舒艷榮，李波，裴圣旺，萬雪梅

（1.北京航天自動控制研究所，北京 100854；2.中國核電工程有限公司 儀控設(shè)計所，北京 100841）

1 概述

由于華龍一號堆型相對于二代改進型的核島廠房布置發(fā)生了諸多的變化，對燃料運輸系統(tǒng)最直接的影響就是轉(zhuǎn)運通道的延長，受限于燃料轉(zhuǎn)運艙長度的限制，現(xiàn)有的運輸小車驅(qū)動機構(gòu)及小車手動應(yīng)急機構(gòu)已經(jīng)不能滿足使用要求，運輸小車無法達到預(yù)定的工作位置，需要設(shè)計一種新型的燃料轉(zhuǎn)運裝置及其控制系統(tǒng)，使運輸小車能夠到達指定的工作位置，因此改為了轉(zhuǎn)運小車兩側(cè)接力傳動方式。伴隨著新的機械接力設(shè)計，電控系統(tǒng)增加了水下接力控制、防撞齒控制、拉線編碼器控制系統(tǒng)等內(nèi)容。針對上述燃料轉(zhuǎn)運裝置功能需求上發(fā)生的變化，結(jié)合以往工程項目的設(shè)計經(jīng)驗，燃料轉(zhuǎn)運裝置電控系統(tǒng)的科研設(shè)計重點和難點在于如何有效地保證設(shè)備安全接力、傳輸，使整個換料過程安全可靠。

2 燃料轉(zhuǎn)運裝置控制系統(tǒng)功能

2.1 接力控制系統(tǒng)的功能

燃料轉(zhuǎn)運裝置接力驅(qū)動控制系統(tǒng)主要功能是控制機械接力機構(gòu)完成燃料轉(zhuǎn)運裝置在燃料廠房（KX）與反應(yīng)堆廠房（RX）之間的運輸。主要包括以下環(huán)節(jié)。

燃料組件從燃料廠房（KX）運輸?shù)椒磻?yīng)堆廠房（RX）時，到達RX側(cè)接力位置，觸發(fā)RX水下接力限位開關(guān)，此時RX側(cè)接力離合器齒輪超越電機驅(qū)動軸開始轉(zhuǎn)動，電機驅(qū)動軸不動。

RX水下限位開關(guān)觸發(fā)，啟動RX側(cè)電機，驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，此時KX側(cè)電機并未停止，兩側(cè)電機以不同轉(zhuǎn)速同時運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)運裝置由KX側(cè)電機驅(qū)動。

RX側(cè)電機以略快于KX側(cè)電機的轉(zhuǎn)速運行，在RX側(cè)接力離合器轉(zhuǎn)動角度300°范圍內(nèi)完成接力（調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備接力一般發(fā)生在150°左右），此時轉(zhuǎn)運小車完全脫離KX側(cè)，由RX側(cè)電機驅(qū)動， KX側(cè)電機經(jīng)過防撞齒控制系統(tǒng)判定后停止，KX側(cè)離合器自動復(fù)位。

卸料過程與此基本相同，只是轉(zhuǎn)運方向相反。燃料轉(zhuǎn)運裝置接力驅(qū)動功能圖如圖1所示。

圖1 燃料轉(zhuǎn)運裝置接力驅(qū)動功能圖

2.2 防撞齒控制系統(tǒng)的功能

由于接力離合器的存在，轉(zhuǎn)運裝置小車在接力操作的時候有概率會跟離合器齒輪的齒尖部位碰撞，造成設(shè)備損壞。為了保證轉(zhuǎn)運小車能夠安全可靠地完成接力，保護運輸設(shè)備及燃料組件的完整性因此增加了防撞齒控制系統(tǒng)，用以控制機械的防撞齒檢測機構(gòu)運行。其主要功能是在轉(zhuǎn)運裝置小車完成接力后，自動調(diào)節(jié)脫離轉(zhuǎn)運小車一側(cè)的電機的停止位置，使接力離合器停在非撞齒位置。若停止于撞齒位置，則在下一個換料操作開始前啟動手動調(diào)節(jié)，避免了因齒輪齒尖與設(shè)備碰撞導(dǎo)致離合器損壞的問題。防撞齒控制系統(tǒng)硬件如圖2所示。

