華龍一號堆芯測量探測器組件縮容裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

張安銳 羅英 安彥波 殷琪 張弦

摘 要

本文對華龍一號輻照后探測器組件縮容裝置控制系統(tǒng)技術(shù)進行了研究，針對縮容裝置控制提出了技術(shù)方案，利用星型與環(huán)型結(jié)合的拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)的思想有效地解決了系統(tǒng)分散布置通信問題。本文主要介紹該縮容裝置控制系統(tǒng)硬件的方案設(shè)計、核心設(shè)計思想以及硬件選型及配置情況。試驗結(jié)果表明，本控制系統(tǒng)硬件設(shè)計可靠、性能穩(wěn)定、控制精度高。

關(guān)鍵詞

華龍一號;探測器組件;縮容裝置;控制

中圖分類號： TL503 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.033

Abstract

This paper studies the control system technology of the shrinkage device of the detector snatch after the irradiation of Hualong No.1，and proposes a technical solution for the control of the shrinkage device.The idea of topology optimization structure combining star and ring is used to effectively solve the problem of distributed communication in the system. This article mainly introduces the scheme design，core design ideas， hardware selection and configuration of the control system hardware of the shrinkage device.The test results show that the hardware design of the control system is reliable，the performance is stable，and the control accuracy is high.

Key Words

Hualong No.1;Detector snatch;Shrinkage device;Control

0 引言

華龍一號堆型采用了新型堆芯測量系統(tǒng)，探測器組件從堆頂引出，且需要在兩個換料周期進行更換，為此研制了“華龍一號”堆芯測量探測器組件縮容裝置解決上述問題。

探測器組件縮容裝置是一項機電一體化設(shè)備，可在程序控制下自主完成待拆除探測器組件定位、剪切、卷繞等一系列動作。

探測器組件縮容裝置的主要結(jié)構(gòu)包括：視覺對中裝置及監(jiān)控系統(tǒng)、大小車本體裝置、屏蔽門、剪切卷繞裝置、暫存容器裝置等。

探測器組件縮容裝置的工作原理如下：

1）利用視覺對中裝置及監(jiān)控系統(tǒng)對探測器組件進行精確定位;

2）利用大小車本體裝置在平面上移動并精確到位;

3）利用探測器組件抓具抓取探測器組件;

4）利用剪切卷繞裝置將探測器組件進行剪切以及卷繞成型操作;

5）利用暫存容器裝置將探測器組件繞卷儲存。

研制的探測器組件縮容裝置控制系統(tǒng)解決了縮容裝置控制功能復雜，通信數(shù)據(jù)量大、系統(tǒng)本身實時性要求較高等問題。經(jīng)試驗驗證，該控制系統(tǒng)運行高效、控制精度高、可靠性高。本文對縮容裝置控制系統(tǒng)的硬件組成、設(shè)計方案以及配置情況進行簡要介紹。

1 縮容裝置控制系統(tǒng)總體技術(shù)方案與設(shè)計思想

1.1 控制系統(tǒng)總體技術(shù)方案

縮容裝置控制系統(tǒng)采用分布集中控制，控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。可以分為上位機層、控制器層以及執(zhí)行部件層三層：

1）縮容裝置控制系統(tǒng)上位機層：上位機監(jiān)控系統(tǒng)采用SIM ATIC機架式工控機，主要完成：圖像采集及處理、縮容邏輯控制及人機交互等。該層控制的特點是處理的數(shù)據(jù)多，速度快，但實時性要求不高。

2）縮容裝置控制系統(tǒng)控制器層：特點是處理的數(shù)據(jù)相對較少，但對實時性、可靠性要求高。將運動控制層又分為兩個部分：大小車運動控制器及剪切卷繞運動控制器?？刂破鞑捎梦鏖T子1500系列PLC控制器。

3）縮容裝置控制系統(tǒng)執(zhí)行部件層：包括各類伺服電機驅(qū)動器及電磁閥等。

工作時，工控機與運動控制器通過工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊。上下位機電纜可快速插拔。電纜卷繞在可卷盤上，卷盤可自動收線?？s容裝置控制系統(tǒng)總體技術(shù)方案見圖1。

控制系統(tǒng)主要由工控機、運動控制器、操作顯示屏、監(jiān)控屏、屏蔽門模塊、暫存容器模塊、大車模塊、小車模塊、剪切模塊、卷繞模塊、壓緊模塊、箱體導軌模塊、隨動保持模塊、各模塊驅(qū)動的電機或氣缸、監(jiān)控相機及人機操作平臺等組成。

