfuncties opgeroepen worden. Deze standaardfuncties worden met de module meegeleverd. Voor de werking van deze standaardfuncties verwijs ik naar de handleiding van de functiemodule.
De sturing kan geprogrammeerd worden met het “Parameterize FM357-2” programma. Dit programma wordt vanuit SIMATIC STEP 7 opgeroepen. Met dit programma is het mogelijk NC programma’s te schrijven en in het geheugen van de sturing te laden. Het oproepen van deze NC programma’s gebeurt vanuit de PLC.
53
5.4 PLC programma 5.4.1
Algemeen
Voor het schrijven van het gebruikersprogramma heb ik mij gebaseerd op de bijgeleverde voorbeelden. Hieronder vind je de I/O list van de proefopstelling. Adres
Beschrijving
I 0.0
Sturing activeren
I 0.1
Beweeg positief
I 0.2
Beweeg negatief
I 0.3
Slede sensor
I 0.4
Rol sensor
I 0.5
Voorkeurschakelaar rol
I 0.6
Reset kanaal 1
I 0.7
Start beweging naar nulpunt
Tabel 7 de I/O list van de proefopstelling 5.4.2
OB1: Cyclische programma verwerking
CALL FC 22 FMDB_NO:= 30) A JC
DB30.DBX END
// Basis functies en werking modes voor FM 357-2 // datablok voor FM357-2 signalen 10.2
// FM 357-2 aan het opstarten ? // Zo neen geen gebruikers programma uitvoeren
// Test mode A = JC
DB30.DBX DB30.DBX END
11.0 11.1
// Test mode geactiveerd in parameterizatie tool ? // Activeer test mode
A JCN
DB30.DBX END
10.0
// FM gereed om te communiceren ? // End als niet
Het oproepen van functie 22 zorgt voor het creëren van de databouwstenen voor de communicatie met de functiemodule. In het programma is dit DB 30 en DB 31. Het aanvragen van de test mode vanuit de parameterizatie tool wordt kenbaar gemaakt door DB30.DBX 11.0 In het programma wordt hierop de test mode geactiveerd door DB30.DBX 11.1 Verder worden vanuit OB1 alle functies opgeroepen voor het sturen van de motoren. Deze functies worden hierna kort besproken. 54
5.4.3
FC 100: JOG_MODE CALL "JOG_MODE" CTR_EN_AX1 DIR_M_AX1 DIR_P_AX1 GO_M_AX1 GO_P_AX1
:= := := := :=
I I I Q Q
0.0 0.1 0.2 0.2 0.3
Deze functie laat toe de motor te bedienen dmv drukknoppen. Het oproepen van deze functie zet, zoals de naam al zegt, de sturing in “JOG mode”. De parameters DIR_M_AX1 en DIR_P_AX1 zorgen respectievelijk voor een negatieve en positieve beweging. De bewegingsrichting wordt weergegeven door de output parameters GO_M_AX1 en GO_P_AX1. De beweging van as één vindt enkel plaats indien parameter CTR_EN_AX1 hoog is. 5.4.4
FC 101: CPU_MODE CALL "CPU_MODE" CTR_EN INCR INCH POS FRATE START ERR ERR_NO ACTIV CPUAX
:= := := := := := := := := :=
"USERDB".EX3.CTR_EN_AX1 FALSE FALSE 0.000000e+000 2.000000e+003 "USERDB".EX3.START "USERDB".EX3.ERR "USERDB".EX3.ERR_NO "USERDB".EX3.ACTIV "USERDB".EX3.CPUAX_FCT
Om de as in CPU mode te bewegen mag de sturing niet in JOG mode zijn. Als de START parameter hoog wordt kijkt functie 22 na of de as al aan de CPU is toegewezen. Indien niet wordt het “request CPU axis” signaal (DB30.DBX50.7) hoog gezet. Indien het verzoek succesvol is zal de outputparameter CPUAX hoog worden en de beweging gestart worden. Als de positionering gedaan is zal bit DBX67.6 hoog worden en het START signaal moet manueel door de gebruiker gereset worden. Functie 22 beëindigt dan de positionering en kent de as terug toe aan de FM. Outputparameter CPUAX wordt terug laag. De as kan niet opnieuw gestart worden zolang deze procedure duurt. Het signaal positie bereikt blijft tijdens deze periode hoog. Van zodra dat dit signaal terug laag is kan de as opnieuw gestart worden.
Figuur 46 CPU mode 55
5.4.5
FC 102: ROLSTURING CALL "ROLSTURING" WAGEN_SENSOR ROL_SENSOR ROL_AAN TIMER_FUNCTIE FOUT POS_ROL_UIT
:= := := := := :=
I I I T Q Q
0.3 0.4 0.5 5 0.0 0.1
Deze functie is bedoeld voor het sturen van één enkel ondersteuningsrolletje zoals in paragraaf 2.4.2 beschreven. De functie bestaat uit twee netwerken. Het eerste bevat de sturing voor de persluchtcilinder. Indien de ingangsvariabelen ROL_AAN en WAGEN_SENSOR respectievelijk hoog en laag zijn, dus wanneer de voorkeurschakelaar voor de rol aan staat en de slede niet gedetecteerd wordt zal de flipflop gezet worden. Van zodra dat de wagen gedetecteerd wordt of de voorkeurschakelaar af staat zal deze gereset worden. De uitgangsvariabele POS_ROL_UIT geeft de toestand van deze flipflop weer en stuurt zo de persluchtcilinder.
Het tweede netwerk bevat een bewaking van de positie van deze ondersteuningsrolletjes. Het naar beneden sturen van het rolletje biedt namelijk niet de garantie dat deze beweging ook daadwerkelijk wordt uitgevoerd. Bij defect kan het namelijk zo zijn dat ondanks het stuursignaal het rolletje nog boven staat zodat de slede hier vastloopt met schade als gevolg. De timer met opkomvertraging en de EN-poort zorgen ervoor dat indien de slede gedetecteerd wordt en de rol niet naar beneden gaat binnen de twee seconden de flipfop gezet wordt. Indien dit het geval is wordt bit 4.3 gezet in DB31. Hierdoor stopt as één zijn beweging (feed stop).
