自動開封蓋螺栓擰緊機的控制與故障診斷研究

沈立鋒，熊 燦，王成東，李杏偉，羅 聰

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

隨著我國核電事業(yè)的快速發(fā)展，所產(chǎn)生的放射性核廢料也與日俱增，核工業(yè)自動化設(shè)備的應(yīng)用也越來越廣泛[1-2]。水泥固化線是核廢料處理的作業(yè)流水線[3-4]，其中自動開封蓋設(shè)備是水泥固化線的核心設(shè)備，其總體功能是采用10個螺栓擰緊機同時擰松/緊存放中、低放射性廢物鋼桶上的螺栓，將桶蓋與桶本體分離和回裝。由于現(xiàn)場環(huán)境具有放射性，操作人員只能遠距離進行控制[5]，因此在操作人員未能全方位觀測所有擰緊機工作狀態(tài)的情況下，對擰緊機的過程控制與故障診斷提出了更高的要求。

張峰等[6]采用故障模式及影響分析方法對自動開封蓋設(shè)備可能出現(xiàn)的所有故障原因及其影響進行了分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致自動開封蓋裝置出現(xiàn)嚴重故障的關(guān)鍵因素是平移、提升和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，根據(jù)故障影響大小，判斷出驅(qū)動電動機失效是最為重要的故障模式。黃金鳳、薄晶杰和陳林等[7-9]以 “PLC+定位控制模塊”為核心，實現(xiàn)了自動開封蓋設(shè)備的伺服驅(qū)動與過程控制。上述研究僅對自動開封蓋設(shè)備整體驅(qū)動過程進行了概述性研究，未深入對核心技術(shù)——擰緊技術(shù)進行有針對性的研究。

為此，本文以自動開封蓋螺栓擰緊機為研究對象，研究開發(fā)一種新的擰緊技術(shù)，對螺栓的擰緊扭矩、擰入/出到位狀態(tài)、螺栓擰入/出圈數(shù)和扭矩過載狀態(tài)等進行控制與監(jiān)測，在保證螺栓擰緊至指定扭矩的同時，能自動識別與診斷螺栓錯擰、漏擰等故障。

1 擰緊機主要結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)

自動開封蓋螺栓擰緊機主要由交流伺服電動機、行星減速機、扭矩限制器(含信號傳感器)、扭矩傳感器、伸縮式花鍵軸和螺栓擰入/出到位檢測傳感器等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 擰緊機結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

擰緊機的伺服電動機高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動行星減速機實現(xiàn)低速大扭矩輸出，減速機輸出端驅(qū)動花鍵軸、套筒旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)擰入/出螺栓。

在運行過程中，伺服電動機驅(qū)動器對電流、電壓、旋轉(zhuǎn)速度和圈數(shù)進行實時監(jiān)測，電動機一旦出現(xiàn)過流或過壓，驅(qū)動器可輸出報警信息。扭矩限制器信號傳感器對系統(tǒng)有無過載進行實時監(jiān)測，當扭矩限制器超出設(shè)定扭矩值時將自動打滑，觸發(fā)信號傳感器，發(fā)出報警信號的同時立即停機，以保護擰緊機的機械結(jié)構(gòu)及電氣元件。扭矩傳感器用于實時監(jiān)測工作過程中扭矩值變化，可以設(shè)定螺釘最終擰緊扭矩值。擰入/出到位檢測傳感器配合花鍵軸的伸縮運動可以實時檢測螺栓是否被完全擰入/出。

2 擰緊機控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

擰緊機控制系統(tǒng)采用基于MODBUS通信協(xié)議結(jié)構(gòu)，電氣部分主要由S7-200 SMART邏輯控制器、數(shù)據(jù)采集單元、伺服單元、扭矩測量單元、扭矩限制單位、擰入/出檢測單元及HMI人機界面組成(見圖2)。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在擰緊機運行過程中，通過人機界面可以實時監(jiān)控當前扭矩值，同時也可以對擰緊機擰緊扭矩進行設(shè)定，并由主控PLC根據(jù)擰緊力大小自動調(diào)節(jié)擰緊速度，直到完成擰緊工作。

2.2 網(wǎng)絡(luò)與通信

主控PLC通過MODBUS協(xié)議與伺服驅(qū)動器進行數(shù)據(jù)交換。MODBUS協(xié)議接口是標準RS232或RS485接口半雙工，主要用于控制器之間的通信[10]。通過此協(xié)議，2個控制器相互之間或控制器通過網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備可以進行通信，協(xié)議定義了通信物理層、鏈路層及應(yīng)用層(見圖3)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)模型

用戶可以依照伺服驅(qū)動器通信數(shù)據(jù)區(qū)與MODBUS通信數(shù)據(jù)區(qū)的映射關(guān)系，實現(xiàn)伺服驅(qū)動器到MODBUS之間的數(shù)據(jù)透明通信，數(shù)據(jù)通信流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)通信流程圖

