核電站乏燃料水池操作機(jī)及專(zhuān)用抓具電氣控制系統(tǒng)的分析

龐 研， 龐 毅

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

乏燃料水池操作機(jī)及專(zhuān)用抓具是核電站乏組件工藝運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，位于核島廠房?jī)?nèi)的乏燃料貯存水池大廳。乏燃料水池操作機(jī)及專(zhuān)用抓具控制系統(tǒng)的功能為：以電力驅(qū)動(dòng)乏燃料水池操作機(jī)，在水池大廳操作范圍內(nèi)指定位置對(duì)乏組件、控制棒組件、破損組件密封罐、薄壁密封筒進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。

1 控制系統(tǒng)的組成及功能

1.1 控制系統(tǒng)的組成

乏燃料水池操作機(jī)及專(zhuān)用抓具的電氣控制系統(tǒng)主要由程序控制、伺服驅(qū)動(dòng)、外部檢測(cè)、低壓配電等部分組成。程序控制部分包括SimitionD 運(yùn)動(dòng)控制器、CPU、數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入輸出模塊、一體式上位機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。伺服驅(qū)動(dòng)部分包括整流回饋裝置、起升機(jī)構(gòu)逆變器、大車(chē)機(jī)構(gòu)逆變器、小車(chē)機(jī)構(gòu)逆變器、起升伺服電機(jī)、大車(chē)伺服電機(jī)、小車(chē)伺服電機(jī)。外部檢測(cè)元件包括起升拉線(xiàn)式編碼器、大車(chē)WCS 位置編碼系統(tǒng)、小車(chē)WCS 位置編碼系統(tǒng)、卷筒絕對(duì)值編碼器、稱(chēng)重測(cè)量裝置、外部限位等。低壓配電部分包括常用的斷路器、接觸器、開(kāi)關(guān)電源等[1-2]，見(jiàn)圖1。

1.2 控制系統(tǒng)的功能

圖1 控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

程序控制部分包括PLC 與SimotionD 運(yùn)動(dòng)控制器，SimotionD 用于各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制，PLC 用于乏燃料水池操作機(jī)各處信號(hào)的采集和處理、控制系統(tǒng)邏輯程序的處理和執(zhí)行。兩者之間通過(guò)Profinet 進(jìn)行通訊，相比其他類(lèi)型的通訊方式更為快速穩(wěn)定?，F(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械限位等信號(hào)通過(guò)硬線(xiàn)形式接入PLC 的IO輸入模塊，位置測(cè)量裝置信號(hào)通過(guò)通訊形式接入PLC。一體式上位機(jī)置于屏蔽室的遠(yuǎn)程控制臺(tái)上，作為重要的人機(jī)交互界面。上位機(jī)用來(lái)顯示乏燃料水池操作機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)、歷史記錄和故障報(bào)警，并參與控制，操作員可以在上位機(jī)處進(jìn)行運(yùn)行位置選取、啟動(dòng)命令、故障確認(rèn)和復(fù)位等操作。只要上位機(jī)處在運(yùn)行狀態(tài)，乏燃料水池操作機(jī)所有重要的狀態(tài)、報(bào)警和操作都會(huì)被記錄，并隨時(shí)可以查看歷史記錄，方便故障追溯。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)是控制系統(tǒng)的通訊總線(xiàn)輔助設(shè)備[3]，用來(lái)將乏燃料水池操作機(jī)控制系統(tǒng)中所用的Profinet 總線(xiàn)設(shè)備連接至總線(xiàn)，最終接入PLC 及SimotionD 運(yùn)行控制器。在操作機(jī)上和遠(yuǎn)程控制臺(tái)處各設(shè)置一個(gè)。

整流回饋裝置將380VAC 進(jìn)線(xiàn)電源轉(zhuǎn)換為540VDC 兩線(xiàn)作為直流母線(xiàn)提供給各機(jī)構(gòu)逆變器，并將各機(jī)構(gòu)制動(dòng)能量反饋回電網(wǎng)。其能夠?qū)χ绷髂妇€(xiàn)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，即使電網(wǎng)電壓波動(dòng)也可以保持整流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定。逆變器由SimotionD 運(yùn)動(dòng)控制器控制，將直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟?，通過(guò)對(duì)頻率的改變，控制伺服電機(jī)的運(yùn)行和速度調(diào)節(jié)。