圖2 防撞齒控制系統(tǒng)硬件

2.3 控制系統(tǒng)功能需求分析

對雙層安全殼燃料轉(zhuǎn)運裝置接力及防撞齒控制系統(tǒng)的工藝技術(shù)要求和運行操作流程進行詳細分析，總結(jié)出所有的關(guān)鍵技術(shù)條件和控制接口，得到完整的燃料轉(zhuǎn)運裝置接力驅(qū)動及防撞齒控制系統(tǒng)功能需求，用以指導(dǎo)燃料轉(zhuǎn)運裝置接力驅(qū)動及防撞齒控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計。控制系統(tǒng)構(gòu)架如圖3所示。

圖3 燃料轉(zhuǎn)運裝置電控系統(tǒng)構(gòu)架

3 燃料轉(zhuǎn)運裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

燃料轉(zhuǎn)運裝置貫穿于兩個廠房之間，控制系統(tǒng)硬件包含了KX側(cè)及RX側(cè)。在每側(cè)的接力驅(qū)動機構(gòu)上配備2個非接觸式磁力限位開關(guān)，防撞齒檢測機構(gòu)上配備了1個槽型光電傳感器。

傳感器的信號通過硬接線傳送至接線箱，然后送入控制柜中的PLC進行邏輯判斷。兩側(cè)（KX側(cè)與RX側(cè)）的PLC通過以太網(wǎng)和硬接線進行通信及數(shù)據(jù)交換?？刂婆_上的操作開關(guān)、按鈕信號通過硬接線進入控制系統(tǒng)，利用操作臺人機界面進行顯示及控制。

上位機（人機界面）與PLC之間用以太網(wǎng)交換機相連，再通過調(diào)制解調(diào)器來實現(xiàn)KX側(cè)與RX側(cè)之間的數(shù)據(jù)通信，最終實現(xiàn)同側(cè)、對側(cè)之間的數(shù)據(jù)交互?？刂葡到y(tǒng)硬件配置如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)硬件配置圖

3.2 水下限位開關(guān)選型

水下限位開關(guān)需要根據(jù)機械軌道所預(yù)留的空間大小進行選型，也需要考慮限位開關(guān)最大感應(yīng)距離及磁鐵目標(biāo)物的尺寸。過大或過小的感應(yīng)距離均會對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響。華龍一號雙層安全殼轉(zhuǎn)運裝置水下限位開關(guān)均采用REEL的DIL-3水下接近開關(guān)。接力離合器如圖5所示，接力限位開關(guān)如圖6所示。

圖5 接力離合器

圖6 接力限位開關(guān)

3.3 槽型光電傳感器選型

槽型光電傳感器的選型根據(jù)防撞齒檢測機構(gòu)中圓型轉(zhuǎn)盤（如圖2）來選型，而且由于傳感器距離電機很近，在電機低速運轉(zhuǎn)的時候容易受到干擾，因此在安裝上也需要進行屏蔽處理。小車電機防撞齒限位采用Baumer的FGUM 050P6901/S35A槽型光電傳感器。

4 燃料轉(zhuǎn)運裝置控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)軟件平臺

燃料轉(zhuǎn)運裝置電控系統(tǒng)軟件采用Siemens Step 7及Wincc Flexible軟件平臺進行開發(fā)，Siemens Step 7是一種用于SIMATIC S7-300站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用梯形圖、功能塊等語句進行編程操作。

電控系統(tǒng)軟件包括上位機人機界面和下位機軟件兩部分。上位機畫面運行在一臺嵌入式工業(yè)觸摸屏上，實現(xiàn)對燃料轉(zhuǎn)運裝置各個控制環(huán)節(jié)的實時監(jiān)控、顯示及操作，其中包括接力驅(qū)動及防撞齒控制的顯示。

上位機軟件基于Wincc Flexible開發(fā)，它主要用于組態(tài)用戶界面以操作和監(jiān)視設(shè)備運行。在接力驅(qū)動及防撞齒控制系統(tǒng)中主要用到以下功能。

