燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置接力驅(qū)動(dòng)及防撞齒控制系統(tǒng)研究

舒艷榮，李波，裴圣旺，萬雪梅

（1.北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854；2.中國核電工程有限公司 儀控設(shè)計(jì)所，北京 100841）

1 概述

由于華龍一號(hào)堆型相對(duì)于二代改進(jìn)型的核島廠房布置發(fā)生了諸多的變化，對(duì)燃料運(yùn)輸系統(tǒng)最直接的影響就是轉(zhuǎn)運(yùn)通道的延長，受限于燃料轉(zhuǎn)運(yùn)艙長度的限制，現(xiàn)有的運(yùn)輸小車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及小車手動(dòng)應(yīng)急機(jī)構(gòu)已經(jīng)不能滿足使用要求，運(yùn)輸小車無法達(dá)到預(yù)定的工作位置，需要設(shè)計(jì)一種新型的燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置及其控制系統(tǒng)，使運(yùn)輸小車能夠到達(dá)指定的工作位置，因此改為了轉(zhuǎn)運(yùn)小車兩側(cè)接力傳動(dòng)方式。伴隨著新的機(jī)械接力設(shè)計(jì)，電控系統(tǒng)增加了水下接力控制、防撞齒控制、拉線編碼器控制系統(tǒng)等內(nèi)容。針對(duì)上述燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置功能需求上發(fā)生的變化，結(jié)合以往工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置電控系統(tǒng)的科研設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)在于如何有效地保證設(shè)備安全接力、傳輸，使整個(gè)換料過程安全可靠。

2 燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置控制系統(tǒng)功能

2.1 接力控制系統(tǒng)的功能

燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置接力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要功能是控制機(jī)械接力機(jī)構(gòu)完成燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置在燃料廠房（KX）與反應(yīng)堆廠房（RX）之間的運(yùn)輸。主要包括以下環(huán)節(jié)。

燃料組件從燃料廠房（KX）運(yùn)輸?shù)椒磻?yīng)堆廠房（RX）時(shí)，到達(dá)RX側(cè)接力位置，觸發(fā)RX水下接力限位開關(guān)，此時(shí)RX側(cè)接力離合器齒輪超越電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸開始轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸不動(dòng)。

RX水下限位開關(guān)觸發(fā)，啟動(dòng)RX側(cè)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)KX側(cè)電機(jī)并未停止，兩側(cè)電機(jī)以不同轉(zhuǎn)速同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)運(yùn)裝置由KX側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

RX側(cè)電機(jī)以略快于KX側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，在RX側(cè)接力離合器轉(zhuǎn)動(dòng)角度300°范圍內(nèi)完成接力（調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備接力一般發(fā)生在150°左右），此時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)小車完全脫離KX側(cè)，由RX側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)， KX側(cè)電機(jī)經(jīng)過防撞齒控制系統(tǒng)判定后停止，KX側(cè)離合器自動(dòng)復(fù)位。

卸料過程與此基本相同，只是轉(zhuǎn)運(yùn)方向相反。燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置接力驅(qū)動(dòng)功能圖如圖1所示。

圖1 燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置接力驅(qū)動(dòng)功能圖

2.2 防撞齒控制系統(tǒng)的功能

由于接力離合器的存在，轉(zhuǎn)運(yùn)裝置小車在接力操作的時(shí)候有概率會(huì)跟離合器齒輪的齒尖部位碰撞，造成設(shè)備損壞。為了保證轉(zhuǎn)運(yùn)小車能夠安全可靠地完成接力，保護(hù)運(yùn)輸設(shè)備及燃料組件的完整性因此增加了防撞齒控制系統(tǒng)，用以控制機(jī)械的防撞齒檢測機(jī)構(gòu)運(yùn)行。其主要功能是在轉(zhuǎn)運(yùn)裝置小車完成接力后，自動(dòng)調(diào)節(jié)脫離轉(zhuǎn)運(yùn)小車一側(cè)的電機(jī)的停止位置，使接力離合器停在非撞齒位置。若停止于撞齒位置，則在下一個(gè)換料操作開始前啟動(dòng)手動(dòng)調(diào)節(jié)，避免了因齒輪齒尖與設(shè)備碰撞導(dǎo)致離合器損壞的問題。防撞齒控制系統(tǒng)硬件如圖2所示。

