核電站裝卸料機(jī)遠(yuǎn)程控制研究

核電站裝卸料機(jī)遠(yuǎn)程控制研究

中廣核研究院有限公司 吳鳳岐 陳滿 張美玲

裝卸料機(jī)是核電站反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)直接操作燃料組件的關(guān)鍵設(shè)備之一，其操作性能直接關(guān)系到燃料組件的安全。本文通過(guò)對(duì)裝卸料機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)進(jìn)行研究，提出裝卸料機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)方案，經(jīng)驗(yàn)證技術(shù)方案可行，并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)控制功能，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

裝卸料機(jī)；遠(yuǎn)程控制

1 引言

裝卸料機(jī)是壓水堆核電站核燃料運(yùn)輸貯存系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，安裝在反應(yīng)堆安全殼內(nèi)反應(yīng)堆水池上，主要功能是反應(yīng)堆燃料組件裝卸、換位堆內(nèi)燃料組件，以及完成核燃料組件在堆芯與燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置間的轉(zhuǎn)運(yùn)。它由大車(chē)、小車(chē)、提升機(jī)構(gòu)、燃料抓具等主要結(jié)構(gòu)組成，大車(chē)沿堆水池縱向（定義為X軸方向）行走，小車(chē)沿堆水池橫向（定義為Y軸方向）行走，提升機(jī)構(gòu)沿堆水池高度方向（定義為Z軸方向）運(yùn)動(dòng)，燃料抓具及提升機(jī)構(gòu)可圍繞Z軸270°自由旋轉(zhuǎn)。由此，可實(shí)現(xiàn)燃料組件在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的三維運(yùn)動(dòng)操作與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制，如圖1所示。

裝卸料機(jī)因直接操作核燃料組件，被劃分為核安全相關(guān)設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)大部分核電站的裝卸料機(jī)采用現(xiàn)場(chǎng)操作方式設(shè)計(jì)，裝卸料機(jī)的操作臺(tái)安裝在小車(chē)上，操作員在小車(chē)上操作裝卸料機(jī)。裝卸料期間，操作員在小車(chē)上處于核島反應(yīng)堆廠房的放射性環(huán)境中，雖然現(xiàn)場(chǎng)放射性劑量率不高，但眾多操作員的累積劑量不容小覷。操作員工作在控制區(qū)必須禁止飲食，喝水和上洗手間必須更衣離開(kāi)控制區(qū)，效率低，也不方便。操作員在移動(dòng)設(shè)備上連續(xù)工作，并且是水上高空作業(yè)，容易緊張、疲勞，還必須承受燃料破損導(dǎo)致內(nèi)照射的潛在風(fēng)險(xiǎn)。大部分商用壓水堆核電站換料操作員采取多班倒班24小時(shí)不停設(shè)備的換料方法，以應(yīng)對(duì)換料大修工期要求和現(xiàn)場(chǎng)條件及人員疲勞的問(wèn)題。

研究遠(yuǎn)程換料方法，將操作員從反應(yīng)堆廠房裝卸料機(jī)小車(chē)上轉(zhuǎn)移到反應(yīng)堆廠房外的控制室里，可以減少人員受照射劑量，降低風(fēng)險(xiǎn)，極大改善操作環(huán)境舒適度。把這一高風(fēng)險(xiǎn)、高強(qiáng)度工作降低為普通類(lèi)工作，對(duì)電站換料安全和人員安全都具有重大意義。

圖1 裝卸料機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 制約遠(yuǎn)程控制的主要因素

遠(yuǎn)程控制技術(shù)適用于在高危險(xiǎn)區(qū)域和航空航天等特殊行業(yè)應(yīng)用，具有遠(yuǎn)程不需靠近操作的特點(diǎn)。我國(guó)壓水堆核電技術(shù)基本上源于法國(guó)、美國(guó)與俄羅斯，核電廠內(nèi)裝卸料機(jī)技術(shù)也基本上是引進(jìn)或?qū)W習(xí)法國(guó)、俄羅斯和美國(guó)的技術(shù)。除了田灣核電站采用了遠(yuǎn)程換料技術(shù)外（田灣核電站采用俄羅斯核電技術(shù)，堆水池與乏燃料水池布置位置和結(jié)構(gòu)等與其他電廠的完全不同，其反應(yīng)堆使用的是六邊形燃料組件，其技術(shù)路線與使用方形的燃料組件差別很大，在此不做過(guò)多比較），國(guó)內(nèi)其他電廠全部采用現(xiàn)場(chǎng)操作方式。這種操作習(xí)慣已經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)20多年之久，一代代操作人員已經(jīng)習(xí)慣了現(xiàn)場(chǎng)操作裝卸料機(jī)，除此之外，核電廠決策層也不愿意采用未經(jīng)充分驗(yàn)證的遠(yuǎn)程控制技術(shù)，因此，裝卸料機(jī)操作員對(duì)遠(yuǎn)程操作普遍都存有畏難心理，通過(guò)走訪的多名反應(yīng)堆裝卸料機(jī)操作員都認(rèn)為遠(yuǎn)程操作沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)或沒(méi)有直觀感覺(jué)而認(rèn)為不可行。