3 故障診斷

3.1 檢測對象定義

檢測對象包括扭矩限制器信號傳感器、扭矩傳感器、螺栓旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和擰入/出到位檢測，具體如下。

1)扭矩限制器信號傳感器。該信號傳感器主要是由扭矩限制器脫開打滑而觸發(fā)，即系統(tǒng)出現(xiàn)過載故障，因此在系統(tǒng)運行的任意時刻，只要該信號傳感器觸發(fā)，系統(tǒng)都應(yīng)立即停機。本文扭矩限制器設(shè)定值為90 N·m。

2)扭矩傳感器。實時檢測扭矩變化的同時，可設(shè)定螺栓擰緊扭矩值。在擰螺栓的過程中，一旦扭矩值等于或略大于設(shè)定值，系統(tǒng)應(yīng)立即停機，此時默認螺栓已擰至設(shè)定的扭矩值。本文扭矩傳感器設(shè)定值為80 N·m。

3)螺栓旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。伺服電動機自帶編碼器記錄電動機運行脈沖數(shù)，計算出電動機旋轉(zhuǎn)圈數(shù)再根據(jù)減速機減速比計算出套筒旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，即螺栓旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。螺栓規(guī)格尺寸確定后螺栓每次擰入/擰出的圈數(shù)都應(yīng)是一定值。但在實際擰螺栓的過程中，由于螺栓與螺孔的制造誤差、相對起始位置、套筒與螺栓間隙等因素，擰入/擰出的圈數(shù)為一范圍值。本文所用螺栓擰入/擰出的圈數(shù)理論值為13.2圈，系統(tǒng)設(shè)定值為11～16圈。當旋轉(zhuǎn)圈數(shù)超過設(shè)定的最大值時，系統(tǒng)應(yīng)立即停機，此時系統(tǒng)默認無螺栓或螺紋滑絲。

4)擰入/出到位檢測。識別螺栓是否完全擰入/出，輔助診斷故障原因。

3.2 螺栓擰入過程故障診斷

在螺栓的擰入過程中，常見故障現(xiàn)象為無螺栓或螺紋滑絲、螺栓卡死等。任何一種故障現(xiàn)象出現(xiàn)時系統(tǒng)都能立即發(fā)出停機指令，以保護設(shè)備及螺栓免受損傷。螺栓擰入流程圖如圖5所示。

圖5 螺栓擰入流程圖

各故障現(xiàn)象判定條件如下。

1)系統(tǒng)過載。扭矩限制器信號傳感器被觸發(fā)。

2)無螺栓或滑絲。扭矩限制器信號傳感器未被觸發(fā)，扭矩傳感器監(jiān)測值小于設(shè)定值，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)大于最大值。

3)螺栓卡死。扭矩限制器信號傳感器未被觸發(fā)，扭矩傳感器監(jiān)測值達到設(shè)定值，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)小于最小值，擰入到位檢測無信號。

4)完全擰入。扭矩限制器信號傳感器未被觸發(fā)，扭矩傳感器監(jiān)測值達到設(shè)定值，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)介于最小值與最大值之間，擰入到位檢測有信號。

3.3 螺栓擰出過程故障診斷

與螺栓擰入類似，在螺栓的擰出過程中，常見故障現(xiàn)象同樣為無螺栓或螺紋滑絲、螺栓卡死等。螺栓擰出流程圖如圖6所示。

圖6 螺栓擰出流程圖

各故障現(xiàn)象判定條件如下。

1)系統(tǒng)過載。扭矩限制器信號傳感器被觸發(fā)。

2)螺栓卡死。扭矩限制器信號傳感器未被觸發(fā)，扭矩傳感器監(jiān)測值達到設(shè)定值。

3)無螺栓或滑絲。扭矩限制器信號傳感器未被觸發(fā)，扭矩傳感器監(jiān)測值小于設(shè)定值，擰出到位檢測無信號，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)大于最大值。

4)完全擰出。扭矩限制器信號傳感器未被觸發(fā)，扭矩傳感器監(jiān)測值小于設(shè)定值，擰出到位檢測有信號，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)介于最小值與最大值之間。

4 結(jié)語

通過對自動開封蓋裝置螺栓擰緊機的機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)進行設(shè)計，對各種故障現(xiàn)象判定條件進行討論，研究開發(fā)出一種新的過程控制與故障診斷系統(tǒng)。在擰螺栓的過程中能實時監(jiān)測擰緊扭矩、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)、擰入/出狀態(tài)等信息，同時系統(tǒng)能自動識別與診斷螺栓卡死、無螺栓等故障狀態(tài)，極大地提高了螺栓擰緊機的可靠性，保障了放射性廢物處理系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)非計劃檢修風險和運維人員介入的受照劑量。在實際生產(chǎn)中，可根據(jù)需要擴展為多軸擰緊機，以提高生產(chǎn)效率與經(jīng)濟效益。