（1）過程可視化：在人機界面上顯示轉(zhuǎn)運裝置的位置。

（2）操作員對接力過程的控制：通過圖形界面控制接力過程及手動觸發(fā)防撞齒程序。

（3）顯示報警：燃料轉(zhuǎn)運裝置運行過程中遇到的如接力位置碰撞、通信模式中斷等報警均會在人機界面中顯示。

（4）用戶歸檔記錄功能：與報警顯示功能搭配使用，可記錄報警狀態(tài)、操作員登陸信息等，也可檢索以前產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

（5）過程和設(shè)備參數(shù)管理：可將所有用戶歸檔記錄的數(shù)據(jù)從人機界面下載到移動存儲設(shè)備或PLC中。

上位機畫面如圖7所示。

圖7 上位機畫面

下位機程序下裝在SIMATIC S7 PLC中運行。接力驅(qū)動及防撞齒控制系統(tǒng)的邏輯判斷都是靠下位機軟件完成的。上位機和下位機軟件之間采用TCP/IP協(xié)議，通過工業(yè)以太網(wǎng)進行通信，燃料廠房側(cè)與反應(yīng)堆廠房側(cè)之間通過以太網(wǎng)及硬接線冗余方式通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制指令的交互。

4.2 接力驅(qū)動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

水下接力控制程序的設(shè)計思路是在兩側(cè)（KX與RX）的接力區(qū)域各安裝兩個水下限位開關(guān)，作為設(shè)備接力操作的判斷條件之一，2個水下開關(guān)互為冗余，其中一個限位觸發(fā)，本側(cè)電機立即啟動。同時系統(tǒng)還加入了編碼器數(shù)據(jù)作為本側(cè)接力操作的另一個條件，轉(zhuǎn)運裝置運行到設(shè)定的位置時，本側(cè)電機啟動。兩個條件為“或”的關(guān)系，保證了其中一方故障時接力操作仍可繼續(xù)進行，提高系統(tǒng)的可靠性。

以轉(zhuǎn)運裝置從KX側(cè)出發(fā)前往RX側(cè)為例，當(dāng)轉(zhuǎn)運裝置進入RX側(cè)接力區(qū)域后，RX側(cè)電機啟動，但設(shè)備此時還是靠KX側(cè)的電機驅(qū)動，在兩側(cè)電機帶動下的各自離合器以不同的速率旋轉(zhuǎn)（RX側(cè)電機轉(zhuǎn)速略快于KX側(cè)電機），RX側(cè)離合器超越電機驅(qū)動軸運行，最終旋轉(zhuǎn)大約150°的位置完成接力，即RX側(cè)驅(qū)動轉(zhuǎn)運裝置。脫離轉(zhuǎn)運裝置小車的KX側(cè)電機執(zhí)行自動防撞齒程序，在滿足條件后停止。部分接力系統(tǒng)邏輯梯形圖如圖8所示。

圖8 接力邏輯梯形圖

圖9 防撞齒程序

4.3 防撞齒控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了解決由于接力操作帶來的離合器齒輪碰撞問題，機械上增加了一套防撞齒檢測機構(gòu)，同時電控系統(tǒng)中也增加了對應(yīng)的防撞齒控制程序。

主要設(shè)計思路是在兩側(cè)電機的防撞齒檢測機構(gòu)上各安裝1個槽型光電傳感器，用來檢測接力離合器齒輪是否處于“撞齒”位置，也是控制本側(cè)電機停止的判定條件之一?？刂葡到y(tǒng)采集光電傳感器的信號，當(dāng)轉(zhuǎn)運小車完成對側(cè)接力操作，脫離本側(cè)接力離合器的時候，依靠此信號判斷是否執(zhí)行電機停止命令。

電機停止命令的另一個判定條件是位置編碼器度數(shù)，即在程序設(shè)定的一個位置區(qū)間內(nèi)搜索光電傳感器信號，一旦傳感器在此區(qū)間觸發(fā)，本側(cè)電機立即停止。槽型光電傳感器的觸發(fā)條件為接收器接收到掃過圓形轉(zhuǎn)盤開槽的紅外射線。為確保不發(fā)生機械碰撞，控制系統(tǒng)增加了手動防撞齒檢測程序作為機械防撞的二次確認(rèn)。