56
5.5 De OPC interface 5.5.1
Algemeen
OPC (OLE for Process Control) is een software interface voor communicatie met automatisatie apparatuur zoals PLC’s. Het programma dat deze interface voorziet wordt OPC server genoemd. Cliënt toepassingen, zoals LabVIEW, kunnen op een uniforme manier toegang krijgen tot de gegevens in deze apparatuur zonder dat de programmeur op de hoogte moet zijn van de specifieke eigenschappen van de apparatuur of het protocol dat gebruikt wordt voor de verbinding. De OPC server kan dus beschouwd worden als een afscheiding tussen de cliënt toepassing, die de gegevens verwerkt, en de verschillende toestellen en protocollen. Figuur 47 Principe OPC server LabVIEW (OPC cliënt)
SIMATIC NET S7 OPC (OPC server) S7 functies (Protocol software) CP5611 (Communicatie processor)
PROFIBUS (communicatie netwerk)
De OPC interface bestaat zowel uit een hardware als een software gedeelte. Hieronder zie je de gebruikte apparatuur en software voor de proefopstelling.
PC 466MHz/128 RAM ISA MPI kaart S7 station met CPU314 MPI kabel
Microsoft Windows NT 4.0 operating system S7 OPC Server for SIMATIC NET, Version 2.0 Step 7 Software Versie 5.1 S7 protocol /Windows NT
57
5.5.2
Configuratie OPC server
Om communicatie tussen de computer en de PLC mogelijk te maken moeten de juiste instellingen gedaan worden. Om te beginnen moet de communicatie processor aan de OPC server toegekend worden met behulp van het “SET PG/PC interface” configuratie scherm. Vervolgens dienen de instellingen voor de communicatie in een database opgeslagen te worden met “SIMATIC NET COML S7”. Bij de instellingen voor de OPC server geef je het pat voor deze database op. Deze database wordt tijdens het opstarten ingelezen door de adapter en de OPC server. Nadat deze instellingen afgehandeld zijn kan je met om het even welke OPC cliënt een verbinding maken met de OPC server.
Figuur 49 Set PG/PC interface
Figuur 48 SIMATIC NET COML S7
Figuur 50 OPC server
58
5.6 LabVIEW programma 5.6.1
Algemeen
LabVIEW is een grafische programmeertaal die gebruik maakt van objecten ipv tekst om toepassingen te maken. In tegenstelling tot tekstgebaseerde programmeertalen, waar het programma verloop door instructies bepaald wordt, gebruikt LabVIEW een “dataflow programmering” waarbij het verloop van het programma afhankelijk is van de data. Het bouwen van de gebruikers interface, ook wel “front panel” genoemd, gebeurt door gebruik te maken van objecten en een set gereedschappen. Je kan code toevoegen aan deze objecten met behulp van grafisch voorgestelde functies. Deze functies worden in een tweede venster tot een stroomdiagram gegroepeerd. Dit venster wordt ook aangeduid als het blok diagram, zie figuur 51. Wat LabVIEW zo geschikt maakt zijn de uitgebreide bibliotheken voor acquisitie, analyse, voorstelling en opslag van data. Daarnaast ondersteunt het standaard tal van data-acquisitie apparatuur en bevat het verschillende mechanismen voor communicatie.
Figuur 51 Voorbeeld van een LabVIEW programma
59
5.6.2
DataSocket
DataSocket is een groep van functies die het mogelijk maakt vanuit LabVIEW gegevens uit te wisselen met andere gegevensbronnen. Dit kunnen zowel servers als locale bestanden zijn. Vaak bevinden deze zich op een andere computer. Bij de communicatie worden zowel de gegevens als extra informatie over deze gegevens doorgestuurd. Deze extra informatie kan bijvoorbeeld de sample rate, tijdsaanduiding en kwaliteit van de gegevens zijn. De DataSocket functies vind je terug door het selecteren van Functions » Communication » DataSocket vanaf het blok diagram. Het menu bevat functies zoals openen, sluiten, lezen en schrijven. Verder zijn er drie submenu’s voor meer uitgebreide functies (figuur 52). Om data in te lezen via DataSocket gebruik je de “DataSocket Open Connection VI”. Deze VI gebruikt een URL om de bron te identificeren waarmee je een verbinding wil maken. Net zoals bij een webbrowser kan deze URL naar verschillende soorten bronnen verwijzen afhankelijk van het gebruikte prefix. DataSocket ondersteunt verschillende bestaande bronnen zoals: http: (hypertext transfer protocol), ftp: (file transfer protocol), en file: (lokale bestanden). DataSocket ondersteent eveneens het prefix opc: (ole for proces control), voor een verbinding met de OPC server.
Figuur 52 DataSocket functies 5.6.3
LabVIEW Code
Omdat de OPC server van SIMATIC NET niet werkt heb ik het voorbeeldprogramma nog niet kunnen testen samen met de PLC. Wel heb ik het programma al kunnen testen met de simulatie TestOPC server van National Instruments. Het voorbeeld programma leest vier items van een OPC server. Bij het opstarten heb je de keuze om de items zelf te selecteren (zie figuur 53) of de standaard voorgeprogrammeerde items te gebruiken (figuur 56). De geselecteerde items worden vervolgens geopend en geüpdate om de 50 ms (figuur 57). In de user interface wordt de URL samen met de inhoud van ieder item weergegeven (figuur 54).
60
Figuur 53 Menu voor het selecteren van één OPC item
Figuur 54 User interface van het LabVIEW programma
61
Figuur 55 Selecteren van items met DataSocket functie
Figuur 56 Voorgeprogrammeerde items 62
Figuur 57 Lezen van de OPC items met DataSocket functies
63
H O O F D S T U K
6
6 Nabeschouwing Het hele eindwerk heeft me enorm geboeid. De samenwerking tussen de verschillende programmeerplatformen en hardware maakte het eindwerk heel interessant maar ook heel complex. Tevens heb ik veel ervaring kunnen opdoen met project planning. De moeilijkheden die er waren met de leveranciers hebben het project wel vertraagd maar waren toch zeer leerrijk voor mij. Ik hoop dat men dit project verder zonder problemen kan afwerken.
6.1 Het voorontwerp Toen ik begon aan de voorstudie was het nog niet duidelijk of een vernieuwing van de cel ook werkelijk zou uitgevoerd worden. Maar ondertussen is besloten om de vernieuwing door te voeren en het nodige personeel aan te werven om een definitief ontwerp te maken. De uiteindelijke vernieuwing zal dan vermoedelijk over twee jaar van start kunnen aan. Voor het uitwerken van het definitieve ontwerp raad ik aan het grootste deel van het ontwerpen door de leveranciers te laten doen. Hierdoor worden problemen voorkomen.