圖3 大車(chē)雙閉環(huán)PID控制原理圖

操作員操作燃料組件時(shí)，需要大量的信息反饋，如重量、位置、設(shè)備狀態(tài)、連鎖信息等，沒(méi)有這些信息，操作員無(wú)法正確操作設(shè)備。目前的裝卸料機(jī)多采用數(shù)字控制技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)的數(shù)字信息全部傳遞到遠(yuǎn)程操作站，再?gòu)倪h(yuǎn)程操作站發(fā)送各種控制指令到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，數(shù)字通訊技術(shù)使得這些信息交換變得毫無(wú)障礙，裝卸料機(jī)遠(yuǎn)程控制在技術(shù)上是可行的。

經(jīng)分析，制約裝卸料機(jī)遠(yuǎn)程控制主要因素是裝卸料機(jī)本身性能和一些現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)操作。比如：裝卸料機(jī)的自動(dòng)化程度與定位精度，異常事件處理，專用工具使用等。

2.1 裝卸料機(jī)的性能

裝卸料機(jī)的自動(dòng)化程度和定位精度是影響遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)的兩項(xiàng)重要性能指標(biāo)。

早期的裝卸料機(jī)都是采用手動(dòng)控制方式，高度依賴操作員的操作手感和現(xiàn)場(chǎng)觀察判斷，遠(yuǎn)程操作時(shí)操作員會(huì)失去較多的直觀感知信息，如運(yùn)動(dòng)感覺(jué)和直接用眼睛觀察燃料組件位置信息等。

定位精度主要受位置測(cè)量和裝卸料機(jī)大小車(chē)及提升機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)精確影響，早期裝卸料機(jī)測(cè)量精度不高并且各方向電機(jī)驅(qū)動(dòng)不能實(shí)現(xiàn)精確轉(zhuǎn)速控制，特別是低速操作時(shí)，操作員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)位燃料組件十分困難，經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員完成一次X/Y對(duì)位操作需要半分鐘，普通操作員時(shí)間更長(zhǎng)，遠(yuǎn)程對(duì)位更是無(wú)法想象。

目前裝卸料機(jī)驅(qū)動(dòng)器都采用伺服或變頻電機(jī)控制技術(shù)，可以精確控制轉(zhuǎn)速。采用多圈高精度絕對(duì)值編碼反饋位置測(cè)量，測(cè)量精度大大提高。采用自動(dòng)定位控制方式，其性能比早期裝卸料機(jī)有了非常大的提升，現(xiàn)在的裝卸料機(jī)可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位精度小于0.5mm，甚至0.1mm以下，這使得遠(yuǎn)程控制成為可能。

2.2 異常事件處理

燃料組件骨架、圍帯損壞導(dǎo)致的組件之間互相掛擦，燃燒后的燃料組件變形，導(dǎo)致燃料裝卸過(guò)程中發(fā)生對(duì)位異常、超載、欠載等，正常操作無(wú)法完成裝載，需要操縱員觀察待裝載燃料組件與已裝載燃料組件的間隙、燃料組件變形情況，綜合系統(tǒng)信息做出判斷，采取特殊的裝卸方式如改變裝載方位、裝載順序或使用旁路功能等。

在異常事件處理時(shí)，僅僅靠系統(tǒng)本身的信息反饋已經(jīng)不夠，更多要依賴操作員和換料主管的視覺(jué)觀察，若要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程換料，則需要增強(qiáng)視覺(jué)系統(tǒng)配置，提供等同或高于操作員視覺(jué)觀察的信息。

2.3 專用工具使用

目前電站多使用人工手動(dòng)放置的燃料組件導(dǎo)向?qū)Ｓ霉ぞ撸ㄒ卜Q燃料鞋拔），輔助燃料組件裝載就位是有效的，特別是在早期的裝卸料機(jī)定位精度不高的情況作用很大。采用遠(yuǎn)程裝卸料，無(wú)工作人員在現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)鞋拔，手動(dòng)放置燃料組件導(dǎo)向?qū)Ｓ霉ぞ叻绞讲辉龠m用。目前的裝卸料機(jī)定位精度大大提高，對(duì)鞋拔的依賴性不強(qiáng)，大多數(shù)情況無(wú)鞋拔也可以順利裝載。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有科研單位在研制可以自動(dòng)移位的燃料組件導(dǎo)向機(jī)器人，如果研制成功將對(duì)遠(yuǎn)程控制提供進(jìn)一步的支撐。

