核電廠水泥固化線全自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱 皓，呂 寧，段天英，張喜梅

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

核電站放射性廢物的處理是關(guān)系到核電站運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，TES水泥固化線是采用水泥固化工藝將核電廠運(yùn)行過程中的放射性固體廢物（廢樹脂、濃縮液和廢過濾器芯子）進(jìn)行預(yù)處理、整備并形成穩(wěn)定的廢物貨包，以便于運(yùn)輸、暫存和處置的生產(chǎn)線。主要工藝流程包括金屬桶的傳輸、金屬桶的開蓋和封蓋、廢物的計(jì)量和預(yù)處理、廢物的裝桶、廢物的固化或固定、廢物桶的養(yǎng)護(hù)等。主要設(shè)備由輥道傳輸線、攪拌裝置、自動(dòng)開封蓋裝置、干混料輸送裝置、廢濾芯裝桶裝置等組成，水泥固化線的控制系統(tǒng)用于控制工藝系統(tǒng)高效、可靠運(yùn)行。

1 總體控制需求

水泥固化線共包括電動(dòng)和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)180余個(gè)，傳感器300余個(gè)。各執(zhí)行機(jī)構(gòu)均為運(yùn)動(dòng)負(fù)載，相對(duì)于風(fēng)機(jī)水泵等靜負(fù)載存在控制要求高、控制過程復(fù)雜等特點(diǎn)。

由于固化線處理廢物具有放射性，應(yīng)盡量減少人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的頻次和時(shí)間，特別是要防止裝桶廢物未封蓋前發(fā)生故障導(dǎo)致的設(shè)備停運(yùn)，控制系統(tǒng)需在設(shè)計(jì)上采取措施，提高生產(chǎn)線的可靠性及可監(jiān)控性。

為提高生產(chǎn)線的廢物處理效率，生產(chǎn)線上需同時(shí)對(duì)多個(gè)金屬桶進(jìn)行操作，包括轉(zhuǎn)移、開封蓋、裝桶、攪拌、暫存養(yǎng)護(hù)等動(dòng)作，需提高控制系統(tǒng)的集成度和自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)多設(shè)備緊密協(xié)同運(yùn)作，提高整條生產(chǎn)線的工作效率。

2 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

針對(duì)水泥固化生產(chǎn)線的工藝特點(diǎn)和控制需求，控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)主要考慮以下兩個(gè)方面：一是保證系統(tǒng)可靠性及可監(jiān)控性，通過合理地設(shè)置傳感器，并針對(duì)關(guān)鍵監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，同時(shí)利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性及可監(jiān)控性；二是提高控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，合理優(yōu)化自動(dòng)控制流程，減少人員操作，降低人因失誤，提高處理效率。

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

上層為組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，通過操作員站實(shí)現(xiàn)操作人員和控制系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話。通過監(jiān)控界面可實(shí)時(shí)監(jiān)控工藝流程的進(jìn)展，調(diào)整系統(tǒng)的工作參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的故障進(jìn)行診斷，通過數(shù)據(jù)采集的結(jié)果可以了解設(shè)備的工作狀況。

中間層為主控PLC以及輸入輸出模塊[1]，實(shí)現(xiàn)信息的采集、邏輯運(yùn)算和控制指令的下傳，控制系統(tǒng)的核心控制邏輯均由主控PLC實(shí)現(xiàn)。自帶控制器的攪拌裝置及取封蓋裝置通過總線與主控PLC通訊。

下層為電氣驅(qū)動(dòng)設(shè)備，包括常規(guī)斷路器加接觸器的控制驅(qū)動(dòng)回路，以及輥道的變頻驅(qū)動(dòng)回路，變頻器通過總線與主控PLC通訊，實(shí)現(xiàn)信息反饋及定位控制[2,3]。

2.2 軟件總體設(shè)計(jì)

2.2.1 控制模式

為同時(shí)保證工藝系統(tǒng)運(yùn)行過程中的自動(dòng)化程度及可操作的靈活性，水泥固化線的控制模式分為手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)3種。

手動(dòng)：可單獨(dú)操作任一設(shè)備動(dòng)作。

半自動(dòng)：按預(yù)定程序?qū)崿F(xiàn)工藝流程中某一部分功能的控制流程，每個(gè)半自動(dòng)的控制流程在本系統(tǒng)中設(shè)置為一個(gè)子任務(wù)。半自動(dòng)的劃分要根據(jù)涉及到的設(shè)備以及任務(wù)的相對(duì)獨(dú)立性合理劃分。

全自動(dòng)：?jiǎn)?dòng)后可自動(dòng)完成某一完整工藝流程，如指定廢物類型的攪拌固化全流程。

2.2.2 控制任務(wù)塊劃分及設(shè)計(jì)

