裝卸料機雙軸同步問題研究與改進(jìn)

丁全斌

（中核武漢核電運行股份有限公司，武漢 430070）

某核電站的幾次大修裝換料過程中，裝卸料機的大車運動由于雙軸不同步，其導(dǎo)向輪的軸承頻繁發(fā)生嚴(yán)重的擠壓磨損而損壞，導(dǎo)致裝卸料機運行時發(fā)出異響和振動，甚至出現(xiàn)啃軌的現(xiàn)象。由于電站不得不頻繁地暫停換料工作并更換導(dǎo)向輪，嚴(yán)重影響了裝換料工作的進(jìn)度和安全。因此，找出該問的根本原因并予以解決，對電站而言十分重要。

1 裝卸料機大車的結(jié)構(gòu)和控制方式

1.1 裝卸料機大車的基本結(jié)構(gòu)

裝卸料機是核電核裝卸料的重要設(shè)備，它需要較高的運行和定位精度，從而可以在堆芯或傾翻機等燃料位置的上方，抓取或插入燃料組件。

如圖1所示，裝卸料機的大車橫跨于換料水池兩側(cè)的軌道上，形成橋架式結(jié)構(gòu)，并驅(qū)動裝卸料機在水池上縱向運動。其兩側(cè)的端梁上各安裝有一個電機用來驅(qū)動橋架，一個（或一對）位置編碼器用來實時檢測橋架的位置。在一側(cè)的端梁兩頭的底部各有一對導(dǎo)向輪組件，每組導(dǎo)向輪的兩個輪子卡在軌道兩側(cè)，稱為大車的導(dǎo)向輪側(cè)。在安裝時，每個輪子與軌道之間設(shè)置一個合理的間隙，使橋架運動時有一定的自由度，同時又不至于過度偏離軌道或脫軌。

圖1 裝卸料機橋架Fig.1 Bridge of loader

1.2 裝卸料機大車運動的控制方式

該電站的裝卸料機大車的運動控制系統(tǒng)，是基于西門子可編程邏輯控制器（PLC）和交流伺服驅(qū)動裝置的控制系統(tǒng)。在裝換料操作時，控制系統(tǒng)驅(qū)動大車的兩個電機以一定的速度同步運動，在接近目標(biāo)位置時，減速并在到達(dá)時停止運動。其大車實際上是雙軸同步的控制方式，控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 雙軸同步控制框圖Fig.2 Block diagram of dual axis synchronous control

大車運動控制的基本原理：控制器將速度指令同時發(fā)送到兩側(cè)電機的驅(qū)動器，驅(qū)動電機運動，同時兩側(cè)位置編碼器實時反饋橋架位置。當(dāng)兩側(cè)位置出現(xiàn)偏差時，控制系統(tǒng)就會根據(jù)偏差修正非導(dǎo)向側(cè)電機的速度指令，形成主從式雙軸同步控制方式，使橋架非導(dǎo)向側(cè)能準(zhǔn)確跟隨導(dǎo)向側(cè)的位置。

2 裝卸料機大車雙軸不同步的原因分析

在裝卸料機運動時，觀察大車兩側(cè)位置編碼器的讀數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)電機速度不同步，致使非導(dǎo)向側(cè)位置逐漸提前于導(dǎo)向側(cè)，從而使大車導(dǎo)向輪受到較大的擠壓力。通過分析裝卸料機大車的運動控制方式可知，大車雙軸不同步的原因既可能是位置反饋測量的問題，也可能是控制算法的問題。反饋測量的精確性是控制系統(tǒng)可靠的前提條件，其可能存在的問題必須先排除。

裝卸料機位置反饋不準(zhǔn)確的可能原因有兩個：一是位置編碼器測量不準(zhǔn)。位置編碼器是通過齒盤與軌道的齒條嚙合，在裝卸料機移動時，齒盤帶動編碼器轉(zhuǎn)動，實時讀取橋架在軌道上的位置。當(dāng)齒條或編碼器的轉(zhuǎn)換系數(shù)不一致時，位置編碼器就會測不準(zhǔn)，從而使控制算法輸出錯誤的控制指令。二是編碼器標(biāo)零方法不當(dāng)。在電站換料前，需要先將裝卸料機置于物理基準(zhǔn)點位置，并將編碼器示數(shù)重置為基準(zhǔn)點的值，這個過程稱之為“標(biāo)零”。標(biāo)零前應(yīng)使裝卸料機大車歸正，各組導(dǎo)向輪兩側(cè)都有一定的間隙，否則就會使大車在運動中有較大的扭力，使系統(tǒng)出現(xiàn)較大的干擾。