外部檢測(cè)部分為各機(jī)構(gòu)提供精確的位置反饋信息及安全保護(hù)。起升拉線(xiàn)式編碼器為起升機(jī)構(gòu)提供精確的位置反饋信息。運(yùn)行機(jī)構(gòu)WCS 線(xiàn)性絕對(duì)值位置編碼系統(tǒng)為運(yùn)行機(jī)構(gòu)提供精確的位置反饋信息。稱(chēng)量裝置能精確測(cè)量起吊重量并提供超載保護(hù)，當(dāng)起吊重量為90%、100%、110%時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警，同時(shí)能輸出4～20 mA 重量信號(hào)至PLC[4]。

配電控制部分為其他各部分提供保護(hù)，包括過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)等，防止設(shè)備因內(nèi)部故障或外部電路問(wèn)題而損壞，見(jiàn)圖2。

圖2 控制系統(tǒng)功能

2 控制原理

在乏燃料水池操作機(jī)的高精度定位要求和安全性要求下，由于機(jī)械傳動(dòng)誤差、干擾等問(wèn)題的存在，傳統(tǒng)的開(kāi)環(huán)控制和速度控制已經(jīng)很難滿(mǎn)足定位控制的精度指標(biāo)，因此需要采用伺服電機(jī)，采用高精度的全閉環(huán)位置控制。

伺服系統(tǒng)采用西門(mén)子運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)SimotionD。它是基于驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。SimotionD 是集成了西門(mén)子S120 伺服驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)控制單元，可以方便與S120 驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)組件連接并帶有編碼器接口、PN 接口等控制通訊接口。

根據(jù)本設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)，在運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)部為起升和行走機(jī)構(gòu)的4 個(gè)電機(jī)分別建立實(shí)軸，再建立起升、大車(chē)、小車(chē)3 個(gè)虛擬軸，令4 個(gè)實(shí)軸完全跟隨虛擬軸而動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)同步。其中起升和小車(chē)為1 個(gè)實(shí)軸跟隨1 個(gè)虛擬軸，大車(chē)為2 個(gè)實(shí)軸跟隨1 個(gè)虛擬軸。

建立XYZ 空間坐標(biāo)系，以大車(chē)運(yùn)行方向?yàn)閄 方向，小車(chē)運(yùn)行方向?yàn)閅 方向，起升為Z 方向，XYZ 的位置由WCS 位置編碼系統(tǒng)和起升的拉線(xiàn)式編碼器提供，使每一個(gè)工作位置都有獨(dú)有準(zhǔn)確的位置參數(shù)提供給Simotion 運(yùn)動(dòng)控制器。

在SimotionD 內(nèi)需要通過(guò)MCC 語(yǔ)言編程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)軸的控制，包括起動(dòng)、同步、定位、停止、信號(hào)處理等功能。運(yùn)動(dòng)控制器的邏輯控制部分將啟動(dòng)信號(hào)、位置指令和運(yùn)行速度傳輸至內(nèi)部伺服驅(qū)動(dòng)部分，驅(qū)動(dòng)部分的MCC 程序接收后將虛擬軸和實(shí)軸同步，起動(dòng)虛軸，按照預(yù)設(shè)的加速度加速至接收到的運(yùn)行速度向指定位置運(yùn)行。在接近指定位置時(shí)會(huì)自動(dòng)減速，到達(dá)指定位置時(shí)將減至零速，然后進(jìn)行微調(diào)，消除整車(chē)慣性影響，最終定位。

3 電氣安全保護(hù)功能

3.1 電氣安全保護(hù)功能

1）進(jìn)線(xiàn)電源過(guò)流保護(hù)功能：乏燃料水池操作機(jī)的進(jìn)線(xiàn)電源經(jīng)過(guò)一個(gè)帶過(guò)流保護(hù)的斷路器后接入整流回饋裝置。當(dāng)控制系統(tǒng)過(guò)流時(shí)，斷路器的過(guò)流保護(hù)觸發(fā)，將斷路器分?jǐn)?，切斷電源，避免過(guò)流損壞設(shè)備。

2）起升機(jī)構(gòu)超速保護(hù)功能：通過(guò)起升電機(jī)上的超速開(kāi)關(guān)可以設(shè)定電機(jī)最大轉(zhuǎn)速值，當(dāng)起升電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)設(shè)定值時(shí)，超速開(kāi)關(guān)動(dòng)作并發(fā)出報(bào)警信號(hào)至運(yùn)動(dòng)控制器，起升機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行，制動(dòng)器抱閘。

