沈立鋒，熊 燦，王成東，李杏偉，羅 聰

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

隨著我國核電事業(yè)的快速發(fā)展，所產(chǎn)生的放射性核廢料也與日俱增，核工業(yè)自動化設(shè)備的應(yīng)用也越來越廣泛[1-2]。水泥固化線是核廢料處理的作業(yè)流水線[3-4]，其中自動開封蓋設(shè)備是水泥固化線的核心設(shè)備，其總體功能是采用10個螺栓擰緊機(jī)同時擰松/緊存放中、低放射性廢物鋼桶上的螺栓，將桶蓋與桶本體分離和回裝。由于現(xiàn)場環(huán)境具有放射性，操作人員只能遠(yuǎn)距離進(jìn)行控制[5]，因此在操作人員未能全方位觀測所有擰緊機(jī)工作狀態(tài)的情況下，對擰緊機(jī)的過程控制與故障診斷提出了更高的要求。

張峰等[6]采用故障模式及影響分析方法對自動開封蓋設(shè)備可能出現(xiàn)的所有故障原因及其影響進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致自動開封蓋裝置出現(xiàn)嚴(yán)重故障的關(guān)鍵因素是平移、提升和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，根據(jù)故障影響大小，判斷出驅(qū)動電動機(jī)失效是最為重要的故障模式。黃金鳳、薄晶杰和陳林等[7-9]以 “PLC+定位控制模塊”為核心，實現(xiàn)了自動開封蓋設(shè)備的伺服驅(qū)動與過程控制。上述研究僅對自動開封蓋設(shè)備整體驅(qū)動過程進(jìn)行了概述性研究，未深入對核心技術(shù)——擰緊技術(shù)進(jìn)行有針對性的研究。

為此，本文以自動開封蓋螺栓擰緊機(jī)為研究對象，研究開發(fā)一種新的擰緊技術(shù)，對螺栓的擰緊扭矩、擰入/出到位狀態(tài)、螺栓擰入/出圈數(shù)和扭矩過載狀態(tài)等進(jìn)行控制與監(jiān)測，在保證螺栓擰緊至指定扭矩的同時，能自動識別與診斷螺栓錯擰、漏擰等故障。

1 擰緊機(jī)主要結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)

自動開封蓋螺栓擰緊機(jī)主要由交流伺服電動機(jī)、行星減速機(jī)、扭矩限制器(含信號傳感器)、扭矩傳感器、伸縮式花鍵軸和螺栓擰入/出到位檢測傳感器等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 擰緊機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

擰緊機(jī)的伺服電動機(jī)高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動行星減速機(jī)實現(xiàn)低速大扭矩輸出，減速機(jī)輸出端驅(qū)動花鍵軸、套筒旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)擰入/出螺栓。

在運(yùn)行過程中，伺服電動機(jī)驅(qū)動器對電流、電壓、旋轉(zhuǎn)速度和圈數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，電動機(jī)一旦出現(xiàn)過流或過壓，驅(qū)動器可輸出報警信息。扭矩限制器信號傳感器對系統(tǒng)有無過載進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)扭矩限制器超出設(shè)定扭矩值時將自動打滑，觸發(fā)信號傳感器，發(fā)出報警信號的同時立即停機(jī)，以保護(hù)擰緊機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及電氣元件。扭矩傳感器用于實時監(jiān)測工作過程中扭矩值變化，可以設(shè)定螺釘最終擰緊扭矩值。擰入/出到位檢測傳感器配合花鍵軸的伸縮運(yùn)動可以實時檢測螺栓是否被完全擰入/出。

2 擰緊機(jī)控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

擰緊機(jī)控制系統(tǒng)采用基于MODBUS通信協(xié)議結(jié)構(gòu)，電氣部分主要由S7-200 SMART邏輯控制器、數(shù)據(jù)采集單元、伺服單元、扭矩測量單元、扭矩限制單位、擰入/出檢測單元及HMI人機(jī)界面組成(見圖2)。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在擰緊機(jī)運(yùn)行過程中，通過人機(jī)界面可以實時監(jiān)控當(dāng)前扭矩值，同時也可以對擰緊機(jī)擰緊扭矩進(jìn)行設(shè)定，并由主控PLC根據(jù)擰緊力大小自動調(diào)節(jié)擰緊速度，直到完成擰緊工作。