操作顯示器用于完成人機交互功能;監(jiān)控顯示器將監(jiān)控相機的圖像實時顯示在屏幕上;屏蔽門模塊主要通過氣缸作用完成屏蔽門的開合并實現(xiàn)輻照屏蔽功能;大小車模塊主要實現(xiàn)平面的平移定位，通過滑軌以及伺服電機實現(xiàn);暫存容器模塊實現(xiàn)探測器組件繞卷的暫時存儲;剪切模塊實現(xiàn)探測器組件的剪切操作;卷繞模塊實現(xiàn)探測器組件的卷繞操作;壓輥模塊實現(xiàn)卷繞過程中對探測器組件徑向壓緊限位;箱體導軌模塊實現(xiàn)箱體整體移動功能;隨動保持模塊實現(xiàn)卷繞過程中探測器組件與卷繞軸保持垂直角度。

1.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計思想——基于總線的分布控制系統(tǒng)

1.2.1 控制結(jié)構(gòu)模塊化

整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計理念，系統(tǒng)功能分解，減少維護時間。由于該縮容裝置系統(tǒng)經(jīng)需求分析后發(fā)現(xiàn)，需要借助多個系統(tǒng)協(xié)同完成功能實現(xiàn)。所以，為了能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性以及可靠性，在控制系統(tǒng)硬件設(shè)計層面采用模塊化思想，將主要的功能抽象獨立成單獨模塊，從而降低模塊之間的耦合與干擾。

比如，起到定位作用的大小車本體控制系統(tǒng)、負責剪切卷繞的剪切卷繞裝置控制系統(tǒng)都分別獨立使用一個PLC進行下位機的控制，從而提高整個系統(tǒng)控制的可靠性以及效率。

1.2.2 通信結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化

由于本系統(tǒng)控制模塊眾多、具有實時控制性要求并且具備高精度的視覺對中裝置及監(jiān)控系統(tǒng)，對于數(shù)據(jù)交互提出了更高的要求。為了滿足數(shù)據(jù)交互實時性的需要，對于傳統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化，采用了環(huán)形+星型的通信結(jié)構(gòu)解決方案：相距較近的子系統(tǒng)利用交換機作為信息交互的媒介，實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速交互;對于相距較遠的子系統(tǒng)之間利用千兆電氣端口實現(xiàn)交換機之間的信息交互。從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時信息的需求。在操作區(qū)和設(shè)備本體上設(shè)置兩臺交換機，分別實現(xiàn)對于現(xiàn)場設(shè)備的信息采集以及操作區(qū)設(shè)備的信息采集，并通過兩個交換機之間的千兆電氣端口實現(xiàn)交換機之間的通信。

2 縮容裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

縮容裝置控制系統(tǒng)主要由縮容裝置操作控制系統(tǒng)、大小車本體控制系統(tǒng)、剪切卷繞裝置控制系統(tǒng)、視覺對中裝置及監(jiān)控系統(tǒng)等組成，見圖2。

縮容裝置控制系統(tǒng)涉及3臺PLC系統(tǒng)、1個工控機、1個監(jiān)控主機及3個攝像機，故設(shè)計了小型局域網(wǎng)解決各控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸。局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)根據(jù)各控制系統(tǒng)物理位置特點采用星型+環(huán)形的拓撲結(jié)構(gòu)，即：布置在相近位置的系統(tǒng)通過交換機連成星型網(wǎng)絡(luò)，交換機為該星型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換中心;布置在不同位置的星形網(wǎng)絡(luò)再連成環(huán)型網(wǎng)。

2.1 縮容裝置操作控制系統(tǒng)

縮容裝置操作控制裝置主要完成人機交互、圖像處理及總體運動協(xié)調(diào)等功能?？刂葡到y(tǒng)由西門子SIMATIC機架式工控機IPC1、交換機、監(jiān)控主機IPC2、監(jiān)控顯示器、PLC分布式遠程輸入/輸出模塊、操作面板及其他低壓元器件等組成，其主要元器件安裝在操作控制柜中。使用時，操作控制柜布置在構(gòu)件水池旁+16.5m平臺上。

縮容裝置操作控制內(nèi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖3。

工控機IPC1采用西門子機架式工控機， PLC分布式ET 200系列遠程輸入/輸出模塊通過通信接口模塊連至交換機上。

交換機采用西門子SCALANCE X300系列交換機，該交換機含一個千兆級電氣端口，七個高速以太網(wǎng)端口和兩個千兆級多模玻璃纖維光學端口，在星型網(wǎng)內(nèi)部，各主機及PLC通過高速以太網(wǎng)端口連至交換機;環(huán)型網(wǎng)各交換機通過千兆級多模玻璃纖維光學端口連接。