6.2 Vernieuwing van de motorsturing Doordat de bestelling van de vereiste apparatuur vertraging heeft opgelopen is de testopstelling jammer genoeg niet volledig afgeraakt. De verbinding met de PLC via de OPC interface werkt namelijk nog niet omdat de voorlopig gebruikte communicatie processor geen OPC ondersteund. Dat deze verbinding met de juiste apparatuur wel werkt hebben we kunnen zien tijdens het onderhoud met de heer Tom Claessens van Siemens. Deze heeft op ons verzoek de nodige apparatuur meegenomen om met onze testopstelling de communicatie te demonstreren. De koppeling van de versterkers met de sturing is met succes verlopen zodat we met zekerheid kunnen zeggen dat de versterkers kunnen aangestuurd worden. Het testen van de versterkers met de huidige motoren is nog aan de gang. Momenteel wordt nagekeken of het koppel dat bekomen wordt met de nieuwe versterkers voldoende groot is voor het aandrijven van de huidige meetbank. Op het moment van schrijven is het ontwerp voor de definitieve kast geleverd door IEC. In bijlage 1 vind je een overzichttekening hiervan. Met dit ontwerp is het mogelijk bij een willekeurige firma de kast te laten bouwen. Vermoedelijk zal dit eveneens door de firma IEC gebeuren. Indien de installatie geleverd wordt zal deze moeten aangesloten worden op de huidige meetbank. Hierbij zal het programma van de PLC en het gebruikers programma in LabVIEW verder uitgewerkt moeten worden.
64
WOORDENLIJST FS. Full Scale FTP. File transfer Protocol HTTP. Hypertext Transfer Protocol LHMA. Laboratorium voor Hoge en Matige Activiteit LVDT. Linear variable Displacement Transducer MPI. Multi-Point Interface NDT. Niet-Destructief-Onderzoek NI. National Instruments OPC. OLE for Process Control PLC. Programmable Logic Controler PM. Permanent magneet motor PWR. Pressurized Water Reactor RMO. Reactormaterialen Onderzoek SCK•CEN. Studiecentrum voor Kernenergie • Centre d’Étude de l’énergie Nucléaire URL. Uniform Resource Locator VI. Virtual Instrument VR. Variabele reluctantie motor
65
Geraadpleegde literatuur [1] Klaar voor de 21ste eeuw, SCK•CEN, Mol, 1999 [2] Westinghouse, 20 september 2001, http://www.westinghouse.com [Internet] [3] Bart Vercammen, Sturing van een meetbank voor lengte- en diametermeting van brandstofstaven via PC, Katholieke Industriële Hogeschool der Kempen, 1994-1995 [4] W. J. P. Vink, Niet-destructief-onderzoek, Delft: Delftse Universitaire pers, 1980 [5] Nick Heylen, Suring van een meetbank voor radiografie van brandstofstaven met PC, Katholieke Industriële Hogeschool der Kempen, 1993-1994 [6] Defining precision in motion, tijdschrift Motion control, November 1998, pagina 37-38 [7] Laser interferometry technology, The technology behind the Renishaw laser system, Renishaw, 10 mei 2002, http://www.renishaw.com [Internet] [8] Algemeen werkingsprincipe magnetostrictieve sensoren, 21 maart 2002, http://www.tsb-bescom.nl/achtergr.htm [Internet]
tsb-bescom
bv,
Westvoort,
[9] S. Janses, F. Wynants, Meetafwijkingen, september 1997 [10] B. T’Jollijn, Elektrische servosystemen, 1997 [11] D. Rapini, New directions in motion control, tijdschrift Motion Control, januari 1999, p 37-38 [12] Guidebook on Non-Destructive-Examination of Water Reactor Fuel, International Atomic Energy Agency, Wenen, 1991, Technical reports series nr. 322
66
BIJLAGE 1 Definitief ontwerp
67
Bijlage 2 Theorie magnetostrictie Het magnetostrictief principe wordt alleen gevonden bij ferromagnetische materialen zoals ijzer, nikkel, kobalt en legeringen van deze materialen. De basis van het magnetostrictief principe zijn bepaalde magnetomechanische eigenschappen van deze materialen. Wordt een ferromagnetisch materiaal in het bereik van een magnetisch veld gebracht dan treedt een microscopisch kleine vervorming van de atomaire structuur op. Een ferromagnetisch materiaal bestaat uit zeer vele gebiedjes (zgn. Weiß-gebieden) die allen als een klein magneetje werken. De verdeling van deze gebiedjes, en daarmee de magnetisch richtingen, zijn willekeurig. Hierdoor is het ferromagnetisch materiaal als geheel macroscopisch niet-magnetisch. Indien het ferromagnetisch materiaal in een magneetveld wordt geplaatst dan klappen alle magnetische gebiedjes om zodat ze allen (in magnetisch opzicht) in dezelfde richting staan. Dit betekent dat als een staaf in een magnetisch veld wordt geplaatst waarvan de richting parallel aan de staaf loopt, de staaf in de lengterichting van grootte verandert. De relatieve verlenging van de staaf, die door het magnetostrictief effect, bereikt wordt is in de realiteit zeer klein en bedraagt ca. 10-6. Het industrieel gerealiseerde meetprincipe benut als tweede magnetostrictief effect het Wiedemanneffect. Hij beschrijft de mechanische torsie van een lange, dunne ferromagnetische staaf die zich in een longitudinaal magneetveld bevindt en waar gelijktijdig een elektrische stroom doorheen vloeit welke een concentrisch magneetveld genereert. Bij de sensoren van MTS wordt dit longitudinale magneetveld door een positiemagneet partieel in het staafvormige meetelement gebracht, zodat bij het ontstaan van een elektrische stroom een gedeeltelijke verdraaiing van het meetelement ontstaat. Als magneto-elastisch effect vindt het Villary-effect toepassing in de sensoren van MTS. Het Villaryeffect beschrijft de verandering van de longitudinale magnetische eigenschappen, bijvoorbeeld de permeabiliteitverandering van een ferromagnetische staaf, die door de vervorming in de lengterichting ontstaat. In een magneetveld kan een dergelijke permeabiliteitverandering met behulp van het inductieve principe in een elektrisch signaal omgevormd worden. Hierdoor wordt het mogelijk een elektronische signaalverwerking toe te passen.