以轉(zhuǎn)運裝置從KX側(cè)出發(fā)前往RX側(cè)為例，當(dāng)完成一次換料過程，小車再次前往RX側(cè)換料時，系統(tǒng)會在轉(zhuǎn)運裝置出發(fā)前檢測RX側(cè)接力離合器齒輪的狀態(tài)，若RX側(cè)槽型光電開關(guān)紅外射線未被障礙物遮擋，則認(rèn)為當(dāng)前齒輪未處于撞齒狀態(tài)，轉(zhuǎn)運裝置啟動，完成運輸工作。若紅外射線被障礙物遮擋，人機界面會彈出窗口提示需要執(zhí)行手動防撞齒程序，按照提示操作，最終只有在光電傳感器信號觸發(fā)時才可執(zhí)行換料操作。

綜上，防撞齒控制系統(tǒng)包含了自動防撞齒程序及手動防撞齒程序，大大提高了整個控制系統(tǒng)的安全可靠性，也進一步避免了轉(zhuǎn)運裝置在接力過程中發(fā)生機械碰撞，損壞關(guān)鍵設(shè)備。部分防撞齒程序如圖9所示，系統(tǒng)流程如圖10所示。

5 設(shè)備調(diào)試期間遇到的問題及解決辦法

在燃料轉(zhuǎn)運裝置調(diào)試過程中，設(shè)計人員在測試自動防撞齒程序時發(fā)現(xiàn)RX側(cè)離合器始終無法在“非撞齒”位置停止，相反的每次停止位置都距離用以檢測撞齒位置的不銹鋼槽非常遠，而控制系統(tǒng)程序執(zhí)行的內(nèi)容是光電傳感器掃過不銹鋼槽后發(fā)出停止命令，因此正常情況下每次停止位置都應(yīng)該在不銹鋼槽上。經(jīng)過設(shè)計人員反復(fù)試驗對比，發(fā)現(xiàn)問題出現(xiàn)在信號干擾上，導(dǎo)致光電傳感器在電機慢速運行時信號嚴(yán)重不穩(wěn)定，指示燈頻繁閃爍。而最簡單直接的辦法就是對光電傳感器進行絕緣處理，使其金屬安裝板不發(fā)生接觸，利用絕緣膠帶做隔離，最終解決了該問題。

圖10 接力驅(qū)動及防撞齒控制系統(tǒng)流程圖

6 結(jié)語

華龍一號燃料轉(zhuǎn)運裝置作為停堆換料期間燃料運輸及反應(yīng)堆運行期間隔離反應(yīng)堆廠房與燃料廠房的關(guān)鍵設(shè)備之一，承擔(dān)著燃料運輸環(huán)節(jié)安全可靠的重要任務(wù)，因此燃料轉(zhuǎn)運裝置電控系統(tǒng)的可靠性和安全性顯得尤為重要。與M310堆型相比，電控系統(tǒng)在設(shè)計合理性、可靠性以及人員的職業(yè)安全性等方面都有了較大提升。華龍一號燃料轉(zhuǎn)運裝置電控系統(tǒng)相比M310堆型具有如下特性。

（1）提升了設(shè)備的可靠性。伴隨機械設(shè)計的改進而帶來的風(fēng)險，電控系統(tǒng)需要通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿媽⑵浣档阶畹??？刂葡到y(tǒng)增加的水下接力冗余判斷、防撞齒判斷等新功能，確保整套設(shè)備安全可靠運行。

（2）提高了設(shè)計合理性。新增的拉線盒編碼器相對于軸編碼器來說，在接力位置測量的精度更高，彌補了軸編碼器因為雙側(cè)接力驅(qū)動切換而導(dǎo)致的位置數(shù)據(jù)偏差問題，而且安裝、拆卸方便，有效減少了現(xiàn)場安裝的時間成本。

[1]廖常初，陳曉東．西門子人機界面組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2008．

[2]姜建芳．西門子S7-300/400 PLC工程應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2012．