TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.4, April 201 4, pp. 3053 ~ 3 0 5 8   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i4.4835          3053     Re cei v ed Se ptem ber 13, 2013; Revi se d No vem ber  7, 2013; Acce pted De cem b er 14, 201 3   Resear ch and Design of Nuclear Fuel Manipulate Crane  Control System      Mu Zhaohui* 1 , Liu Rao 2 , L i  Weidong 3   Coll eg e of Elec trical Eng i ne eri ng, Dal i an U n iv ersit y  of T e chn o lo g y  ( D LUT )   116 02 4, Dali an , Liaon in g Prov ince, Ch ina, Ph ./F ax: + 86-755- 844 70 324/8 4 4 375 24   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : mzh502 @qq. com* 1 , raoliu@dlut.edu.cn 2 , w d li@ dlut.e du.c n 3       A b st r a ct  In order to sol v e the disa dva n tages of the  Nucl e a r F uel  Mani pul ate Cr ane  (a b. MC),  the contro l   system of MC  is res earched  and de signed,  which is  based  on the operation  expe riences about  Nuclear   F uel T r anstio n  and Stora ge  System (a b.PMC) in  Day a  Bay and  Lin g ao Nuc l ear P o w e r Plant.T he new   control syste m   ado pts sing le f a ilur e  pri n ci ple  and  makes us e of the D e vice -net techn o lo g y  that is diffuse l y   app lie d an d ex traordi nary trie d in practic e . T here ar e tw o Device- nets an d  one Ethern e t, the tw o kinds of  nets are co mb ine d .Apply i n g  the n e w  techno logi es  a nd n e w  equip m ents, the new  contr o l syste m  solv es   the  defects w h ich Ethernet a n d   a sing le set o f   PLC don t   sati sfy single fai l ur princ i pl e, imp r oves the safet y   and w hol p e rformanc of MC loa d in a nd  unl oad in g of  n u cle a r fuel  ass e mbly,  an ma kes contro l sys te simply to wire. According to the  design of the new contro l system , the product of MC has been successf ully   app lie d to Ed u c ate Ce nter i n   Daya B a Nucl ear Pow e r Sit e   and F a n g ch en gga ng N u cl ear  Pow e r Plant,  a n d   the result is ob vious.      Ke y w ords :  P M C, man i p u lat e  crane, eth e rn et, device-n e t, control syste m     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion    The Nu clea r Fuel  M anipul ator Crane (a b.  MC)  i s  on e of the  esse ntial equi pme n ts in   a   nucl ear po we station. 5.1 9  Event  that i s  the  mo st  seriou accid e n t in  Chin a i s  aro u sed  by t h e   control  syste m  of M C . Th e majo sup p liers of  PM C are  Westh o u se  in Ame r i c and  REE L  in   Fran ce.  We st hou se’ s  control sy stem i s   advan ced  but  with p o o r  se curity, be ca u s e th eir  pro d u cts   heavily depe nded o n  Ethe rnet, and  so me de sign s o f  c ontrol  syst em are n ’t co n s iste nt with si ngle  failure p r in ci ple, the equi pment was f r om  We sth o u se in  5.19  Event. REEL’s produ cts h a ve   better  se cu rity, but are  co nse r vative, th e ne w techn o logie s   and   equipm ents a r en’t  applie into  control sy ste m s. With th rapid  develo p m ent of c ontrol tech nolo g i e s, it is n e ce ssary to h a ve  a n   in-de p th stu d y  of MC to apply the ne w technolo g i e s a nd eq uip m ents a nd  make th e co ntrol  system to mo re advan ce a nd safe r [1-7] .   Makin g   a p a rticular a nalysis o n  th e fun c tion  re quire ments of  CP R10 00  and  CNP100 0,  combi ned  op eration  expe riences in  Da ya Bay  and   Ling’a o   Nucl ear P o wer Pl ants, thi s  p a per  desi g n s  a  wh ole st ru cture   of cont rol  system, whi c h i s  desi gne d a r ound  one  Ethern e t an d two  Device-n et bus net works, and ba se d on  single failu re  princi ple.       2.  Ov erall Control Model  MC, above the RX Pool, mainly con s ist s  of br idge, tro lley, hoist, auxiliary cran e, and so  on. It can  mo ve on the X - Y-Z coordinat es, revolve 0 ~ 36 0° in  re actor core,  co ntrol the  grip pe r to  gra s p an d loo s en n u cl ear f uel assem b ly.   