圖2 防撞齒控制系統(tǒng)硬件

2.3 控制系統(tǒng)功能需求分析

對(duì)雙層安全殼燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置接力及防撞齒控制系統(tǒng)的工藝技術(shù)要求和運(yùn)行操作流程進(jìn)行詳細(xì)分析，總結(jié)出所有的關(guān)鍵技術(shù)條件和控制接口，得到完整的燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置接力驅(qū)動(dòng)及防撞齒控制系統(tǒng)功能需求，用以指導(dǎo)燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置接力驅(qū)動(dòng)及防撞齒控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)架如圖3所示。

圖3 燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置電控系統(tǒng)構(gòu)架

3 燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置貫穿于兩個(gè)廠房之間，控制系統(tǒng)硬件包含了KX側(cè)及RX側(cè)。在每側(cè)的接力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上配備2個(gè)非接觸式磁力限位開關(guān)，防撞齒檢測機(jī)構(gòu)上配備了1個(gè)槽型光電傳感器。

傳感器的信號(hào)通過硬接線傳送至接線箱，然后送入控制柜中的PLC進(jìn)行邏輯判斷。兩側(cè)（KX側(cè)與RX側(cè)）的PLC通過以太網(wǎng)和硬接線進(jìn)行通信及數(shù)據(jù)交換?？刂婆_(tái)上的操作開關(guān)、按鈕信號(hào)通過硬接線進(jìn)入控制系統(tǒng)，利用操作臺(tái)人機(jī)界面進(jìn)行顯示及控制。

上位機(jī)（人機(jī)界面）與PLC之間用以太網(wǎng)交換機(jī)相連，再通過調(diào)制解調(diào)器來實(shí)現(xiàn)KX側(cè)與RX側(cè)之間的數(shù)據(jù)通信，最終實(shí)現(xiàn)同側(cè)、對(duì)側(cè)之間的數(shù)據(jù)交互。控制系統(tǒng)硬件配置如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)硬件配置圖

3.2 水下限位開關(guān)選型

水下限位開關(guān)需要根據(jù)機(jī)械軌道所預(yù)留的空間大小進(jìn)行選型，也需要考慮限位開關(guān)最大感應(yīng)距離及磁鐵目標(biāo)物的尺寸。過大或過小的感應(yīng)距離均會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響。華龍一號(hào)雙層安全殼轉(zhuǎn)運(yùn)裝置水下限位開關(guān)均采用REEL的DIL-3水下接近開關(guān)。接力離合器如圖5所示，接力限位開關(guān)如圖6所示。

圖5 接力離合器

圖6 接力限位開關(guān)

3.3 槽型光電傳感器選型

槽型光電傳感器的選型根據(jù)防撞齒檢測機(jī)構(gòu)中圓型轉(zhuǎn)盤（如圖2）來選型，而且由于傳感器距離電機(jī)很近，在電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候容易受到干擾，因此在安裝上也需要進(jìn)行屏蔽處理。小車電機(jī)防撞齒限位采用Baumer的FGUM 050P6901/S35A槽型光電傳感器。

4 燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)

燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置電控系統(tǒng)軟件采用Siemens Step 7及Wincc Flexible軟件平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，Siemens Step 7是一種用于SIMATIC S7-300站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用梯形圖、功能塊等語句進(jìn)行編程操作。

電控系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)人機(jī)界面和下位機(jī)軟件兩部分。上位機(jī)畫面運(yùn)行在一臺(tái)嵌入式工業(yè)觸摸屏上，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置各個(gè)控制環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示及操作，其中包括接力驅(qū)動(dòng)及防撞齒控制的顯示。

上位機(jī)軟件基于Wincc Flexible開發(fā)，它主要用于組態(tài)用戶界面以操作和監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行。在接力驅(qū)動(dòng)及防撞齒控制系統(tǒng)中主要用到以下功能。

（1）過程可視化：在人機(jī)界面上顯示轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的位置。

（2）操作員對(duì)接力過程的控制：通過圖形界面控制接力過程及手動(dòng)觸發(fā)防撞齒程序。

（3）顯示報(bào)警：燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置運(yùn)行過程中遇到的如接力位置碰撞、通信模式中斷等報(bào)警均會(huì)在人機(jī)界面中顯示。