3）起升機(jī)構(gòu)超載保護(hù)功能：起升機(jī)構(gòu)設(shè)置兩個(gè)稱(chēng)重傳感器，配有電子秤，它具有重量顯示、失重保護(hù)、超載限制的功能。當(dāng)起升機(jī)構(gòu)負(fù)載超過(guò)電子秤設(shè)定的重量報(bào)警值時(shí)，電子秤將報(bào)警信號(hào)發(fā)至系統(tǒng)控制器，起升機(jī)構(gòu)將被限制上升功能，以保護(hù)設(shè)備。

4）起升機(jī)構(gòu)卷筒斷軸保護(hù)功能：在卷筒下部設(shè)置支承板，卷筒軸斷后卷筒支承在支承板上，觸發(fā)卷筒斷軸保護(hù)限位開(kāi)關(guān)，信號(hào)傳輸至運(yùn)動(dòng)控制器，引發(fā)控制器報(bào)警，起升機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行，制動(dòng)器抱閘。

5）起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩防疊繞保護(hù)功能：起升機(jī)構(gòu)于卷筒處設(shè)置防疊繞限位，安裝在防疊繞裝置上，當(dāng)卷筒上纏繞的鋼絲繩因跳槽等原因而出現(xiàn)疊繞時(shí)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作，信號(hào)傳輸至運(yùn)動(dòng)控制器，引發(fā)控制器報(bào)警，起升機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行，制動(dòng)器抱閘。

6）起升機(jī)構(gòu)過(guò)行程保護(hù)功能：起升機(jī)構(gòu)包含重錘限位、旋轉(zhuǎn)限位等行程保護(hù)設(shè)備，使起升機(jī)構(gòu)始終運(yùn)行在一個(gè)設(shè)定號(hào)的范圍內(nèi)，防止出現(xiàn)起升機(jī)構(gòu)過(guò)卷的情況。當(dāng)起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行至上下極限時(shí)，控制系統(tǒng)將使起升機(jī)構(gòu)停止向該方向繼續(xù)運(yùn)行，保障起升的安全。

7）起升機(jī)構(gòu)安全制動(dòng)器保護(hù)功能：安全制動(dòng)器安裝在卷筒軸上制動(dòng)盤(pán)上，同時(shí)有一套檢測(cè)系統(tǒng)配套，當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到120%超速、傳動(dòng)鏈損壞、停電或事故斷電時(shí)，控制系統(tǒng)立即控制安全制動(dòng)器上閘。在起升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈損壞后，可以使負(fù)載停止在20 cm的距離以?xún)?nèi)，確保負(fù)載不會(huì)因意外事故而墜落。

8）起升機(jī)構(gòu)電機(jī)過(guò)熱保護(hù)功能：起升電機(jī)內(nèi)部設(shè)置一組過(guò)熱保護(hù)，當(dāng)電機(jī)溫度超過(guò)過(guò)熱保護(hù)元件的設(shè)定值時(shí)，過(guò)熱保護(hù)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)至運(yùn)動(dòng)控制器，引發(fā)控制器報(bào)警，起升機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行[6]。

9）小車(chē)機(jī)構(gòu)過(guò)行程保護(hù)功能：小車(chē)機(jī)構(gòu)包含接近開(kāi)關(guān)限位、WCS 位置編碼系統(tǒng)等行程保護(hù)設(shè)備，使小車(chē)機(jī)構(gòu)始終運(yùn)行在一個(gè)設(shè)定好的范圍內(nèi)，設(shè)置出一個(gè)小車(chē)運(yùn)行的安全區(qū)域。當(dāng)小車(chē)機(jī)構(gòu)運(yùn)行至極限時(shí)，控制系統(tǒng)將使小車(chē)機(jī)構(gòu)停止向該方向繼續(xù)運(yùn)行，保障小車(chē)運(yùn)行的安全。

10）小車(chē)機(jī)構(gòu)電機(jī)過(guò)熱保護(hù)功能：小車(chē)電機(jī)內(nèi)部設(shè)置一組過(guò)熱保護(hù)，當(dāng)電機(jī)溫度超過(guò)過(guò)熱保護(hù)元件的設(shè)定值時(shí)，過(guò)熱保護(hù)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)至運(yùn)動(dòng)控制器，引發(fā)控制器報(bào)警，小車(chē)機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行。

11）大車(chē)機(jī)構(gòu)過(guò)行程保護(hù)功能：大車(chē)機(jī)構(gòu)包含接近開(kāi)關(guān)限位、WCS 位置編碼系統(tǒng)等行程保護(hù)設(shè)備，使大車(chē)機(jī)構(gòu)始終運(yùn)行在一個(gè)設(shè)定好的范圍內(nèi)，設(shè)置出一個(gè)大車(chē)運(yùn)行的安全區(qū)域。當(dāng)大車(chē)機(jī)構(gòu)運(yùn)行至極限時(shí)，控制系統(tǒng)將使大車(chē)機(jī)構(gòu)停止向該方向繼續(xù)運(yùn)行，保障大車(chē)運(yùn)行的安全[6]。