The ne w design of MC co ntrol system  is  still adopte d  master/ s lav e  mode whi c h with  mature  techn o logy a n d  wi dely u s ed.  T he  co re  equi pments  con s i s t of Upper  Comp uter (to u ch   scree n  co m puter), Programm abl e Lo gic Controll e r  (PLC),  Dri v e and Servo Motor. The  differen c e i s  to add a Safet y  PLC to prot ect se cu rity [8-16]. The  overall  control model i s  sh o w in Figure 1.  In Figure 1, Fuel Op erato r   input s the  control  sign als into PLC by  Upp e Comp uter an Operating Eq uipment, an d  pro c e s s the  feedba ck dat a from PL C.  Upp e Com p uter di splay s   the   necessa ry informatio n. Wo rk PL C controls t he  DRIV E  after re ceiv ing the comm and inp u tting  by  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  3053 – 3 058   3054 Fuel Op erato r , then proce s ses the fe ed back data  fro m  DRIVE an d sen d relat ed inform atio n to   Upp e Comp uter. Wh en g e tting PLC co mmand s, the  DRIVE execu t es rel e vant a c tion s to co ntrol  Servo Moto r runnin g  and  can dete c t servo motor in  real time, it pa sses th e rele vant messag e to  PLC. Servo motor is run n ing un der t he co ntrol of  DRIVE and  feedba ck the  runnin g  stat e to   DRVIE thoug h internal  sen s or. Th e ne w added Safet y  PLC is red unda nt desi g n for the se curity  of Work PL C,  aims to give  se curity prot ection  to the  runni ng of M C  an d re solv e the defe c ts of  Wo rk PL C wit h  singl e failure prin ciple.           Figure 1. Overall Mod e l Ch art of MC Co ntrol System           Figure 2. Con nectio n  Ch art  of Ethernet      In de sign, in   orde r to  avoid  colli sion  an falling of n u cl ear fu el a s se mbly and  a c cord  with   singl e failu re  prin ciple, th redu nda nt de sign   is ne ce ssary fo man y  equipm ents and  protecti on   function s to meet the req u irem ents of  se curity and  accuracy.       3.  Design o f  Etherne t   The control system of M C  dem and s i t data tra n smissi on rapid  and  safe. When th e   Ethernet i s  e rro r, the sy stem nee ds to  ensur e th safe  stop of  MC, not colli sion  and falli ng  nucl earfu el a s sembly, the  mech ani cal f r ame  run n i ng i n  the  allowed  ope rating  area. Based  up on   above re qui rements, the  Ethernet  of n e w control  sy stem ad opts  t he 100M  hig h -spee d indu strial  swit che s  with  supe rio r  performan ce a n d  high tra n smissi on rate. The equi pm ents a r e lin ked  together via the star  netwo rk. See Fig u re 2.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch an d De sign of Nucle a r Fu el Manipul ate Cra ne Co ntrolS ystem  (Mu Zh aohui 3055 In Figu re  2, Hig h -Sp eed  Switch  is the  core of  Ethernet’ s  in formation  ex cha nge.   Operating  Up per  Com pute r , usin g by the  ope rator  to control MC an re ad  im port ant  informatio n,  is touch-scre en co mpute r  with huma n machine  i n terface (HMI) softwa r e an d inputs  co n t rol  comm and through tou c h.  In addition, it has PLC p r og ram to m onitor an d m odify the PLC   prog ram s   at test a nd failu re. Cam e ra  S y stem  Uppe Comp uter i s   displ a y equi p m ent of mo ni tor   came ra s d u ri ng M C  runni n g , the differe nce f r om  We sthou se  and   REEL is: th new  de sign  is not  only di splay,  but al so i s  a  touch-scre e n  comp ut er with  d ual-net work  card; o ne ca rd co nn ects  with Ethern e t of came ra sy stem it self, the other   ca rd  conn ect s  wit h  high-sp eed  swit ch, maki n g  it  as a re dun d ancy Uppe r Comp uter. When Uppe Compute r  fault happen s, it can exit video  monitor inte rface to  start  the sam e   prog ram  as  Upp e Comp uter, and i n stead  of Up per  Comp uter.  