68
Bijlage 3Adressenlijst Positie meting
Sleepketting
Schut België BVBA Wouter Haecklaan 4 bis B-2100 Deurne Tel: 03/366 59 59 Fax 03/366 17 57 E-mail:
[email protected] Contactpersoon: Mvr Huyten Verdeler van: Sony
Elektro Wisman Drie Eikenstraat 112 2650 Edegem Tel: 03/457 24 82 Fax: 03/457 29 80 E-mail:
[email protected] Verdeler van: KabelSchlepp
Multiprox NV Lion d’Orweg 12 B-9300 Aalst Tel: 053/766 566 Fax: 053/78 39 77 E-mail:
[email protected] Web: www.multiprox.be Contactpersoon: Freddy Verloove Verdeler van: MTS Martec Sprl Rue du Broux 16 B-1320 Beauvechain Tel: 010/86 82 80 Fax: 010/86 82 89 E-mail:
[email protected] Verdeler van: Renishaw
Aandrijving SKF Multitec Benelux BV Postbus 2350, 3430 DT Nieuwegein Kelvinbaan 16, 3439 MT Nieuwegein Tel. (030) 6029029 Fax (030) 6029028 E-mail:
[email protected] Internet: http://www.linearmotion.skf.com INA Nederland B.V. Postbus 50, 3770 AB Barneveld Gildeweg 31, 3771 NB Barneveld Tel. (0342) 403000 Fax (0342) 403280 E-mail:
[email protected] Internet: www.ina.nl
Sturing Siemens SA Chaussée de Charleroi 116 B-1060 Bruxelles Tel: 02/536 24 33 Fax: 02/536 23 87 Contactpersoon: Ronny Stormezand National Instruments Belguim NV Ikaroslaan 13 B-1930 Zaventem Tel: 02/757 00 20 Fax: 02/757 03 11 Contactpersoon: Filip Langenaken Rotero Belguim BVBA Wayenborgstraat 10 B-2800 Mecelen Tel: 015/45 18 45 Fax: 015/ 45 18 41 Internet: www.rotero.com Contactpersoon: Guy Mertens Verdeler van: Aerotech Caldic Techniek Belguim Tollaan 73 B-1932 Sint Stevens W Tel: 02/720 49 81 Fax: 02/720 81 01 Internet: www.caldic.com Contactpersoon: Theo Hermans Verdeler van: Superior Electric
Alpha Réducteurs B.P. 85-Z.A.-85, Rue Galliéni 95170 Deuil-La-Barre Tel: 01 34 17 90 95 Fax: 01 39 83 66 23 E-mail:
[email protected] Verdeler van: Atlanta
69
Bijlage 4 Prijsvergelijking voorstellen #
Beschrijving ROTERO 1
Prijs
•
Motorsturing ROTERO / JVL
4
SMD10B3 Versterker voor Superior Electric stappenmotor
128 149 (3168,1)
1
U500PCI PC-kaart voor aansturing van 4 stappenmotoren
89 686 (2217,2)
Tussen totaal
217 835 (5385,3)
•
Visualisatie en programma software ROTERO / NI
1
National Instruments LabVIEW full development system
113 057 (2795)
1
MMI500CD Bedieningsomgeving voor Windows NT/2000 inclusief Labview drivers
30 604 (756,6)
Tussen totaal
143 662 (3551,6)
•
Visualisatie en programma hardware: PC
1
PC
50 000 (1236,1)
Tussen totaal
50 000 (1236,1)
•
Kabels en montage toebehoren ROTERO
1
RAI3 Montagerack voor 4 versterkers (inbouw)
1
#
Beschrijving ROTERO 2
Prijs
•
Motorsturing JVL
4
SMC24B JVL Step motion controler
229 592 (5676)
Tussen totaal
229 592 (5676)
•
Visualisatie en programma software 4 000 JVL (100)
1
JVL MotoWare programming tool op 3½" diskette
Tussen totaal
4 000 (100)
•
Visualisatie en programma hardware:
1
PC
50 000 (1236,1)
Tussen totaal
50 000 (1236,1)
•
Kabels en montage toebehoren ?
6 404 (158,3)
4
CON10P JVL connector board
15.322 (378,8)
BB500 Verbindingsbord naar versterkers met optokoppler inputs voor eindschakelaars
17 519 (433,1)
1
RAI3 JVL 1/1 19” rack-unit depth 220 mm
6.404 (158,33)
1
OP500-12 Verbindingskabel tussen PC en elektrokast
15 811 (390,9)
1
RAC1 JVL 19” rack-cabinet
19.781 (489,03)
4
CON 15 Aansluitbord op versterkers
15 322 (378,8)
1
RS232-9-4-5 JVL RS232 interface kabel voor 4 controlers
5918 (146,31)
Tussen totaal
55 056 (1361,1)
Tussen totaal
47 426 (1172,47)
Eindtotaal
466 553 (11534)
Eindtotaal
331 018 (8 183,4)
Tabel 8 Prijsvergelijking voorstellen
70
#
Beschrijving SIEMENS 1
•
Motorsturing Superior Electric/SIEMENS
4
SS2000MD4M-O Versterker voor Superior Electric stappenmotor
1 1
Prijs
#
Beschrijving SIEMENS 2
Prijs
•
Motorsturing Superior Electric/SIEMENS
65 352 (1615,6)
4
SS2000MD4M-O Versterker voor Superior Electric stappenmotor
65 352 (1615,6)
S7-300 Functiemodule FM 357-2 Voor positioneren en sturen van 4 stappenmotoren
48 569 (1200,7)
1
S7-300 Functiemodule FM 357-2 Voor positioneren en sturen van 4 stappenmotoren
48 569 (1200,7)
S7-300 Firmware FM 375L voor FM 375-2 hardware
36 104 (892,6)
1
S7-300 Firmware FM 375L voor FM 375-2 hardware
36 104 (892,6)
Tussen totaal 33% korting op MD4
134 994 (3337,3)
Tussen totaal 33% korting op MD4
134 994 (3337,3)
•
Visualisatie en programma software SIEMENS
•
Visualisatie en programma software SIEMENS / NI
1
ProTool/Pro V5.2 + SP2 met ProAgent V5.2 + 94 597 SP2 visualisatie software, single license met 128 (2338,6) power tags
1
National Instruments LabVIEW full development system
113 057 (2795)
1
SIMATIC S7, SW STEP7 V5.1 voor programmering van S7-300
56 794 (1404,1)
1
SIMATIC S7, SW STEP7 V5.1 voor programmering van S7-300 + SIMATIC S7-OPC server
