【摘 要】本文通過對核燃料元件廠化工生產線氣化罐自動裝料裝置改造項目中自動化儀表及控制系統(tǒng)的設計應用分析，論述在核燃料元件廠機電一體化設備設計中如何合理運用自動化技術，尤其是運動控制進行設計，以提高工廠自動化技術水平，達到提高生產效率、保證生產安全的目的。

【關鍵詞】氣化罐自動裝料裝置 PLC 變頻器 行程開關 運動控制

近年來，隨著我國加快核電站項目的投資和建設，大批核電機組正在規(guī)劃和建設中，這給我們國家核燃料元件生產廠也帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)，加快提高核燃料元件廠的生產效率和產品質量成為必然趨勢，關鍵設備的自動化水平的提高顯得尤其重要。

氣化工序是核燃料元件生產線中第一道重要工序，其核心設備就是氣化罐。氣化之前，需先將物料容器運入氣化罐，待氣化結束后再將空容器運出。過去的氣化罐裝料裝置是通過人工推動進料小車實現(xiàn)的，既費時費力，又缺乏安全保障。經過改造的氣化罐自動裝料裝置，料罐進出氣化罐的動作，以及氣化罐與進料小車鎖定、解鎖動作均可自動完成，極大地節(jié)省了人力，增加了裝置的可靠性，提高了該工序的自動化水平。

一、裝置結構及工作過程

（一）氣化罐自動裝料裝置結構簡介

氣化罐自動裝料裝置分軌道小車和運輸小車兩部分。運輸小車位于軌道小車下面，沿預埋在地面的鋼制軌道運行，運送軌道小車接近、遠離氣化罐；軌道小車沿運輸小車頂部軌道運行，承載著物料容器進、出氣化罐。

（二）氣化罐自動裝料裝置工作過程簡介

氣化罐自動裝料裝置的工作過程可分為4個階段：

1.進料前準備工作：氣化開始之前，確認各部件位于初始位置，

將物料容器吊裝上軌道小車，并打開氣化罐門；

2.進料階段：此階段又可分為3步。

第一步：運輸小車與軌道小車鎖定，運輸小車載軌道小車前進，到達氣化罐。

第二步：運輸小車與氣化罐鎖定，接著軌道小車載料罐前進進入氣化罐；

第三步：運輸小車與軌道小車解鎖，運輸小車與氣化罐解鎖，運輸小車退回初始位置；

3.關閉氣化罐門開始氣化。氣化階段完畢后，打開氣化罐門，觸發(fā)掛管開關SQ10；

4.出料階段：此階段也可分為3步。

第一步：運輸小車前進，到達氣化罐；

第二步：運輸小車與氣化罐鎖定，運輸小車與軌道小車鎖定，接著軌道小車與氣化罐解鎖，并載料罐后退退出氣化罐；

第三步：運輸小車與氣化罐解鎖，運輸小車載軌道小車退回初始位置；

進入下一循環(huán)。

二、控制系統(tǒng)設計

（一）控制原則

根據(jù)工藝要求和現(xiàn)場生產操作特點，制定相應的控制原則。氣化罐自動裝料裝置的控制原則為：在保證安全、滿足工藝操作要求的前提下，盡量選用技術先進、質量可靠、維護方便、性價比高的產品，運用簡捷、成熟、合理的控制方案來完成控制系統(tǒng)。

（二）控制方案

氣化罐自動裝料裝置的核心部件是兩臺正反轉驅動電機，分別通過變頻器進行啟停、變速控制。整套裝置設置一套PLC控制系統(tǒng)，變頻器狀態(tài)信號，行程開關、接近開關狀態(tài)信號等均接入PLC開關量輸入模塊；變頻器控制信號、氣缸電磁閥控制信號等則接受來自PLC開關量輸出模塊的命令。變頻器可通過RS-485串行端口與PLC進行通訊，實時上傳變頻器頻率、電壓、電流、電機轉速、轉速設定值、運行狀態(tài)等重要信息。

在現(xiàn)場氣化罐附近設一臺就地操作臺，就近對氣化罐自動裝料裝置進行操作控制。PLC、變頻器均布置在操作臺內。在操作臺面設置一臺10.4英寸觸摸屏，通過組態(tài)編程，可實現(xiàn)對氣化罐自動裝料裝置的自動、手動控制，以及檢修調試時對各個部件的特殊控制操作方案。操作臺上還設有急停按鈕，可在緊急情況下迅速關停所有運動部件，減少或避免事故的發(fā)生，保證人員和裝置的安全。

