水泥固化線旋轉(zhuǎn)輥道控制設(shè)計與應(yīng)用

龔應(yīng)偉　楊蘭菊　陳先林

【摘 要】水泥固化線設(shè)有旋轉(zhuǎn)輥道，用于檢測水泥固化體表面劑量水平。旋轉(zhuǎn)輥道上安裝多組定位傳感器，實(shí)現(xiàn)固化體在輥道上直行和旋轉(zhuǎn)時的定位。由于復(fù)雜的生產(chǎn)工況及放射性環(huán)境，使得定位傳感器加速失效。本文提出了采用檢測元件冗余、延期服役控制、超限服役控制等三種控制方法來延長水泥固化線的使用壽命。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，采用以上三種控制方法后，定位傳感器反應(yīng)靈敏、動作穩(wěn)定、能合理定位，保證了水泥固化生產(chǎn)線的長時間穩(wěn)定運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】定位傳感器使用壽命;檢測元件冗余;延期服役控制;超限服役控制

中圖分類號： TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）32-0017-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.006

0 引言

水泥固化線的旋轉(zhuǎn)輥道帶動水泥固化體360°旋轉(zhuǎn)期間，劑量檢測裝置上放射性探測器檢測水泥固化體表面放射性劑量水平。旋轉(zhuǎn)輥道穩(wěn)定可靠運(yùn)行是放射性廢物水泥固化處理流程中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。旋轉(zhuǎn)輥道上設(shè)有多組定位傳感器，主要完成兩個功能，一是固化體直行定位，二是固化體360°旋轉(zhuǎn)定位，便于桶表面的放射性劑量水平檢測。由于核設(shè)施內(nèi)的環(huán)境溫度、濕度、灰塵、空氣中含鹽量、放射性劑量及系統(tǒng)設(shè)備使用頻率等因素影響元器件的平均故障率，使得定位傳感器加速失效，進(jìn)而降低控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，甚至直接關(guān)系到工藝系統(tǒng)運(yùn)行安全和減少核設(shè)施的整個服役期。因此，本文提出了檢測元件冗余、延期服役控制、超限服役控制三種控制方法來延長水泥固化線的使用壽命，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 工藝布置與定位傳感器

1.1 工藝布置

國內(nèi)現(xiàn)有的放射性廢物處理基本上由干濕料下料系統(tǒng)和線上設(shè)備組構(gòu)成，其中旋轉(zhuǎn)輥道、屏蔽門、劑量檢測裝置、應(yīng)急后備阻尼裝置、輸送輥道/7號、輸送輥道/8號、定位夾緊裝置等7套設(shè)備均布置在劑量檢測工位區(qū)域。該區(qū)域布置空間狹小和放射性環(huán)境特性，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)輥道上定位傳感器非常難維修維護(hù)。放射性劑量檢測工藝布置見圖1?，F(xiàn)場環(huán)境特性條件：

（1）空間區(qū)域狹小，安裝區(qū)域?qū)挾?250mm。

（2）水泥固化體放射性劑量1.5～2.5mSev/h，系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)行可靠，避免事故發(fā)生，造成應(yīng)急工作人員不必要的放射性照射。

（3）劑量檢測工位區(qū)域環(huán)境溫度：0℃～40℃。

（4）平均相對濕度不大于90%（+25℃）。

1.2 定位傳感器失效情況

調(diào)查研究水泥固化線中8個工藝位置的定位傳感器使用情況，A位置：固化桶準(zhǔn)備;B位置：水泥加料工位;C位置：提升門位置;D位置：過渡工位;E位置：攪拌工位;F位置：取封蓋工位;G位置：劑量檢測工位;H位置：吊運(yùn)工位。工藝位置與定位傳感器壽命關(guān)系見圖2。

圖1 放射性劑量檢測工藝布置圖

圖2 工藝位置與定位傳感器壽命關(guān)系

從圖中可以分析出，定位傳感器在非放射性條件工藝位置：A位置、B位置、C位置、D位置平均壽命8～10年。放射性工藝位置：E位置、F位置、G位置、H位置的定位傳感器平均壽命與放射累積劑量有直接關(guān)系。在固化體放射性劑量1.5～2.5mSev/h情況下，其中E位置由于是水泥固化體生產(chǎn)攪拌工藝位置，工藝運(yùn)行時間最長，平均壽命5～6年，劑量檢測G位置工藝運(yùn)行時間相對E位置較短，則平均壽命7～8年。

2 控制方案

水泥固化線設(shè)置1套相對獨(dú)立PLC控制系統(tǒng)，再通過PROFIBUS總線把各系統(tǒng)的工藝過程參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)傳入中央控制DCS系統(tǒng)。