70 426 (1741,1)
Tussen totaal
151 391 (3742,7)
Tussen totaal
183 483 (4536,1)
•
Visualisatie en programma hardware: SIEMENS PLC + PC
1
PC
1
•
Visualisatie en programma hardware: SIEMENS PLC + PC
50 000 (1236,1)
1
PC
50 000 (1236,1)
NET-CP 5611 PCI-kaart voor aansluiting van PC met S7-300 PLC via Profibus 12Mbit/S
15 692 (387,9)
1
NET-CP 5611 PCI-kaart voor aansluiting van PC met S7-300 PLC via Profibus 12Mbit/S
15 692 (387,9)
1
S7-300 CPU315-2DP Centrale eenheid met geïntegreerde voeding 24V DC
51 353 (1269,5)
1
S7-300 CPU315-2DP Centrale eenheid met geïntegreerde voeding 24V DC
51 353 (1269,5)
1
S7-300 Voedingseenheid Laadstroom PS 307AC 120/230V + S7-300 Bufferbatterij (LI) 3,4V/1AH
6 789 (167,8)
1
S7-300 Voedingseenheid Laadstroom PS 307-AC 120/230V + S7-300 Bufferbatterij (LI) 3,4V/1AH
6 789 (167,8)
Tussen totaal
123 834 (3061,4)
Tussen totaal
123 834 (3061,4)
•
Kabels en montage toebehoren SIEMENS
•
Kabels en montage toebehoren SIEMENS
1
S7-300 Normprofiel voor montage L = 830 mm
1 662 (41,1)
1
S7-300 Normprofiel voor montage L = 830 mm
1 662 (41,1)
1
S7-300 Frontstekker 392 Schroefaansluiting 40 polig
1 275 (31,5)
1
S7-300 Frontstekker 392 Schroefaansluiting 40 polig
1 275 (31,5)
Tussen totaal
2 937 (72,6)
Tussen totaal
31 425 (776,9)
Eindtotaal
413 156 (10 214)
Eindtotaal
445 248 (11007,6)
Tabel 9 Prijsvergelijking voorstellen
71
#
Beschrijving CALDIC TECHNIEK 1
Prijs
•
Motorsturing PACIFIC SCIENTIFIC
4
Model 6420-001-H-K Voor sturing Stappenmotoren: Unipolair, Parallel, serie, Full step & microstep Met RS232/RS422/RS485
182.212 (4578,6)
1
Voeding 230V AC naar 24V DC
?
Tussen totaal
182.212 (4578,6)
#
Beschrijving CALDIC TECHNIEK 2
•
Motorsturing PACIFIC SCIENTIFIC
4
Model 5445 Programmeerbare drive Microstep/Indexer Rs232/422 en 485 Full step,1/2,1/5,1/25,1/125 Voeding : 240 V AC
Tussen totaal met 30% korting •
Visualisatie en programma software PACIFIC SCIENTIFIC
113 057 (2795)
1
PacSci Stepper BASIC TM
Dialogue programming tool op 3½" diskette
0
1
PacCom TM
Tussen totaal
113 057 (2795)
•
Visualisatie en programma software NATIONAL INSTRUMENTS
1
National Instruments LabVIEW full development system
1
•
Visualisatie en programma hardware: NATIONAL INSTRUMENTS
1
PC
50 000 (1236,1)
Tussen totaal
50 000 (1236,1)
•
Kabels en montage toebehoren NATIONAL INSTRUMENTS
1
MA6420 User manual / Design guide
4
HS6410 Heat sink
4
CK6420 Connector kit
Eindtotaal
721 648 (17 840,7)
505 154 (12 488)
Tussen totaal •
Visualisatie en programma hardware:
1
PC
50 000 (1236,1)
Tussen totaal
50 000 (1236,1)
•
Tussen totaal
Prijs
Kabels en montage toebehoren?
Tussen totaal 345 269 (8 535,7)
Eindtotaal
555 154 (13 724,5)
Tabel 10 Prijsvergelijking voorstellen
72
#
Beschrijving CALDIC TECHNIEK 3
•
Motorsturing
4
SS2000MD4M-O Versterker voor Superior Electric stappenmotor
Tussen totaal •
Prijs
65 352 (1615,6)
#
Beschrijving NATIONAL INSTRUMENTS
•
Motorsturing NATIONAL INSTRUMENTS
2
nuDrive 2SX-411 Versterker voor Superior Electric stappenmotor
238 250 (5890)
1
PCI-7344 PC-kaart voor aansturing van 4 stappenmotoren
90 810 (2 245)
Tussen totaal
329 060 (8135)
65 352 (1615,6)
Visualisatie en programma software
•
Visualisatie en programma software NI
1
National Instruments LabVIEW full development system
113 057 (2795)
1
NI-Motion
0
Tussen totaal
113 057 (2795)
Tussen totaal •
Visualisatie en programma hardware
•
Visualisatie en programma hardware: NI
1
PC
50 000 (1236,1)
Tussen totaal
50 000 (1236,1)
Tussen totaal •
Kabels en montage toebehoren
Tussen totaal Eindtotaal
65 352 (1615,6)
Prijs
•
Kabels en montage toebehoren NATIONAL INSTRUMENTS
1
UMI-7764 Verbindingsbord naar versterkers
17 798 (440)
1
2 m kabel voor verbinding van PC met UMI-7764
9 101 (225)
Tussen totaal
26 899 (665)
Eindtotaal
519 016 (12831,1)
Tabel 11 Prijsvergelijking voorstellen
73
Bijlage 5 Technische vergelijking Sturing Type Aantal assen per module Motoren Asyncrone motor + drive met vector control Stappen motor met puls interface Servo motor + drive met analoge interface Positie meetsysteem Encoder met analoge output Encoder met TTL kwadratuur signaal Encoder met SSI uitgang Encoder met Profibus DP uitgang Motor interface Puls en richting interface ± 10 V analoog interface Input/Output Digitale Input/output
Siemens FM 357-2 PLC 4
PC 4
Aerotech UNIDEX 500 B PC 4
Pacific Scientific 6420 Hybride 1
Pacific Scientific 5345 Stand-alone 1
Ja
Neen
Neen
Neen
Neen
Ja
Ja
Ja
Ja
Ja
Ja
Ja
Ja
Neen
Neen
Nee
Ja (12 bit)
Neen
Neen
Neen
Ja
Ja
Ja
Neen
Ja
Ja
Neen
Neen
Neen
Neen
Nee
Nee
Nee
Nee
Nee
Max. 1 MHz Ja
Max. 8 MHz Ja (12 bit D/A)
Max. 8 MHz Ja (18 bit D/A)
Nee
Nee
6/?