Work P L C a c ts as the lo gic  control c ente r  of MC’ s  wo rk to  cont rol  MC’s  ope rati on.  Safety PLC i s   redu nda ncy  de sign  for th e safe fun c ti on of  wo rk P L C, it m onito rs sig nal wh ich  include positi on (front, back, left, right, and up),  absolutely overload, ab solutel y  underl oad,  over  spe ed, hoo ks sliding, axis  brea kin g , and  so on.       4.  Design o f  De v i ce-net Bus  Net w o r k   In orde r to  solve the defe c ts of  We sth ous e an d RE EL’s p r od ucti ons, the  ne w control  system ad opt s the Devi ce-net bus  n e twork.  Device -n et, which h a s develope d near 20 yea r s, is  widely u s e d   in Site Bus tech niqu e wit h  advanta g e s  of  simpl e   wirin g , havin g self-dia gno sis  function, lo w-co st and sta b l e comm uni cation [17-2 5 ].  The New  co n t rol syste m  m a ke s the b e st  of  Work PL C and Safety PLC, an d usi n g them  as the ma ster station to de sign 2  Device -net bu s networks, a s  sh own in Figure 3 and Figu re 4.           Figure 3. Con nectio n  Ch art  of Device-ne t  1      In  F i g u r e  3 ,   D e vice - n e t  bu s  ne tw ork  1 c o nn ec ts   Wo r k  PL C ,  fou r  D r ives s i x En c o de rs  and three P o sition M onit o rs,  whi c h si mplifies h a rd ware wi ring  and en su re s the prom pt and  accurate of communi catio n . But for safe operation o f  MC, bus net work 1 h a ven t conne cted t he  sign als of limi t  position s  an d importa nt secu rity  into network thou g h  I/O module  of bus netwo rk,  and  con n e c te d these si gna ls di rectly to  Wo rk PL o r  cont rol lo op  to gua rantee   the diversity of  redu nda nt de sign. Bu s net work 1 u s e d  Wo rk PL C as  master  station, other s a s  terminal stati on  to achi eve th e monito ring   and  cont rollin g of Wo rk P L C to  other  device s . Work PL contro ls   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  3053 – 3 058   3056 Drive s  throug h bu s n e two r k, an d ultima tely cont rols  motors. Inste ad of traditio nal me ch ani cal  swit che s , six  absolute En coders u s in g for po sition  d e tect  directly con n e c ts  to bus network.  In   orde r to  prevent en co ders’  failure,  all e n co ders  have  red und ant d e sig n  to  com pare  ea ch  ot her.   After calculat ing the posit ion sign als  of abs olute  cod e rs, Wo rk PLC outp u ts the posit ion   messag es of  main  cod e rs throu gh b u s netwo rk an d  displ a ys the m  on Po sitio n  Monito rs. T he  displ a y pro c e ss i s   with le ss lin ks,  sho r t e r del ay  and  clea re r di spla y, and provides m o re  pre c ise   real time lo ca tion of MC, espe cially its d y namic lo cati on.  In  F i g u r e  4 ,   D e vice - n e t  bu s  ne tw or k   2 c o nn ec ts  Safe ty PL C  a n d  th r e e  Enc ode r s , an d   Safety PLC as ma ster  station, three a b sol u te  Enco ders u s ed for detecting p o sition s of hoi st,  bridg e  and trolley as termi nal station. T he majo fun c tion of bu s netwo rk 2 i s  to colle ct po si tion   informatio n of Encode rs.           Figure 4. Con nectio n  Ch art  of Device-ne t  2      The main fu nction of Bu s Net w o r k 1  is co ntrol a nd po sition  MC, whil e that of Bus  Network 2  i s  position  M C . These  t w bus networks relate  di rectly to the stab ility,  high speed and   pre c iou s  po si tion of M C Con s id erin g t he im porta nce of  po sition  sig nal i n  th e whole  cont rol  pro c e ss, th new  co ntrol  system not o n l y  desig ns  th e  redu nda nt Enco der i n  bu s netwo rk 1, b u also  add s the  bus  network  2 to co mpa r e  with Bu s Network  1 to re d u ce th e e rro data cau s ed  by  B u s Net w o r 1.       5.  