（4）用戶歸檔記錄功能：與報(bào)警顯示功能搭配使用，可記錄報(bào)警狀態(tài)、操作員登陸信息等，也可檢索以前產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

（5）過程和設(shè)備參數(shù)管理：可將所有用戶歸檔記錄的數(shù)據(jù)從人機(jī)界面下載到移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備或PLC中。

上位機(jī)畫面如圖7所示。

圖7 上位機(jī)畫面

下位機(jī)程序下裝在SIMATIC S7 PLC中運(yùn)行。接力驅(qū)動(dòng)及防撞齒控制系統(tǒng)的邏輯判斷都是靠下位機(jī)軟件完成的。上位機(jī)和下位機(jī)軟件之間采用TCP/IP協(xié)議，通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，燃料廠房側(cè)與反應(yīng)堆廠房側(cè)之間通過以太網(wǎng)及硬接線冗余方式通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制指令的交互。

4.2 接力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

水下接力控制程序的設(shè)計(jì)思路是在兩側(cè)（KX與RX）的接力區(qū)域各安裝兩個(gè)水下限位開關(guān)，作為設(shè)備接力操作的判斷條件之一，2個(gè)水下開關(guān)互為冗余，其中一個(gè)限位觸發(fā)，本側(cè)電機(jī)立即啟動(dòng)。同時(shí)系統(tǒng)還加入了編碼器數(shù)據(jù)作為本側(cè)接力操作的另一個(gè)條件，轉(zhuǎn)運(yùn)裝置運(yùn)行到設(shè)定的位置時(shí)，本側(cè)電機(jī)啟動(dòng)。兩個(gè)條件為“或”的關(guān)系，保證了其中一方故障時(shí)接力操作仍可繼續(xù)進(jìn)行，提高系統(tǒng)的可靠性。

以轉(zhuǎn)運(yùn)裝置從KX側(cè)出發(fā)前往RX側(cè)為例，當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)裝置進(jìn)入RX側(cè)接力區(qū)域后，RX側(cè)電機(jī)啟動(dòng)，但設(shè)備此時(shí)還是靠KX側(cè)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在兩側(cè)電機(jī)帶動(dòng)下的各自離合器以不同的速率旋轉(zhuǎn)（RX側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速略快于KX側(cè)電機(jī)），RX側(cè)離合器超越電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)行，最終旋轉(zhuǎn)大約150°的位置完成接力，即RX側(cè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)裝置。脫離轉(zhuǎn)運(yùn)裝置小車的KX側(cè)電機(jī)執(zhí)行自動(dòng)防撞齒程序，在滿足條件后停止。部分接力系統(tǒng)邏輯梯形圖如圖8所示。

圖8 接力邏輯梯形圖

圖9 防撞齒程序

4.3 防撞齒控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了解決由于接力操作帶來的離合器齒輪碰撞問題，機(jī)械上增加了一套防撞齒檢測機(jī)構(gòu)，同時(shí)電控系統(tǒng)中也增加了對(duì)應(yīng)的防撞齒控制程序。

主要設(shè)計(jì)思路是在兩側(cè)電機(jī)的防撞齒檢測機(jī)構(gòu)上各安裝1個(gè)槽型光電傳感器，用來檢測接力離合器齒輪是否處于“撞齒”位置，也是控制本側(cè)電機(jī)停止的判定條件之一?？刂葡到y(tǒng)采集光電傳感器的信號(hào)，當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)小車完成對(duì)側(cè)接力操作，脫離本側(cè)接力離合器的時(shí)候，依靠此信號(hào)判斷是否執(zhí)行電機(jī)停止命令。

電機(jī)停止命令的另一個(gè)判定條件是位置編碼器度數(shù)，即在程序設(shè)定的一個(gè)位置區(qū)間內(nèi)搜索光電傳感器信號(hào)，一旦傳感器在此區(qū)間觸發(fā)，本側(cè)電機(jī)立即停止。槽型光電傳感器的觸發(fā)條件為接收器接收到掃過圓形轉(zhuǎn)盤開槽的紅外射線。為確保不發(fā)生機(jī)械碰撞，控制系統(tǒng)增加了手動(dòng)防撞齒檢測程序作為機(jī)械防撞的二次確認(rèn)。