16/8 Ja (24 toewijsbaar) Nee Nee
8 toewijsbaar
16/12
Nee
Nee
Nee
Nee
Nee Nee Nee
Ja Ja Nee
Ja Ja Nee
NI 7344
Uitbreidbaar
Ja (max. 8192)
Analoge Input/output Uitbreidbaar Communicatie RS-232 C RS 422/RS 485 (X.27) Profibus DP programmering
Via PLC Ja (max. 512)
4/20 Ja (32 toewijsbaar) 4/4 Nee
Via PLC Via PLC Ja
Nee Nee Nee
programmeer omgeving Commando set
Windows Windows 2000/NT/Me/9x 2000/NT/Me/9x STEP 7 V5.0 ? + G-Code
Windows Windows Windows 2000/NT/Me/9x 2000/NT/Me/9x 2000/NT/Me/9x AeroBASIC ASCII BASIC + G-Code
OP 7, OP 17 en PC
PC
PC
PC
Aerotech MMI (Man-MachineInterface)
Dialogue
PacSci BASIC
Nee
Nee
Nee
HMI Systeem omgeving
Meegeleverde software
STEP 7 voorgeprogramm eerde functie blokken
Optionele software
Siemens WinCC SCADA pakket
Systeem vereisten
400 MHz / 256 Mb RAM
Ondersteunde software
LabVIEW, Measurement Studio, C, C++, VisualBASIC via OPC server
PC NI-Motion, ValueMotion VI’s voor LabVIEW en exemple code VisualBasic, Measurement Studio, en C LabVIEW, Measurement Studio 400 MHz / 64 Mb RAM 32 bit drivers for Windows 95/NT /98, C, C++, VisualBASIC
400 MHz / 64 Mb RAM 32 bit device drivers for Windows 95/NT /98, C, C++, VisualBASIC en LabVIEW
VisualBASIC en LabVIEW
Tabel 12 Technische vergelijking voorstellen 74
1
Enrichment [at %]
Weight/rod (U) [kg]
Fuel
Cladding Thickness of clad [mm]
MATERIALS
Total length [mm] Fuel stack length [mm] Length of plenum [mm] Diameter OD/ID [mm] Weight [kg]
1,485 (1,407) 2,7/3,6
Zr4 0,725
2,615 2,429 135 10,75/9,30 2
14,11
Grid: pitch [mm]
FUEL ROD
Inc.718
198 412
Cross section [mm] Weight (total) [kg]
Grid: material
179 2,908
1,192 410/390 121
(14x14) PWR
Doel 1 Doel 2
Number of fuel rods Total length [mm]
FUEL ELEMENT
Thermal power [MW] Electrical power [MW] Number of fuel elements
REACTOR
Assembly Model Type
Nuclear Power Station
Tabel 13 Bron SCK•CEN
2,55/3,22
2,24
Zr4 0,62
3,809 6,659 170 10,72/9,48 3,1
14,3
Inc.718
214 637
204 3,970
2,660 920/870 157
(15x15) PWR
Tihange1
2
2,6/3,25
1,73
Zr4 0,57
3,990 3,740 160 9,5/8,36 3,3
12,6
Inc.718
214 667
264 4,059
2,800 970/930 157
(17x17) PWR
Doel 3 Tihange 2
3
2,6/3,25
~1,75
Zr4 0,57
9,5/8,36
4,267
12,6
Inc.718
214 780
264
3,000 1070/1010 157
(17x17) PWR
Doel 4 Tihange 3
4
4,2
1,5/1,4
Zr4 0,37
2,862 2,660 170 9,8/9,06
13
AISI 316
200 500
208 3,210
1,040 310/112 112
(15x15) PWR
SENA
5
6
5,7/8,2
0,45
Zr4 0,6
1,136 1,000 90 9,5/8,3 0,52
85 19,3 Zr4/ Inc.X750 13,5
28 1,459
40,9 11/73 73
(6x6) PWR
BR3
Bijlage 6 Afmetingen van de naalden 7
2,5/3,3
~1,53
Zr4 0,725
10,75/9,30
2,650
14,3
216
205 3,310
1,365 480/450 121
(15x15) PWR
Borssele
8
2,51/3,3
2,26
Zr4 0,73
10,75/9,29
4,407 3,900
14,3
Inc.718
230 821
236 4,880
3,609 2291/ 193
(16x16) PWR
Biblis
9
~2,62
2,3
Zr4 0,673
10,93/9,58
3,658
14,43
Inc.718
218 696
208 4,207
/870 177
(15x15) PWR
B&W
10
11
2,8
1,65
Zr2 0,9
2,3
Zr2 0,94
2,946 2,692 163,8 15,1/13,22
Zr2/ Inc.X750 17,3
Zr2/ Inc.X750 17,9 1,961 1,793 112 13,5/11,7
162
63 3,283
508 164/ 208
(8x8) BWR
Garigliano
112
35 2,311
173 52/ 156
(6x6) BWR
Dodewaard
12
75
2,3
3,11
Zr2 0,89
14,48/12,7
2,972 2,700
18,03
109
36 3,404
700 210/ 464
(6x6) BWR
Dresden
Bijlage 7 PLC programma OB1 ORGANIZATION_BLOCK "CYCL_EXC" TITLE = "Main Program Sweep (Cycle)" VERSION : 1.0 VAR_TEMP OB1_EV_CLASS : BYTE ; // Bits 0-3 = 1 (coming event), Bits 4-7 = 1 (event class 1) OB1_SCAN_1 : BYTE ; // 1 (cold restart scan 1 of OB 1), 3 (scan 2-n of OB 1) OB1_PRIORITY : BYTE ; // 1 (1 is lowest priority ) OB1_OB_NUMBR : BYTE ; // 1 (organization block 1, OB1) OB1_RESERVED_1 : BYTE ; // Reserved for system OB1_RESERVED_2 : BYTE ; // Reserved for system OB1_PREV_CYCLE : INT ; // Cycle time of previous OB1 scan(milliseconds) OB1_MIN_CYCLE : INT ; // Minimum cycle time of OB1 (milliseconds) OB1_MAX_CYCLE : INT ; // Maximum cycle time of OB1 (milliseconds) OB1_DATE_TIME : DATE_AND_TIME ; // Date and time OB1 started END_VAR BEGIN NETWORK TITLE = CALL "BFCT" (// Basic functions and operating modes of FM 357-2 FMDB_NO := 30);// data block number for FM357-2 signals A S
DB30.DBX 10.2; // Startup of first FM 357-2 "USERDB".EX7.INIT_FB2; // Example 7 initialization: FB2
JC
END; // no user program when startup routine
// USER PROGRAM // Test mode A DB30.DBX tool = DB30.DBX JC END; A JCN
11.0; // Preselect test mode from parameterization 11.1; // Activate test mode from user program
DB30.DBX 10.0; // Ready to communicate ? END; // End if not ready to communicate