（三）控制類型

自動控制：正常工作狀態(tài)下，氣化罐自動裝料裝置可按照事先編制好的程序，自動循環(huán)工作。

手動控制：調試和故障處理時， 亦可由操作人員通過觸摸屏操作界面，對氣化罐自動裝料裝置各執(zhí)行機構直接輸出指令，單獨完成各項操作。

自動控制，包括邏輯控制，順序控制，和時序控制。根據(jù)輸入信號如行程開關，接近開關等的具體情況，經過PLC進行綜合處理，通過輸出模板驅動執(zhí)行機構，主要為變頻器、制動器、電磁閥等。

手動控制根據(jù)觸摸屏上的開關，按鈕的輸入情況，經過必要的聯(lián)鎖后，通過輸出模板單步驅動執(zhí)行機構，如變頻器、制動器、電磁閥等，并通過觸摸屏指示執(zhí)行機構的到位情況等。在進行手動控制操作時， 操作人員應盡量防止誤操作，組態(tài)時亦設置必要的聯(lián)鎖保護程序，避免誤動作的發(fā)生。

（四）控制要求

1.運動控制

（1）運輸小車

運輸小車前進、后退速度為18r/min；

運輸小車前進時，SQ3觸發(fā)后開始減速，SQ4觸發(fā)時電機停止；

運輸小車后退時，SQ2觸發(fā)后開始減速，SQ1觸發(fā)時電機停止；

SQ1，SQ2僅對運輸小車電機反轉起作用，SQ3，SQ4僅對運輸小車電機正轉起作用。

（2）軌道小車

軌道小車前進初速度為15r/min，當SQ7觸發(fā)后降速至3r/min；

SQ8觸發(fā)時電機以第二減速斜坡減速，SQ9觸發(fā)時電機停止；

軌道小車后退初速度為15r/min，當SQ6觸發(fā)后降速，SQ5觸發(fā)時電機停止；

SQ5，SQ6僅對軌道小車電機反轉起作用，SQ7，SQ8，SQ9僅對軌道小車電機正轉起作用。

（五）聯(lián)鎖及保護

1.電機聯(lián)鎖保護

運輸小車前進聯(lián)鎖條件，分兩種情況：

SQ5被觸發(fā)，說明上面有軌道小車，此時必須滿足：Q1處于伸出位，即SQ11動作；

SQ9被觸發(fā)，說明上面沒有軌道小車，此時必須滿足：Q1、Q3處于收回位，即SQ12、SQ16動作；

運輸小車后退聯(lián)鎖條件，分兩種情況：

SQ5被觸發(fā)，說明上面有軌道小車，此時必須滿足：Q2處于伸出位，即SQ13動作；

SQ9被觸發(fā)，說明上面沒有軌道小車，此時必須滿足：Q1、Q3處于收回位，Q2處于伸出位，即SQ12、SQ13、SQ16動作；

軌道小車前進聯(lián)鎖條件：Q1處于伸出位，Q2，Q3處于收回位，即SQ11、SQ14、SQ16動作；

軌道小車后退聯(lián)鎖條件：Q1、Q3處于伸出位，Q2處于收回位，即SQ11、SQ14、SQ15動作；

氣化罐內限位開關SQ10必須被觸發(fā)，運輸小車及軌道小車電機正轉或反轉動作才有效。

軌道小車電機，運輸小車電機，氣缸Q1，Q2，Q3禁止同時運行。

2.電機制動器聯(lián)鎖保護

當氣缸電磁閥動作5S后而相應行程開關未動作時，報警，并聯(lián)鎖所有電機制動器釋放，電機停止轉動；

按下緊急停止按鈕1SEG，相應電機制動器立即處于斷電釋放狀態(tài)，電機迅速停止轉動。

3.電機制動器保護

運輸小車及軌道小車電機配制動器。制動器帶電吸合，電機可自由轉動；制動器斷電釋放，電機制動。

實際運行過程中，當發(fā)生PLC故障、斷電及其它現(xiàn)場異常情況發(fā)生時，可通過程序自動聯(lián)鎖或設置在操作臺上的急停按鈕實現(xiàn)制動器動作，電機制動，避免因故障帶來的進一步損失。

制動器帶有制動螺栓，當總電源斷開時，可通過旋轉螺栓使制動器保持釋放，以便人力推動。運輸小車因維修等原因在軌道上初始位置被改變后應推回原位置，或重新調整運輸小車電機運轉時間。

（六）主要設備選型

可編程控制系統(tǒng)PLC選用ABB公司的AC31-90系列小型控制器，存儲器容量1MB，并支持插拔式SMC卡，1KB程序循環(huán)時間0.22ms。該款控制器集成了8路模擬量輸入AI通道，4路模擬量輸出AO通道，24路開關量輸入DI通道，16路開關量輸出DO通道，以及8路可轉換DI/DO輸入輸出通道。開關量輸入輸出通道最大可擴展至1040路，模擬量輸入輸出通道最大可擴展至232路。該款控制器還集成了2個串行通訊端口，并可選配多種標準現(xiàn)場總線接口卡，可用于連接觸摸屏及其它現(xiàn)場設備。