Ov erall Net w ork Struc t ur The d e si gn  of the ne control  syste m  co nverg e s the Etherne t and  Device -net b u netwo rk, an d c on ne cts thro ugh PLC. Th e two kin d s o f  nets can  co mmuni cate a nd ma ke full use   of their advan tages. Th e overall conn ecti on of  the two kind s of nets  as Figu re 5  showed.   In Figure 5,  PLCs are the  co re e quip m ents,  info rma t ion exch ang e interm edia r y of the  two kind s of nets,  a nd  th e   ma ster   stati on of th e two  Devi ce-net  b u s net w o r ks.  Wo rk   P L C   is  to  control the ru nning of M C   with mo st co mplicate d  co nfiguratio n a nd proc ess  most data; S a fe ty  PLC is to  give se cu rity pro t ection for th e  runni ng of M C ; it is the re dund ant de si gn of Work P L for security fu nction. T h e s e  two PL Cs  ca n commu nica te throu gh  hi gh  spee swi t ch of Ethe rn et,  and then re alize the co mmuni cation  of two Devi ce-net bu s netwo rks,  ultimately the data  validation am ong two b u netwo rks an d  one Ethern e t.    In addition to  the above n e twork  con n e c tion, Figu re 5  desi g n s  thre e  came ra s to  monitor  the handli ng  nucl ear fu el a s sembly process of MC, it  can h e lp the  operator in th e trolley to ha ve  a cle a rer  ob servation  of the han dling  si tuation.  T h e  th r e e inc r emen ta l e n c o de rs  ar e  to   d e t ec runni ng spee ds of bri dge,  trolley and ho ist, using  Saf e ty PLC to provide over-sp eed protectio n they are the redun dant de sign of Wo rk P L C for ove r -speed p r ote c tion.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch an d De sign of Nucle a r Fu el Manipul ate Cra ne Co ntrolS ystem  (Mu Zh aohui 3057     Figure 5. Structure  Cha r t of  MC for Control Sys t em      6. Conclu sion   This pap er a dopts  the wid e ly  used  a nd adv an ced  De vice-n et tech nology, abi de single   failure p r in cip l e, and de sig n s a whole  structu r e of  co ntrol sy stem. The de sign of  the new cont rol  system  is ba sed  on  on Ethernet  and  two  Device -net bu s networks, th e two  kin d s of  net s a r e   comm uni cate d and m ade f u ll use  of the  advantag es  t hemselves. T he ne w control system  sol v es  the defe c ts o f  Westh o u s and  REEL in  desi gn,  an make s the  control to m o re advan ce and  saf e r.    In this de sig n ,  Safety PLC is ne w de sig n ,  and give  se curity p r ote c tion for the  ru n n ing of  MC. It’s th redun dant  pro t ection  of  Wo rk PLC for secu rity fun c tion,but Safety  PLC isn’t u s ed  enou gh, an d  need s to fu rther e n ri ch.  Device-n et  b u s n e two r k h a s the  advan tages  of sim p le   wirin g  an d st able  comm u n icatio n,wh ereas fo the safe  run n ing, these equip m ents con n e c ted  in to  De vic e - n e t  b u s  ne tw ork  ar e  few ,  bus  ne tw or k 2   pa r t ic u l a r ly, is   c o ns er va tive , D e vic e -n e t  bu s   netwo rk’ s  ad vantage of easy to co n nect is n o t given full play. After practice applyi ng,  equipm ents i n  Device-n et bus n e two r can b e  add ed  further.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  3053 – 3 058   3058 Akno w l e dge ments   This  work wa s su ppo rted  by the Nation al High Te ch nology Rese arch and  Dev e lopme n Program of China (8 63Pro gram ) (No. SQ201 0AA040 1265 006     Referen ces   [1]  Mu Z H . T he Overall  Desi gn  of Mani pul ator  Cran an d th e Mod i ficatio n   of T r ansfer S y stem in PMC.   Dali an U n ivers i ty of T e chnolo g y . 2008.   [2]  Li CC. Stud on issu es rel a t ed to the  eval uatio n an d im plem entatio n o f  upgra d in g th e nucl ear fu e l   han dli ng a nd storag e s y stem f o Lin g ’Ao N u cl ear Po w e r Station.  Sha n g hai  Jiao T o n g  Univ ersity . 2009.   [3]  Che n  JD. S y st em and o per ati on of Da ya B a y Nuc l e a r Po w e r Plant.  Atomi c  Energy Press . 1994.   [4]  Su LS, Yang H .  Devices an d s y stems of 90 0  MW  PW R.  