2.2 縮容裝置大小車本體控制系統(tǒng)

大小車本體控制系統(tǒng)以西門子S7 CPU 1500系列控制器為核心，通過觸摸屏和I/O模塊輸入指令，由控制器進行邏輯處理后控制三臺伺服驅(qū)動器，其中一臺伺服驅(qū)動器控制小車的伺服電機，實現(xiàn)X方向的運動;另外兩臺控制大車的兩個伺服電機同步運動，實現(xiàn)Y方向運動。

大車軌道兩側(cè)裝有兩套編碼器，用于測量大車的實際位置;小車軌道一側(cè)裝有一套編碼器，用于測量小車的實際運動位置。使用時，編碼器位置信號接入控制器用于判斷傳動系統(tǒng)是否正常、大小車是否運動到位及大車兩端位置是否同步。

大小車本體控制系統(tǒng)主要由控制柜、電纜及現(xiàn)場伺服電機、編碼器、傳感器等組成?？刂乒駜?nèi)包含操作面板、觸摸屏、S7-1500系列控制器、ET200系列分布式遠程輸入/輸出模塊、編碼器信號處理單元、伺服驅(qū)動器、電源模塊、按鈕、旋鈕、手動操縱桿、電纜、電源開關(guān)等。

系統(tǒng)采用西門子S7 CPU 1500系列控制器。PLC分布式ET200系列遠程輸入/輸出模塊通過通信接口模塊連至交換機上。

大車兩個伺服電機、小車一個伺服電機與變頻器連接后通過變頻器的PROFINET接口連接至交換機從而與同樣以PROFINET方式連接至交換機的PLC實現(xiàn)通信。

2.3 縮容裝置剪切卷繞控制系統(tǒng)

PLC在系統(tǒng)中負責采集、分析各個輸入信號，并輸出控制信號驅(qū)動主電路進而控制各負載執(zhí)行相應(yīng)動作達到控制目標。PLC的選型主要根據(jù)系統(tǒng)輸入/輸出點數(shù)的多少來選擇[2]?？紤]到本系統(tǒng)的輸入信號及輸出信號數(shù)量，本系統(tǒng)中選擇德國西門子公司S7 1500系列作為控制器。該PLC可采用交流100～240V電源供電，穩(wěn)定性很好，輸出形式為繼電器輸出，能滿足本控制系統(tǒng)的設(shè)計要求。

剪切卷繞控制系統(tǒng)主要由西門子S7 CPU 1500系列控制器、ET200系列分布式遠程輸入/輸出模塊、伺服驅(qū)動器、氣動控制回路、開關(guān)電源、各類傳感器及其他低壓元器件等組成。其控制電路見圖4。

伺服驅(qū)動器采用西門子S120系列驅(qū)動系統(tǒng)。SINAMICS120驅(qū)動系統(tǒng)由一個控制單元、一個調(diào)節(jié)型電源模塊、一個1.6kW的單軸電機模塊、一個4.8kW的單軸電機模塊及兩個2.7kW的雙軸電機模塊組成。各電機模塊通過串行總線與控制單元連成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，并最終通過控制單元的PROFINET接口與PLC通訊。

氣動控制回路由一個過濾器、兩個減壓閥、兩個二位五通單電控電磁閥及四個二位五通雙電控電磁閥組成，見圖5。

2.4 縮容裝置視覺對中裝置及監(jiān)控系統(tǒng)

視覺對中裝置及監(jiān)控系統(tǒng)包含三個水下耐輻照攝像機及兩盞大燈等，三個攝像機通過以太網(wǎng)將圖像數(shù)據(jù)傳輸給交換機，交換機再通過千兆以太網(wǎng)口傳輸給操作控制柜中的交換機，其連接電路見圖6。

3 結(jié)論與展望

本文從縮容裝置研制的實際需求背景出發(fā)，依次介紹了縮容裝置控制系統(tǒng)總體技術(shù)方案以及主要設(shè)計思想，并對縮容裝置操作控制裝置、大小車本體控制系統(tǒng)、剪切卷繞裝置控制系統(tǒng)、視覺對中裝置及監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)都進行了詳細的介紹和闡述。該裝置的研制成功填補了三代核電站探測器組件拆除領(lǐng)域的技術(shù)空白，對提高核電經(jīng)濟性和安全性具有重要意義。

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