SIMATICS7-300及輸入輸出模塊組成的PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)工藝控制功能。包括：檢測水泥固化體是否已到達(dá)輸送輥道/7號末端;開啟屏蔽門，并檢測屏蔽門是否開啟到位;水泥固化體通過輸送輥道/7號輸送到旋轉(zhuǎn)輥道上，并檢測是否到達(dá)指定位置;自動控制定位夾緊裝置，完成水泥固化的中心定位。指揮旋轉(zhuǎn)輥道帶動水泥固化體以一定的時間轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到工藝要求的角度后，旋轉(zhuǎn)輥道停止旋轉(zhuǎn)。水泥固化體旋轉(zhuǎn)期間，發(fā)出指令，劑量檢測裝置上放射性探測器對水泥固化體表面進(jìn)行多次往復(fù)掃描檢測。完成劑量檢測，水泥固化體通過旋轉(zhuǎn)輥道和輸送輥道/8號的傳動輸送到輸送輥道/8號上。

采用檢測元件冗余技術(shù)進(jìn)一步提高旋轉(zhuǎn)輥道運(yùn)行可靠性;后使用灌入時間的延期服役控制方法延長旋轉(zhuǎn)輥道服役時間;后備超限服役控制措施確保旋轉(zhuǎn)輥道的運(yùn)行，確保水泥固化設(shè)施的安全和服役時限。

3 檢測元件冗余

為實(shí)現(xiàn)水泥固化線控制系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，延長定位傳感器組潛在故障頻率。旋轉(zhuǎn)輥道的0度和360度定位傳感器在單組定位傳感器的基礎(chǔ)上，再并聯(lián)一組定位傳感器。同時降低放射性對控制電纜的影響，控制電纜采用增強(qiáng)型金屬屏蔽電纜。檢測元件冗余見圖3。

圖3 檢測元件冗余

4 延期服役控制

控制系統(tǒng)的現(xiàn)場檢測元件已損壞，水泥固化線放射性環(huán)境劑量高使維修人不可達(dá)。通過計算放射性探測器掃描放射性固化體區(qū)域的時間、旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)行系統(tǒng)控制，從而滿足工藝運(yùn)行要求。在不考慮常用電氣傳動穩(wěn)態(tài)調(diào)速精度、轉(zhuǎn)速變化率、調(diào)速比、穩(wěn)速精度等靜態(tài)指標(biāo)，及響應(yīng)時間（tan）、動態(tài)響應(yīng)偏差帶（±δ%）、條件時間（tr）等動態(tài)指標(biāo)的情況[1]，同時考慮到機(jī)械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)由于安裝誤差、軸承間隙、支撐變形等各種可能因素[2-3]，在PLC系統(tǒng)中灌入時間，實(shí)現(xiàn)水泥固化系統(tǒng)延期服役的控制措施。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，按下述相關(guān)公式進(jìn)行計算。

式中：f1供電頻率，p電磁功率，SN額定轉(zhuǎn)差率，TN額定轉(zhuǎn)矩，Tcr臨界轉(zhuǎn)矩，t1固化體旋轉(zhuǎn)理論計算時間，t2機(jī)械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)、電氣轉(zhuǎn)動系統(tǒng)等需窺視窗觀察校準(zhǔn)綜合補(bǔ)償時間。

5 超限服役控制

電動機(jī)的額定負(fù)載按工藝實(shí)際運(yùn)行負(fù)載的2～3倍計算選取，同時兼顧額定電壓、額定功率因數(shù)和效率[4]，使旋轉(zhuǎn)輥道電機(jī)在50%～70%額定電流范圍內(nèi)運(yùn)行。旋轉(zhuǎn)輥道碰擊旋轉(zhuǎn)輥道側(cè)的應(yīng)急后備阻尼裝置時，電機(jī)的運(yùn)行電流瞬時增大，電流傳感器采集模擬電流信號，觸發(fā)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)定電流值，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。超限服役控制見圖4。圖中：Ist起動電流，Ir額定電流，I0.5電機(jī)50%負(fù)載電流，tst起動時間[5]。

圖4 超限服役控制

6 控制功能

水泥固化線初期運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)輥道采用冗余定位傳感器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)輥道的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)到位控制。當(dāng)冗余的定位傳感器全部失效時，通過PLC的人機(jī)界面系統(tǒng)輸入放射性劑量檢測探測器掃描時間進(jìn)行旋轉(zhuǎn)輥道的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)到位控制。電氣控制系統(tǒng)和機(jī)械傳動系統(tǒng)時間無法準(zhǔn)確預(yù)知時，可知延期服役控制措施失效，PLC控制系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入超限服役控制，通過旋轉(zhuǎn)輥道碰擊后備應(yīng)急阻尼裝置發(fā)出阻尼電流，執(zhí)行旋轉(zhuǎn)輥道的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)到位控制。控制功能圖見下圖5。

7 結(jié)束語

通過現(xiàn)場調(diào)試驗(yàn)證結(jié)果表明，檢測元件冗余、延期服役控制、超限服役控制的控制方法滿足水泥固化線放射性固化體放射性劑量水平檢測的需要，同時還有效解決了因定位傳感器失效，導(dǎo)致水泥固化線過早退役的問題。

圖5 控制功能圖

【參考文獻(xiàn)】

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