3 遠(yuǎn)程控制方案

圖4 高速偏移插入方式原理圖

針對(duì)前文提出遠(yuǎn)程控制應(yīng)用的制約主要因素，本文提出一種裝卸料機(jī)遠(yuǎn)程控制方案，可以消除影響遠(yuǎn)程控制制約的主要因素。

考慮到裝卸料過(guò)程中，仍然可能發(fā)生燃料組件遠(yuǎn)程方式裝載困難甚至無(wú)法裝載，需要現(xiàn)場(chǎng)勘查詳細(xì)信息并基于操作員經(jīng)驗(yàn)以及操作規(guī)程靈活處理，因此控制系統(tǒng)方案采用遠(yuǎn)程/就地兩種控制模式，裝卸料機(jī)就地操作模式用于特殊情況下的補(bǔ)充操作使用。遠(yuǎn)程控制設(shè)備布置、人機(jī)交互界面與就地設(shè)備布置一致，并輔以全方位視頻支持系統(tǒng)，以便操作員在兩地操作時(shí)無(wú)需調(diào)整適應(yīng)不同的人機(jī)界面。

圖5 全方位視頻系統(tǒng)框架圖

3.1 整體控制架構(gòu)

本方案的裝卸料機(jī)控制主要特點(diǎn)在于雙側(cè)PID跟隨驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用，這一技術(shù)應(yīng)用大大降低了大跨度雙側(cè)間的運(yùn)行誤差，是保證整套設(shè)備運(yùn)動(dòng)精度的關(guān)鍵部分。另外還加裝了遠(yuǎn)程控制站，并在設(shè)備本體上增加全方位視頻支持系統(tǒng)，總體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2?？刂葡到y(tǒng)設(shè)備仍然安裝在裝卸料機(jī)小車(chē)本體上，方便初始設(shè)備調(diào)試和緊急故障處理，而且現(xiàn)場(chǎng)控制臺(tái)操作指令優(yōu)先于遠(yuǎn)程站。

3.2 性能提升技術(shù)

（1）雙閉環(huán)PID跟隨驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

裝卸料機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用交流伺服電機(jī)，不僅低速力矩大而且可以精確控制速度，為實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向的高精度控制，除了精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，還需要對(duì)各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)距離有精確測(cè)量與記錄，為此，在X/Y/Z每個(gè)運(yùn)動(dòng)方向各配置2套高精度絕對(duì)值編碼器。裝卸料機(jī)大車(chē)兩側(cè)橫跨反應(yīng)堆水池，有近8米的跨度，在裝卸料機(jī)整個(gè)行程的運(yùn)行中，由于設(shè)備機(jī)械制造誤差、控制系統(tǒng)誤差等誤差積累，大車(chē)左右兩側(cè)極易錯(cuò)位而造成大車(chē)卡死在軌道上。即便不卡死，大車(chē)兩側(cè)偏差也會(huì)給堆芯位置燃料組件定位造成大的誤差。本方案大車(chē)采用雙側(cè)驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)PID閉環(huán)控制雙側(cè)的位移偏差，目標(biāo)定位精度都達(dá)到0.5mm以內(nèi)。具體控制原理如圖3所示。

（2）高速偏移插入方式

燃料組件裝入堆芯時(shí)，采用高速偏移插入方式，即待裝載燃料組件從目標(biāo)位置偏移向開(kāi)放區(qū)域（無(wú)組件開(kāi)闊水域）一定距離，減少與已經(jīng)裝載的燃料組件干涉的風(fēng)險(xiǎn)，僅在燃料組件下管座接觸下柵格板前才慢速移動(dòng)到目標(biāo)位置，然后以低速方式下降就位，有效減少干涉和提高裝載效率。高速偏移插入方式如圖4。

2.3 全方位視頻技術(shù)方案

全方位攝像支持系統(tǒng)是集光學(xué)、精密機(jī)械、電控技術(shù)、電視技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的高技術(shù)精密設(shè)備。主要包括：三臺(tái)水下高耐輻照攝像系統(tǒng)（其中一臺(tái)還用于堆芯照相及上管座定位測(cè)量）、主控制器、自動(dòng)卷線機(jī)構(gòu)、小車(chē)上控制測(cè)量終端及顯示器、主控室控制測(cè)量終端及顯示器、視頻語(yǔ)音對(duì)講系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示裝卸料機(jī)三個(gè)維度的運(yùn)動(dòng)畫(huà)面，對(duì)三個(gè)維度畫(huà)面進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)焦、變距、縮放操作，實(shí)現(xiàn)裝卸料機(jī)操作臺(tái)與遠(yuǎn)程監(jiān)控室語(yǔ)音通話。全方位視頻系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