通過對裝卸料機橋架位置測量系統(tǒng)的檢查校調(diào)，排除位置反饋測量問題后，其引起雙軸不同步的原因應(yīng)是控制算法不滿足要求。分析其同步控制邏輯，發(fā)現(xiàn)其控制策略為定值補償方式，即 ：當(dāng) Δd ＞ f時，V2out=（1 ± 0.02） ×V2con

其中，Δd——偏差；f——最大允許偏差；V2out——軸2算法輸出指令；V2con——軸2原速度指令。

即在一個PLC計算周期內(nèi)，當(dāng)偏差（軸1位置 - 軸2位置）＞允許誤差時，則軸2輸出速度指令 = 軸2輸入速度指令 ×（1 + 0.02）。如此循環(huán)，直到偏差＜允許誤差。這一控制算法十分簡單，PLC編程和計算量小，但它的調(diào)節(jié)速度慢、精度差，且易造成控制系統(tǒng)振蕩，不適應(yīng)裝卸料機雙軸同步控制系統(tǒng)。

3 控制算法的改進(jìn)與在PLC中的實現(xiàn)

3.1 算法的改進(jìn)

在工程上，雙軸同步控制有主從式、交叉耦合、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等方式，控制算法有比例積分微分（PID）控制算法、模糊控制算法等[1,2]。而PID控制因其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，且無需完全掌握控制對象的精確數(shù)學(xué)模型，從而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一[3]。

為使裝卸料機大車雙軸同步控制的性能滿足要求，同時對原有設(shè)計和系統(tǒng)的修改盡可能小，這里采用了主從式PID調(diào)節(jié)的控制算法，而交流伺服運動系統(tǒng)的響應(yīng)快，無慣性和延時組件。因此，僅使用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器即可。它不需要改變系統(tǒng)原有的設(shè)備和硬件，只需要將原來的定值控制方式修改為PI控制方式即可。

3.2 PI算法在PLC中的實現(xiàn)

連續(xù)系統(tǒng)中，PI算法的微分方程為：

其中，Td=Kt/ Kp。Kp為比例系數(shù)，Kt為積分系數(shù)。

在PLC中需要將其離散化。假設(shè)當(dāng)前采樣周期為第k次，則根據(jù)式（1）有：

同理，第k-1次采樣周期時有：

用式（2）減去式（3）可得PI控制器在一個采樣周期內(nèi)的增量為：

設(shè)調(diào)節(jié)前的輸入為u0，則PI算法在第k個采樣周期時輸出的離散方程式為：

其中，e(k)為第k個采樣周期時的偏差；e(k-1)為第k-1個采樣周期時的偏差。

根據(jù)式（5）的PI算法的離散方程式[3]，即可在PLC中編寫PI算法的程序。其部分程序段如下：

程序編寫完后，下裝到現(xiàn)場設(shè)備上，在現(xiàn)場對PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)進(jìn)行整定，得到最優(yōu)的控制參數(shù)。通過模擬換料工況的反復(fù)測試，大車動態(tài)過程中可觀察到的雙軸最大偏差在5mm以內(nèi)，運行停止時最大偏差在2mm以內(nèi)，完全滿足其同步誤差的要求。

4 總結(jié)

裝卸料機大車運行時雙軸的原因往往是復(fù)雜多樣的，可能有設(shè)計、安裝、調(diào)試不當(dāng)導(dǎo)致的缺陷，也可能是運行維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致設(shè)備“帶病”運行?，F(xiàn)場對設(shè)備運行時的狀態(tài)進(jìn)行了仔細(xì)的觀察記錄，對可能存在的各方面原因進(jìn)行認(rèn)真分析，逐個查找，耐心調(diào)校，不斷嘗試，最終找出其根本問題所在，并提出可行的解決方案，成功地解決了問題，確保電站燃料操作的安全可靠。

圖3 實現(xiàn)PI控制的部分梯形圖Fig.3 Partial ladder diagram of PI control