以轉(zhuǎn)運(yùn)裝置從KX側(cè)出發(fā)前往RX側(cè)為例，當(dāng)完成一次換料過程，小車再次前往RX側(cè)換料時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在轉(zhuǎn)運(yùn)裝置出發(fā)前檢測RX側(cè)接力離合器齒輪的狀態(tài)，若RX側(cè)槽型光電開關(guān)紅外射線未被障礙物遮擋，則認(rèn)為當(dāng)前齒輪未處于撞齒狀態(tài)，轉(zhuǎn)運(yùn)裝置啟動(dòng)，完成運(yùn)輸工作。若紅外射線被障礙物遮擋，人機(jī)界面會(huì)彈出窗口提示需要執(zhí)行手動(dòng)防撞齒程序，按照提示操作，最終只有在光電傳感器信號(hào)觸發(fā)時(shí)才可執(zhí)行換料操作。

綜上，防撞齒控制系統(tǒng)包含了自動(dòng)防撞齒程序及手動(dòng)防撞齒程序，大大提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的安全可靠性，也進(jìn)一步避免了轉(zhuǎn)運(yùn)裝置在接力過程中發(fā)生機(jī)械碰撞，損壞關(guān)鍵設(shè)備。部分防撞齒程序如圖9所示，系統(tǒng)流程如圖10所示。

5 設(shè)備調(diào)試期間遇到的問題及解決辦法

在燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置調(diào)試過程中，設(shè)計(jì)人員在測試自動(dòng)防撞齒程序時(shí)發(fā)現(xiàn)RX側(cè)離合器始終無法在“非撞齒”位置停止，相反的每次停止位置都距離用以檢測撞齒位置的不銹鋼槽非常遠(yuǎn)，而控制系統(tǒng)程序執(zhí)行的內(nèi)容是光電傳感器掃過不銹鋼槽后發(fā)出停止命令，因此正常情況下每次停止位置都應(yīng)該在不銹鋼槽上。經(jīng)過設(shè)計(jì)人員反復(fù)試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)問題出現(xiàn)在信號(hào)干擾上，導(dǎo)致光電傳感器在電機(jī)慢速運(yùn)行時(shí)信號(hào)嚴(yán)重不穩(wěn)定，指示燈頻繁閃爍。而最簡單直接的辦法就是對(duì)光電傳感器進(jìn)行絕緣處理，使其金屬安裝板不發(fā)生接觸，利用絕緣膠帶做隔離，最終解決了該問題。

圖10 接力驅(qū)動(dòng)及防撞齒控制系統(tǒng)流程圖

6 結(jié)語

華龍一號(hào)燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置作為停堆換料期間燃料運(yùn)輸及反應(yīng)堆運(yùn)行期間隔離反應(yīng)堆廠房與燃料廠房的關(guān)鍵設(shè)備之一，承擔(dān)著燃料運(yùn)輸環(huán)節(jié)安全可靠的重要任務(wù)，因此燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置電控系統(tǒng)的可靠性和安全性顯得尤為重要。與M310堆型相比，電控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)合理性、可靠性以及人員的職業(yè)安全性等方面都有了較大提升。華龍一號(hào)燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置電控系統(tǒng)相比M310堆型具有如下特性。

（1）提升了設(shè)備的可靠性。伴隨機(jī)械設(shè)計(jì)的改進(jìn)而帶來的風(fēng)險(xiǎn)，電控系統(tǒng)需要通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿媽⑵浣档阶畹汀？刂葡到y(tǒng)增加的水下接力冗余判斷、防撞齒判斷等新功能，確保整套設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

（2）提高了設(shè)計(jì)合理性。新增的拉線盒編碼器相對(duì)于軸編碼器來說，在接力位置測量的精度更高，彌補(bǔ)了軸編碼器因?yàn)殡p側(cè)接力驅(qū)動(dòng)切換而導(dǎo)致的位置數(shù)據(jù)偏差問題，而且安裝、拆卸方便，有效減少了現(xiàn)場安裝的時(shí)間成本。

[1]廖常初，陳曉東．西門子人機(jī)界面組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

[2]姜建芳．西門子S7-300/400 PLC工程應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012．