Ato m ic Energy Pr ess.  2004.   [5]  Liu JG, Su n D G. Design  of  100MW  HT R-T M   fuel ha nd i ng s y stem.  Hi ghT ech nol ogy Letters . 19 96;   6(5): 51-5 5 [6]  Lia ng  XH, Hu a ng P. V e ri ficati on test  of fuel   han dli ng s y st e m  of HT R-10.  Nucle a r P o w e r Engi ne erin g.  200 2; 23(1): 54 -56, 59.   [7]  Hen n in gs U.  F uel h and lin g  s y stem for  c o re el eme n ts of a pe bbl e-b ed re actor.  Nu cl ea r Ap pl T e chno logy . 1 969; 7: 33 4-34 1.  [8]  Muncke  A. Graph ite b a ll  d e tectors for t he fu el  han dl i ng mac h i ne  of a h e l i um-c ool ed  pe bbl e   bed React o r. Kerntech nik. 19 76; 18: 20 1-20 6.  [9]  Li D L . El ectrica l  contro and  P L pri n cip l an d Ap plic ation p .   Publ ish i ng  Ho use  of Electro n i cs Ind u stry 200 4.  [10]  Yang  X. Dev i c e Net F i el db us Appl ied  in Stec kel Ro lli ng L i n e  Contro l S y stem.  Automation Apply . 20 11;  8: 20-21.   [11]  Harikris hn a D,  Srikanth  NV.  D y namic  stabi l i t y   enh anc eme n t of po w e r s ystems usin g n eura l -net w o r k   control l ed stati c  compens ator T E LKOMNIKA Indones ia Jo urna of Electri c al Eng i ne erin g . 2012; 10( 1):   9-16.   [12]  Hua ng Ji anz h ao,  Xie J i an,  Li Ho ngc ai, T i an  Gui, C hen  Xi ao bo. Self- a daptiv e dec om positi on l e vel   den oisi ng m e thod  bas ed  o n   w a v e l e t tra n sform.  T E LKOMNIKA Indo nesi a  Jo urna l  of Electric a l   Engi neer in g . 2012; 10( 5): 101 5-10 20.   [13]  T r ipathi A. Kh amba dkon e M,  Panda SK. Dyn a mic Co ntro l of  T o rque in  Overmodu latio n  and in th e   F i eld w e ake n i n regi on.  IEEE Transactions on Power Electronics . 20 06; 21 (4): 1091- 10 98 [14]  T a kahashi I, N aguc hi T .  A n e w  q u ick-r e sp onse  an hig h  efficie n c y  co n t rol strateg y   of  an  in ducti on   motor.  IEEE Trans. Industry Applic atio ns.  19 86; IA-22(5): 8 20– 82 7.  [15]  Idris NRN, Yati m AHM. Direct to rque co ntrol  of ind u ction m a chi nes  w i t h  constant s w itc h i ng freq uen c y   and re duc ed to rque ri ppl e.  IEEE Trans. Ind.  Electron.  20 04;  51(4): 758 –7 6 7 [16]  Idris NRN, T o h CL, Elbul uk  ME. A Ne w   T o rque  and Fl ux C ontro ller for Direct T o rque Co ntrol of   Inductio n  Moto r Drives.  IEEE  Transactio n  on  Industry Appli c ation . 20 06; 4 2 (6): 135 8-1 3 6 5 [17]  F engl iL, Mo yn e JR, T i bur y   DM. Performa nce eva l u a tion  of control n e tw o r ks: EtherN e t, ControlN et,   and D e vice Net .   IEEE Control System s Magaz i ne . 20 01; 21( 1): 66-83.   [18]  Yu Q, Ca o N,   Hua ng  DH,  et  al. C ontrol  a n d  protecti on s y s t em for motor   base d  o n   CAN  bus.  El e c tr i c   Power Automation Equipment . 2002; (6): 55- 57.   [19]  Li Y, Li Z G,  Xi e Q, et al. Contro l s y ste m  dev el opme n t  of electric act uator bas ed  on Devic e n e t.   Au tom a ti on an d In stru m e n t a t i o n . 2008; 3: 42- 44, 52.   [20]  T ong W M , Che ng  XY, Li F G.  Devie net fiel db us techno lo g y Microproc esso r . 2002; 1: 1-3   [21]  Gan YM. F i eld bus techn o l o g y  and ap pl ianc e.  Machinery Industry Press . 2008.   [22]  Z hang  J, Ch e ng M,  Xi e JY.   Deve lo pment   gui de of  int e l lige n d e vice  base on dev ic enet  fi eld bus  technology Xi' an Electro n ic a nd Scie nce U n i v ersity Press . 200 4.  [23]  Li Z J . F i eldbus  techno lo g y   and  appl ianc e.  Ma chin ery Industr y Press . 2005.   [24]  T ong WM, Lin  JB, Li H. Control s y st em of  automobile ass e mbly   pr oduc tion line based  on dev icenet   field bus tech no log y Low  Volta ge App a ratus.  200 3; 5: 40-42.   [25]  Steve B, D a ve  G. T he app lic ation   of D e vic e Net i n  pr ocess  contro l.  ISA T r ansacti ons . 1 996; 35: 169- 176.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.