CALL "JOG_MODE" (//Call for JOG mode CTR_EN_AX1 := "USERDB".CTR_EN_AX1, DIR_M_AX1 := "USERDB".DIR_M_AX1, DIR_P_AX1 := "USERDB".DIR_P_AX1, GO_M_AX1 := "USERDB".GO_M_AX1, GO_P_AX1 := "USERDB".GO_P_AX1);
76
CALL "CPU_MODE" ( CTR_EN INCR DC INCH POS FRATE START ERR ERR_NO ACTIV CPUAX INPOS
:= := := := := := := := := := := :=
"USERDB".EX3.CTR_EN_AX1, FALSE, FALSE, FALSE, 0.000000e+000, 2.000000e+003, "USERDB".EX3.START, "USERDB".EX3.ERR, "USERDB".EX3.ERR_NO, "USERDB".EX3.ACTIV, "USERDB".EX3.CPUAX_FCT, "USERDB".EX3.INPOS);
:= := := := := :=
I I I T Q Q
CALL "ERR_DIAG" ; CALL "ROLSTURING" ( WAGEN_SENSOR ROL_SENSOR ROL_AAN TIMER_FUNCTIE FOUT POS_ROL_UIT END:
BE
0.3, 0.4, 0.5, 5, 0.0, 0.1);
;
END_ORGANIZATION_BLOCK
77
Functie 100 FUNCTION FC 100 : VOID TITLE = MOT_AX AUTHOR : FAMILY : FM357_2 NAME : VERSION : 1.0 VAR_INPUT CTR_EN_AX1 : BOOL ; DIR_M_AX1 : BOOL ; DIR_P_AX1 : BOOL ; END_VAR VAR_OUTPUT GO_M_AX1 : BOOL ; GO_P_AX1 : BOOL ; END_VAR VAR_TEMP HBIT : BOOL ; END_VAR
78
BEGIN NETWORK TITLE =
END:
A JCN
DB30.DBX END;
126.5; // Channel 1 ready to operate ?
L T T T T T S S S S S
B#16#28; // 100 % Override DB30.DBB 106; // Feed override channel 1 DB31.DBB 0; // Override axis 1 DB31.DBB 100; // Override axis 2 DB31.DBB 200; // Override axis 3 DB31.DBB 300; // Override axis 4 DB30.DBX 107.7; // Activate feedrate override DB31.DBX 1.7; // Activate override DB31.DBX 101.7; // Activate override DB31.DBX 201.7; // Activate override DB31.DBX 301.7; // Activate override
R R R S S
DB30.DBX DB30.DBX DB31.DBX DB30.DBX DB31.DBX
A =
#CTR_EN_AX1; // Set controller enable signal for axis 1 ? DB31.DBX 2.1; // Entry in AX-DB axis 1
A JCN
DB30.DBX END;
A = A =
#DIR_M_AX1; DB31.DBX #DIR_P_AX1; DB31.DBX
A = A =
DB31.DBX #GO_M_AX1; DB31.DBX #GO_P_AX1;
BE
;
100.0; 101.2; 4.3; 100.2; 13.7;
// // // // //
Reset Automatic mode Reset reference point approach mode Reset feed stop Select Jog mode Set pulse enable
120.2; // Jog mode active ? // Traversal in negative direction selected ? 4.6; // Entry in AX-DB axis 1 // Traversal in positive direction selected ? 4.7; // Entry in AX-DB axis 1
23.6; // // Entry 23.7; // // Entry
Negative travel axis 1 in USERDB Positive travel axis 1 in USERDB
END_FUNCTION
79
Functie 101 FUNCTION FC 101 : VOID TITLE = AUTHOR : FAMILY : FM357_2 NAME : VERSION : 1.0 VAR_INPUT CTR_EN : BOOL ; INCR : BOOL ; DC : BOOL ; INCH : BOOL ; POS : REAL ; FRATE : REAL ; START : BOOL ; END_VAR VAR_OUTPUT ERR : BOOL ; ERR_NO : BYTE ; ACTIV : BOOL ; CPUAX : BOOL ; INPOS : BOOL ; END_VAR VAR_TEMP HBIT : BOOL ; END_VAR BEGIN NETWORK TITLE = A JCN
DB30.DBX END;
126.5; // Channel 1 ready to operate ?
L T T T T T S S S S S
B#16#28; // 100 % Override DB30.DBB 106; // Feed override channel 1 DB31.DBB 0; // Override axis 1 DB31.DBB 100; // Override axis 2 DB31.DBB 200; // Override axis 3 DB31.DBB 300; // Override axis 4 DB30.DBX 107.7; // Activate feedrate override DB31.DBX 1.7; // Activate override DB31.DBX 101.7; // Activate override DB31.DBX 201.7; // Activate override DB31.DBX 301.7; // Activate override
S R R S R
DB30.DBX DB30.DBX DB30.DBX DB31.DBX DB31.DBX
A =
#CTR_EN; // Set controller enable signal for axis 1 ? DB31.DBX 2.1; // Set controller enable in AX-DB
A =
DB31.DBX #CPUAX;
100.2; 100.0; 101.2; 13.7; 4.3;
// // // // //
Select Jog mode Reset Automatic mode Reset reference point approach mode Set pulse enable signal Reset feed stop
66.7;
80
A = A = A =
#INCR; // Incremental mode DB31.DBX 51.0; // Entry in #DC; // Traverse by shortest DB31.DBX 51.1; // Entry in #INCH; // Travel in inches DB31.DBX 51.2; // Entry in
L T L T
#POS; // Position entered in DB "USERDB" for axis 1 DB31.DBD 52; // Position of CPU axis 1 in FM-DB #FRATE; // Axis feedrate entered in DB "USERDB" for axis 1 DB31.DBD 56; // Feedrate for CPU axis 1 in FM-DB
AN AN AN A S
DB31.DBX DB31.DBX DB31.DBX #START; // DB31.DBX
23.6; 23.7; 67.6; // If axis 1 is not "in position" Start ? 51.7; // Entry in AX-DB axis 1
A = R
DB31.DBX #INPOS; DB31.DBX
67.6; // CPU axis 1 "in position"
A =
DB31.DBX #ACTIV;
67.7; // CPU axis 3 "Active"
A JCN S R L T JU
DB31.DBX 67.1; // CPU axis 3 error ? NOER; #ERR; // Display error in USERDB DB31.DBX 51.7; // Reset start in AX-DB axis 3 DB31.DBB 68; // Buffer CPU axis error #ERR_NO; // number in USERDB END;
AX-DB axis 3 path AX-DB axis 3 AX-DB axis 1
51.7; // Reset start signal