攝像系統(tǒng)安裝在裝卸料機(jī)小車(chē)上，采用三個(gè)高耐輻照水下攝像頭對(duì)裝卸料機(jī)及堆芯內(nèi)燃料組件進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視。其中，左右側(cè)兩個(gè)攝像頭位置可以電動(dòng)上下調(diào)節(jié)，用于監(jiān)視水面上下運(yùn)動(dòng)軌跡上是否有障礙物，避免裝卸料機(jī)與其他設(shè)備相撞的風(fēng)險(xiǎn)，及在異常工況下降到燃料組件附件近距離觀察裝載異常情況。第三個(gè)攝像頭始終位于水下，手動(dòng)調(diào)節(jié)升降，通常情況下，位于水下4米，用于監(jiān)視燃料組件和夾爪動(dòng)作；當(dāng)需要進(jìn)行堆芯照相時(shí)，可將攝像頭伸至距堆芯燃料組件頂部1米左右，用于拍攝燃料組件ID號(hào)。三個(gè)攝像畫(huà)面均可同時(shí)顯示在裝卸料機(jī)操作臺(tái)和遠(yuǎn)程控制室中。

3.4 遠(yuǎn)程控制與就地控制優(yōu)劣對(duì)比

遠(yuǎn)程控制與就地控制優(yōu)劣對(duì)比主要如表1所示。

表1 遠(yuǎn)程控制與就地控制優(yōu)劣對(duì)比表

4 遠(yuǎn)程控制方案的驗(yàn)證

核電站裝卸料機(jī)的遠(yuǎn)程控制技術(shù)也曾在三代壓水堆核電技術(shù)AP1000的換料技術(shù)初步設(shè)計(jì)階段提出，但其最后設(shè)備仍然維持了現(xiàn)場(chǎng)操作的方案。歐洲三代壓水堆核電技術(shù)EPR堆型采用了遠(yuǎn)程控制的方案，國(guó)內(nèi)臺(tái)山核電EPR機(jī)組遠(yuǎn)程操作換料設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入安裝階段，但目前尚無(wú)調(diào)試和使用經(jīng)驗(yàn)。

圖6 遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試場(chǎng)景

中廣核研究院有限公司在科技部863核電站專用機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用課題中，針對(duì)反應(yīng)堆裝卸料機(jī)的遠(yuǎn)程控制技術(shù)，在研制的工程樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明遠(yuǎn)程控制方案可行，且具有明顯的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)人員和操作員都能很快適應(yīng)遠(yuǎn)程操作環(huán)境，略作培訓(xùn)即可熟練使用遠(yuǎn)程操作模式，遠(yuǎn)程控制技術(shù)上是安全可實(shí)現(xiàn)的。該工程樣機(jī)設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試后，安裝在廣東省深圳市大亞灣核電基地國(guó)家能源核級(jí)設(shè)備研發(fā)中心，用于操作員培訓(xùn)和科研開(kāi)發(fā)。圖6為遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試場(chǎng)景。

5 結(jié)論

本文分析了大型壓水堆核電站裝卸料機(jī)遠(yuǎn)程控制的重要意義以及影響遠(yuǎn)程控制的因素，提出了解決這些問(wèn)題的方法，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證其方法可行。

遠(yuǎn)程控制較之現(xiàn)場(chǎng)控制方案優(yōu)勢(shì)顯著。先進(jìn)的控制技術(shù)使得機(jī)器在操作過(guò)程中避免了大部分人因行為造成的誤判和誤操作。現(xiàn)場(chǎng)操作的環(huán)境有一定輻照劑量率，而且嚴(yán)格管控，核島反應(yīng)堆廠房空間封閉，操作員容易疲勞、煩躁，精力集中程度較差，而遠(yuǎn)程操作室的工作環(huán)境更舒適，大大減少人員接受輻照的劑量，增強(qiáng)人員工作便利性，操作員心情舒暢，精力集中程度高，安全操作有更大保障，具有較大的推廣價(jià)值，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人操作是該設(shè)備技術(shù)發(fā)展的方向。

本文僅從技術(shù)上驗(yàn)證了遠(yuǎn)程控制的可行性，但遠(yuǎn)程操作還需要進(jìn)一步研究以解決遠(yuǎn)程操作時(shí)燃料組件導(dǎo)向工具，并改變操作員已經(jīng)形成多年的操作習(xí)慣。

[1] FUEL HANDLING SYSTEM SPECIFICATION DOCUMENT, Westinghouse APPFHS-M3-001

[2] 吳鳳岐，陸秀生，大亞灣核電站核燃料運(yùn)輸?shù)踯?chē)橋架驅(qū)動(dòng)的雙控制器閉環(huán)控制,核動(dòng)力工程，2009，30（2）：75-77