任務(wù)塊的設(shè)置充分考慮處理不同廢物時(shí)，不同工況下對(duì)設(shè)備的操作要求，既要減少人為操作，提高自動(dòng)化程度，同時(shí)要增加操控靈活性，以及對(duì)于異常情況的處理。本系統(tǒng)通過合理設(shè)置半自動(dòng)子任務(wù)流程，全自動(dòng)流程全部由已有半自動(dòng)直接組合的控制邏輯實(shí)現(xiàn)。根據(jù)工藝處理流程以及設(shè)備的協(xié)調(diào)參與，本系統(tǒng)設(shè)置4大類共32個(gè)半自動(dòng)子任務(wù)，通過對(duì)子任務(wù)的順序控制組合出7個(gè)全自動(dòng)。

3 單機(jī)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

3.1 輥道驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

輥道的主要功能是實(shí)現(xiàn)金屬桶的雙向傳輸，所有的輥道都有傳輸功能。根據(jù)不同的定位點(diǎn)所需進(jìn)行的處理工藝，不同的輥道附加了一些輔助功能。水泥固化線共由14段輥道組成，共分為5類，分別是固定輥道、平移輥道、側(cè)移輥道、頂升輥道和頂升振動(dòng)輥道。

輥道的雙向傳輸既要保證5m/min的傳輸速度，又要保證5mm以內(nèi)的定位誤差，定位準(zhǔn)確才能保證金屬桶在相應(yīng)工位進(jìn)行工藝處理。為保證輥道在放射環(huán)境運(yùn)行的可靠性，每段輥道均設(shè)計(jì)了冗余的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可迅速切除故障電機(jī)，由備用電機(jī)驅(qū)動(dòng)輥道運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)輥道的高速運(yùn)行及精準(zhǔn)定位，輥道的控制信號(hào)由光電開關(guān)反饋，同時(shí)采用變頻調(diào)速加電機(jī)抱閘的控制方案。接收啟動(dòng)指令后，同時(shí)釋放抱閘并通過變頻器啟動(dòng)高速運(yùn)行，監(jiān)測(cè)到低速光電開關(guān)信號(hào)時(shí)切換運(yùn)行速度，監(jiān)測(cè)到到位光電開關(guān)信號(hào)時(shí)迅速停車并抱閘，防止設(shè)備慣性漂移。輥道的電氣控制原理圖如圖2所示。

3.2 攪拌控制設(shè)計(jì)

攪拌槳為雙螺旋行星攪拌裝置，兩根螺旋式的自轉(zhuǎn)槳安裝在圓形的轉(zhuǎn)盤上，螺旋槳自轉(zhuǎn)的同時(shí)，轉(zhuǎn)盤在進(jìn)行公轉(zhuǎn)，從而達(dá)到更均勻的攪拌效果。攪拌完成后自轉(zhuǎn)槳可振動(dòng)，使殘留在槳上的廢物落入金屬桶中，攪拌槳不需要工作時(shí)可提升至頂部，以免干涉金屬桶的傳輸。

攪拌槳的控制是水泥固化效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。攪拌槳裝置設(shè)置獨(dú)立的控制器，通過獨(dú)立控制器固化攪拌工藝及參數(shù)，主控PLC僅需下發(fā)啟動(dòng)攪拌指令，并實(shí)時(shí)接收攪拌狀態(tài)參數(shù)反饋，根據(jù)攪拌狀態(tài)控制干混料裝置進(jìn)行送料。

攪拌裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)共5個(gè)電機(jī)，分別控制公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)、提升以及振動(dòng)，振動(dòng)為雙電機(jī)，公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)為調(diào)速控制。自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過變頻器進(jìn)行控制。

在攪拌槳控制器中，對(duì)攪拌工藝流程進(jìn)行控制。控制方案采用順序邏輯控制，從接收到上游攪拌啟動(dòng)指令開始，進(jìn)行攪拌槳的下降，下降到一定位置后開始自轉(zhuǎn)，以及后續(xù)的分階段的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的匹配組合，期間通過總線通訊反饋攪拌階段和狀態(tài)參數(shù)，由主控PLC控制垂直及水平干混料輸送裝置匹配干混料的輸送，攪拌過程包括4次自動(dòng)加料和5個(gè)階段的攪拌。針對(duì)不同廢物的攪拌，各階段的攪拌時(shí)間以及攪拌轉(zhuǎn)速均不相同。

4 自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

4.1 水泥固化線的控制特點(diǎn)

控制方式及自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)需結(jié)合生產(chǎn)線自身的控制特點(diǎn)。本系統(tǒng)不同于核電常規(guī)的流體系統(tǒng)，主要是通過動(dòng)設(shè)備的協(xié)作完成特定的工藝處理。水泥固化線主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)多，驅(qū)動(dòng)形式多樣。

2）設(shè)備之間的閉鎖關(guān)系復(fù)雜。

3）多設(shè)備協(xié)作的順序控制，對(duì)批次及時(shí)序有較高要求。

4）異常工況有較高的自動(dòng)化干預(yù)處理能力，緊急工況下的報(bào)警、急停及退出機(jī)制。

4.2 半自動(dòng)控制流程設(shè)計(jì)