NOER: R L T
#ERR; // Reset error bit B#16#0; #ERR_NO; // Delete error number
END:
;
BE
END_FUNCTION
81
Functie 102 FUNCTION FC 102 : VOID TITLE = VERSION : 0.1 VAR_INPUT WAGEN_SENSOR : BOOL ; ROL_SENSOR : BOOL ; ROL_AAN : BOOL ; TIMER_FUNCTIE : TIMER ; END_VAR VAR_OUTPUT FOUT : BOOL ; POS_ROL_UIT : BOOL ; END_VAR VAR_TEMP ROL : BOOL ; END_VAR BEGIN NETWORK TITLE =Sturing van rolpositie A AN S A( ON O ) R A =
#ROL_AAN; #WAGEN_SENSOR; #ROL; ; #ROL_AAN; #WAGEN_SENSOR; ; #ROL; #ROL; #POS_ROL_UIT;
NETWORK TITLE =Bewaking van rolpositie A( ; A #WAGEN_SENSOR; L S5T#2S; SD #TIMER_FUNCTIE; NOP 0; NOP 0; NOP 0; A #TIMER_FUNCTIE; ) ; AN #ROL_SENSOR; S #FOUT; A #ROL_SENSOR; R #FOUT; A #FOUT; = DB31.DBX 4.3; END_FUNCTION
82
Functie 103 FUNCTION FC 103 : VOID TITLE = DIAG_ERR AUTHOR : FAMILY : FM357_2 NAME : VERSION : 1.1 VAR_TEMP w_STATE : WORD ; END_VAR BEGIN NETWORK TITLE = FEHLERDIAGNOSE A JC R
DB30.DBX INI; DB115.DBX
10.2; // Startup status of first FM357
ON ON JC
DB30.DBX DB30.DBX EMER;
10.0; // Not ready to communicate ? 30.7; // FM not ready ?
254.0; // Reset user program initialization
NETWORK TITLE = FEHLERDIAGNOSE CPU-ACHSSTEUERUNG A = JCN L T
DB31.DBX DB115.DBX CPA2; DB31.DBB DB115.DBB
67.1; // Error in CPU axis control for axis 1 ? 254.2; // Buffer bit in USERDB 68; // Load CPU axis error number 250; // Buffer error number
CPA2: A = JCN L T
DB31.DBX 167.1; // Error in CPU axis control for axis 2 ? DB115.DBX 254.3; // Buffer bit in USERDB CPA3; DB31.DBB 168; // Load CPU axis error number DB115.DBB 251; // Buffer error number
CPA3: A = JCN L T
DB31.DBX 267.1; // Error in CPU axis control for axis 3 ? DB115.DBX 254.4; // Buffer bit in USERDB CPA4; DB31.DBB 268; // Load CPU axis error number DB115.DBB 252; // Buffer error number
CPA4: A DB31.DBX 367.1; // Error in CPU axis control for axis 4 ? = DB115.DBX 254.5; // Buffer bit in USERDB JCN FMER; L DB31.DBB 368; // Load CPU axis error number T DB115.DBB 253; // Buffer error number NETWORK TITLE = FEHLERDIAGNOSE FM- UND KANALFEHLER (FM-FEHLERNUMMER LESEN) FMER: O( ON O ON O
; DB30.DBX DB30.DBX DB30.DBX DB30.DBX
126.5; 126.6; 226.5; 226.6;
// // // //
Channel 1 not ready ? Error in channel 1 ? Channel 2 not ready ? Error in channel 2 ? 83
= ) O S S
DB115.DBX ; DB30.DBX DB115.DBX DB115.DBX
254.1; // Open user EMERGENCY STOP circuit
A R R JC
DB115.DBX DB115.DBX DB115.DBX CAFB;
255.6; // FB2 initialization in first run 255.6; // Reset initialization 255.4; // Request=False if first run
O( A FP ) O( AN FP ) S
; DB115.DBX DB115.DBX ; ; DB115.DBX DB115.DBX ; DB115.DBX
O O( A A ) R
DB115.DBX ; DB115.DBX DB115.DBX ; DB115.DBX
31.0; // FM error ? 254.6; // Group error bit (FM_ERR/ERR/CH_RDY) 255.1; // Start request Read out FM error number
255.1; // Start request 255.7; // Edge trigger flag 255.1; // Start request 256.0; // Edge trigger flag 255.4; // Start request FB 2 255.5; // Request ended - 'new data receive' 255.2; // Error acknowledgement 255.3; // FB2 execution error 255.4; // Reset FB2 request
CAFB: CALL FB 2 , DB REQ NUMVAR ADDR1 variable LINE1 FMDB_NO ERROR NDR STATE RD1 L A JCN L MA02: T JU
110 (// CALL FB 2 := DB115.DBX 255.4, := 1,// Number of variables := DB121.FMERR_NO,// Structure of fm := := := := := :=
W#16#1,// LINEy: Number of variable 30, DB115.DBX 255.3, DB115.DBX 255.5, #w_STATE, DB115.DBD 244);
B#16#0; DB115.DBX 255.3; // Error ? MA02; #w_STATE; // If error entry of error status DB115.DBW 248; // ... in USERDB
...
USR; // Jump to user-specific error analysis
NETWORK TITLE = FEHLERREAKTION NOT-AUS UND ANWENDERPROGRAMMINITIALISIERUNG EMER: R NOT = JU
DB115.DBX ; DB115.DBX USR;
254.0; // Reset user program initialization
INI:
DB115.DBX
254.0; // Set user program initialization
S
254.1; // Open user EMERGENCY STOP circuit
84
NETWORK TITLE = FEHLERAUSWERTUNG DES ANWENDERS USR:
NOP
0; // Insert user-specific error analysis
NETWORK TITLE = FEHLERQUITTUNG AN A AN A AN R R
DB30.DBX DB30.DBX DB30.DBX DB30.DBX DB30.DBX DB115.DBX DB115.DBX
31.0; // FM error ? 126.5; // Channel 1 ready ? 126.6; // Error in channel 1 ? 226.5; // Channel 2 ready ? 226.6; // Error in channel 2 ? 254.6; // Delete error display 255.1; // Reset FM error number
A = A =
DB115.DBX 254.7; // Reset channel 1 DB30.DBX 108.7; // Entry in user interface DB115.DBX 255.0; // Reset channel 2 DB30.DBX 208.7; // Entry in user interface
BE
;
END_FUNCTION
85