圖1

觸摸屏選用ABB公司的CP555系列10.4英寸彩色圖形文本操作面板，1600KB閃存，防護等級為IP65。觸摸屏通過RS-232串行總線與PLC通訊，經組態(tài)后可實時顯示現(xiàn)場各設備運行狀態(tài)、報警狀態(tài)、選擇控制方案、輸出控制指令等，并可提供實時時鐘、多組報警管理、趨勢圖、打印輸出報告、密碼保護等多種功能。

變頻器選用ABB公司的ACS140系列小功率變頻器。調速范圍：0～300Hz，并具有多種保護功能：過流、過壓、欠壓、過熱保護，輸出接地、短路保護，輸入缺相保護，短時過流限幅保護，電機過載保護，堵轉保護，掉電保護等。變頻器控制端子接線示意圖見圖1。

操作臺選用威圖公司的AP2666，就地端子箱也為該公司的相關產品。開關電源、空氣開關，按鈕，指示燈，接觸器、繼電器等元器件選用ABB公司的產品。

（七）軟件設計

1.編程組態(tài)軟件

PLC控制器的編程選用編程軟件包：907AC1131。

該軟件包提供以下功能：

6種編程語言：功能塊框圖FBD、語句表IL、梯形圖LAD、結構文本ST、順序功能流程圖SFC和連續(xù)功能流程圖CFC；

調試：用于一步步地執(zhí)行自動程序，包括設定斷點；

離線仿真：可以為一個外部的控制器進行仿真。 測試后，應用程序就可以被傳送到控制器內；

可視化組態(tài)：使用顏色變化、移動元件、位圖、文本顯示，設定控制器輸入值和過程變量顯示。 動態(tài)棒圖、報警、事件處理和功能鑰匙；

2.運行監(jiān)控畫面

操作臺上顯示終端的畫面分為：主畫面，動作監(jiān)視畫面，操作畫面， 參數(shù)設置畫面，報警記錄畫面，急停處理畫面共六種。

主畫面：用于氣化罐自動裝料裝置的初始化，并從此畫面進入其它子畫面，可以設置操作員密碼限制無權人員操作。

動作監(jiān)視畫面：用于在觸摸屏終端上模擬監(jiān)視設備動作的情況，包括氣缸原位、到位，電機正轉、反轉、停止，接近開關動作與否等。

操作畫面：用于進行自動或手動操作設備，其上設有觸摸開關，指示燈， 顯示各設備運行狀態(tài)。

參數(shù)設置畫面：用于人工輸入”速度”，”距離”，”批號”，”日期”，”操作員”等， 也可以對輸入，輸出通道進行組態(tài)更改。

報警記錄畫面：用于記錄當前報警的內容、時間、日期等，并可定制自動報表打印任務。

急停處理畫面：用于顯示急停按鈕按下后的狀態(tài)，給出有關的處理操作措施，便于人工恢復設備的正常運行。操作臺上急停按鈕按下后或事故停機后自動切換至此畫面。

3.運行程序

根據(jù)設備動作過程和聯(lián)鎖控制要求，編寫控制程序框圖，程序框圖是PLC編程依據(jù)，其邏輯應滿足工藝動作流程，并能防止多條件滿足時邏輯沖突。

三、結束語

該套以PLC為核心的控制系統(tǒng)在氣化罐自動裝料裝置上的應用以來，運行穩(wěn)定可靠，完全能夠滿足工藝要求。采用PLC控制系統(tǒng)進行生產線自動化改造，對加快燃料元件廠關鍵設備國產化并提高其自動化控制水平具有深遠和重要的意義。PLC的優(yōu)點是結構緊湊、技術成熟、編程簡單、調試方便、人機界面友好，可靠性高。掌握其設計關鍵步驟，將先進的控制技術合理地運用到核工業(yè)生產線上，能更好地提高核工業(yè)產品質量和生產效率，能更好地為國防現(xiàn)代化工業(yè)服務。

核燃料元件廠在自動化技術應用上還有很多不足之處，自動化水平尚不能滿足現(xiàn)代化工廠的需求，還有很大的發(fā)展空間，提高工廠生產自動化水平和管理水平，將是核化工行業(yè)設計者今后研究的一個重要課題。

作者簡介：

陶明杰（1981-），工程師，主要從事核燃料、核材料生產線及核電站核島部分自控儀表系統(tǒng)設計工作。