子任務(wù)的設(shè)置，需充分滿足不同工藝流程、不同工況下對(duì)設(shè)備操作的要求，同時(shí)要考慮子任務(wù)在不同工藝流程中的公用性。根據(jù)任務(wù)類型可將半自動(dòng)的子任務(wù)分為4大類，包括金屬桶定位流程子任務(wù)、裝料攪拌流程子任務(wù)、清洗流程子任務(wù)、取封蓋流程子任務(wù)。以金屬桶定位子任務(wù)為例，說明子任務(wù)控制流程的設(shè)計(jì)。

1）金屬桶定位功能子任務(wù)設(shè)置原則

金屬桶定位子任務(wù)設(shè)置時(shí)要充分考慮不同工況下金屬桶轉(zhuǎn)移的需求，在運(yùn)動(dòng)盡量簡(jiǎn)化的前提下，保證金屬桶的安全，主要設(shè)置原則包括如下幾條：

① 滿足所有工況下對(duì)不同起終點(diǎn)的金屬桶定位需求。

② 同時(shí)設(shè)備運(yùn)動(dòng)盡量精簡(jiǎn)。

③ 保障金屬桶在不同輥道過度地平穩(wěn)。

④ 兼顧部分輥道故障時(shí)金屬桶的應(yīng)急處理。

2）金屬桶定位光電傳感器的設(shè)置

金屬桶的定位主要依靠輥道上設(shè)計(jì)的光電傳感器來實(shí)現(xiàn)，且定位的過程中輥道的運(yùn)動(dòng)還需要光電傳感器的信號(hào)來調(diào)節(jié)速度。對(duì)于攪拌固化操作流程還需考慮8個(gè)桶在輥道上的堆棧，由于輥道長(zhǎng)度有限，需根據(jù)光電傳感器的設(shè)置來控制桶之間的間距，所以光電傳感器的合理設(shè)置對(duì)于金屬桶的定位至關(guān)重要，要在實(shí)現(xiàn)功能的情況下盡可能地減少傳感器的設(shè)置，惡劣環(huán)境下傳感器容易損壞，傳感器損壞將直接導(dǎo)致工藝流程無法進(jìn)行。輥道光電開關(guān)布置圖如圖3所示。

根據(jù)控制需求，分析光電開關(guān)主要實(shí)現(xiàn)如下幾類功能：

① 靠近金屬桶定位點(diǎn)時(shí)控制輥道減速。

② 到達(dá)定位點(diǎn)時(shí)控制輥道停止。

③ 進(jìn)入屏蔽門里面輥道上金屬桶計(jì)數(shù)。

④ 金屬桶在輥道上堆棧暫存時(shí)的間距控制。

⑤ 自動(dòng)控制任務(wù)執(zhí)行過程中設(shè)備啟停的銜接。

3）金屬桶定位子任務(wù)控制流程

根據(jù)工藝流程控制功能需求，結(jié)合子任務(wù)劃分的合理性，最終對(duì)于金屬桶不同起點(diǎn)和終點(diǎn)定位的子任務(wù)共劃分了24個(gè)。

以子任務(wù)2為例，子任務(wù)2的控制流程圖如圖4所示，起點(diǎn)A2點(diǎn)，終點(diǎn)E點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)過程中涉及到的設(shè)備包括：輥道2、4、6、9、10、11、12、輥道2鎖定裝置、輥道2和4止擋裝置、夾緊裝置。整個(gè)子任務(wù)在接受到啟動(dòng)信號(hào)后，自動(dòng)按流程圖中的功能塊根據(jù)傳感器的信號(hào)反饋依次執(zhí)行，部分設(shè)備存在同時(shí)并行的情況以縮短任務(wù)執(zhí)行時(shí)間。

4.3 全自動(dòng)控制流程設(shè)計(jì)

為減少編程量，提高程序利用效率，同時(shí)提高程序的可靠性和后期的調(diào)試工作量，全自動(dòng)流程實(shí)現(xiàn)采用半自動(dòng)子任務(wù)流程組合的形式來實(shí)現(xiàn)。編程時(shí)直接通過啟動(dòng)和完成信號(hào)按序驅(qū)動(dòng)各子任務(wù)程序塊執(zhí)行即可。所以半自動(dòng)程序在設(shè)計(jì)時(shí)需按功能塊進(jìn)行封裝，并合理地設(shè)置使能端和輸入輸出端。

全自動(dòng)的控制流程由半自動(dòng)的子任務(wù)流程組合而成，圖5所示是全自動(dòng)任務(wù)3濃縮液處理的全自動(dòng)控制流程。

5 結(jié)束語

水泥固化線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，充分結(jié)合系統(tǒng)設(shè)備多、工藝流程復(fù)雜的特點(diǎn)，通過靈活地設(shè)置子任務(wù)流程并對(duì)子任務(wù)進(jìn)行組合的方式實(shí)現(xiàn)了廢物處理流程的全自動(dòng)控制，使操作員能夠通過簡(jiǎn)單的操作實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的工藝處理過程，系統(tǒng)的自動(dòng)化程序達(dá)到較高的水平。該控制流程的設(shè)計(jì)已在多個(gè)核電站的水泥固化中應(yīng)用，很好地實(shí)現(xiàn)了水泥固化線全部工藝流程高效、可靠的自動(dòng)處理。