12）大車(chē)機(jī)構(gòu)電機(jī)過(guò)熱保護(hù)功能：大車(chē)每個(gè)電機(jī)內(nèi)部設(shè)置一組過(guò)熱保護(hù)，當(dāng)電機(jī)溫度超過(guò)過(guò)熱保護(hù)元件的設(shè)定值時(shí)，過(guò)熱保護(hù)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)至運(yùn)動(dòng)控制器，引發(fā)控制器報(bào)警，大車(chē)機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行。

13）控制緊急停止功能：在意外情況發(fā)生時(shí)，乏燃料水池操作機(jī)的運(yùn)行可以由操作員通過(guò)設(shè)置在人橋操作平臺(tái)或乏組件運(yùn)輸控制室內(nèi)的急停按鈕切斷操作機(jī)動(dòng)力電源，停止當(dāng)前操作機(jī)的動(dòng)作，避免事故的發(fā)生。所設(shè)置的急停開(kāi)關(guān)不區(qū)分優(yōu)先級(jí)，任一地點(diǎn)的急停開(kāi)關(guān)均可對(duì)水池操作機(jī)執(zhí)行斷電動(dòng)作。

3.2 聯(lián)鎖保護(hù)功能

1）各機(jī)構(gòu)動(dòng)作使能條件聯(lián)鎖：乏燃料水池操作機(jī)的每個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，程序中均有邏輯使能的聯(lián)鎖，對(duì)該機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信息進(jìn)行檢查，只有該機(jī)構(gòu)的所有信號(hào)均正常、滿(mǎn)足運(yùn)行條件時(shí)，程序才會(huì)使能該機(jī)構(gòu)，進(jìn)行正常動(dòng)作。若不滿(mǎn)足邏輯使能的聯(lián)鎖，操作機(jī)將不會(huì)使能該機(jī)構(gòu)，并在上位機(jī)中發(fā)出報(bào)警指示，將缺少條件告知操作員。

2）各機(jī)構(gòu)之間動(dòng)作運(yùn)行互鎖：操作機(jī)的起升機(jī)構(gòu)、大車(chē)機(jī)構(gòu)、小車(chē)機(jī)構(gòu)三個(gè)機(jī)構(gòu)通過(guò)程序聯(lián)鎖，無(wú)論在何種操作方式中，每個(gè)機(jī)構(gòu)均可單獨(dú)運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)行的情況。

3）各機(jī)構(gòu)運(yùn)行范圍聯(lián)鎖：起升機(jī)構(gòu)通過(guò)拉線(xiàn)編碼器、旋轉(zhuǎn)限位等信號(hào)的程序聯(lián)鎖，將起升的Z 向運(yùn)行控制在允許的范圍內(nèi)。大車(chē)和小車(chē)機(jī)構(gòu)通過(guò)位置編碼系統(tǒng)、行程限位等信號(hào)的程序聯(lián)鎖，將X 向和Y向的運(yùn)行控制在允許的范圍內(nèi)。并根據(jù)工藝流程需求設(shè)定操作機(jī)運(yùn)行的安全區(qū)域，使乏燃料水池操作機(jī)的運(yùn)行被限定在設(shè)定好的安全區(qū)域中。

4）操作機(jī)與燃料轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的聯(lián)鎖：乏燃料水池操作機(jī)的控制系統(tǒng)與燃料轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)通過(guò)Profinet 總線(xiàn)以及控制電纜相連進(jìn)行信號(hào)交互，操作機(jī)將狀態(tài)信息和故障信息傳給燃料轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，燃料轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)將控制信號(hào)、工作指令等傳給操作機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程聯(lián)鎖控制。

4 結(jié)語(yǔ)

乏燃料水池操作機(jī)是核電站乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，對(duì)電氣控制系統(tǒng)有著很高的要求，本文從控制系統(tǒng)組成、控制系統(tǒng)功能、控制原理及電氣安全保護(hù)幾個(gè)方面對(duì)它進(jìn)行了介紹，讓大家對(duì)核電站該類(lèi)起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，特別要認(rèn)識(shí)到核電類(lèi)起重機(jī)對(duì)高精度定位的需求和安全性方面的超高要求，以更好地研發(fā)乏燃料水池操作及專(zhuān)用抓具電氣控制。