2.2 網(wǎng)絡(luò)與通信

主控PLC通過MODBUS協(xié)議與伺服驅(qū)動器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。MODBUS協(xié)議接口是標(biāo)準(zhǔn)RS232或RS485接口半雙工，主要用于控制器之間的通信[10]。通過此協(xié)議，2個控制器相互之間或控制器通過網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備可以進(jìn)行通信，協(xié)議定義了通信物理層、鏈路層及應(yīng)用層(見圖3)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)模型

用戶可以依照伺服驅(qū)動器通信數(shù)據(jù)區(qū)與MODBUS通信數(shù)據(jù)區(qū)的映射關(guān)系，實現(xiàn)伺服驅(qū)動器到MODBUS之間的數(shù)據(jù)透明通信，數(shù)據(jù)通信流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)通信流程圖

3 故障診斷

3.1 檢測對象定義

檢測對象包括扭矩限制器信號傳感器、扭矩傳感器、螺栓旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和擰入/出到位檢測，具體如下。

1)扭矩限制器信號傳感器。該信號傳感器主要是由扭矩限制器脫開打滑而觸發(fā)，即系統(tǒng)出現(xiàn)過載故障，因此在系統(tǒng)運(yùn)行的任意時刻，只要該信號傳感器觸發(fā)，系統(tǒng)都應(yīng)立即停機(jī)。本文扭矩限制器設(shè)定值為90 N·m。

2)扭矩傳感器。實時檢測扭矩變化的同時，可設(shè)定螺栓擰緊扭矩值。在擰螺栓的過程中，一旦扭矩值等于或略大于設(shè)定值，系統(tǒng)應(yīng)立即停機(jī)，此時默認(rèn)螺栓已擰至設(shè)定的扭矩值。本文扭矩傳感器設(shè)定值為80 N·m。

3)螺栓旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。伺服電動機(jī)自帶編碼器記錄電動機(jī)運(yùn)行脈沖數(shù)，計算出電動機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)再根據(jù)減速機(jī)減速比計算出套筒旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，即螺栓旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。螺栓規(guī)格尺寸確定后螺栓每次擰入/擰出的圈數(shù)都應(yīng)是一定值。但在實際擰螺栓的過程中，由于螺栓與螺孔的制造誤差、相對起始位置、套筒與螺栓間隙等因素，擰入/擰出的圈數(shù)為一范圍值。本文所用螺栓擰入/擰出的圈數(shù)理論值為13.2圈，系統(tǒng)設(shè)定值為11～16圈。當(dāng)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)超過設(shè)定的最大值時，系統(tǒng)應(yīng)立即停機(jī)，此時系統(tǒng)默認(rèn)無螺栓或螺紋滑絲。

4)擰入/出到位檢測。識別螺栓是否完全擰入/出，輔助診斷故障原因。

3.2 螺栓擰入過程故障診斷

在螺栓的擰入過程中，常見故障現(xiàn)象為無螺栓或螺紋滑絲、螺栓卡死等。任何一種故障現(xiàn)象出現(xiàn)時系統(tǒng)都能立即發(fā)出停機(jī)指令，以保護(hù)設(shè)備及螺栓免受損傷。螺栓擰入流程圖如圖5所示。

圖5 螺栓擰入流程圖

各故障現(xiàn)象判定條件如下。

1)系統(tǒng)過載。扭矩限制器信號傳感器被觸發(fā)。

2)無螺栓或滑絲。扭矩限制器信號傳感器未被觸發(fā)，扭矩傳感器監(jiān)測值小于設(shè)定值，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)大于最大值。

3)螺栓卡死。扭矩限制器信號傳感器未被觸發(fā)，扭矩傳感器監(jiān)測值達(dá)到設(shè)定值，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)小于最小值，擰入到位檢測無信號。

4)完全擰入。扭矩限制器信號傳感器未被觸發(fā)，扭矩傳感器監(jiān)測值達(dá)到設(shè)定值，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)介于最小值與最大值之間，擰入到位檢測有信號。

3.3 螺栓擰出過程故障診斷

與螺栓擰入類似，在螺栓的擰出過程中，常見故障現(xiàn)象同樣為無螺栓或螺紋滑絲、螺栓卡死等。螺栓擰出流程圖如圖6所示。

圖6 螺栓擰出流程圖

各故障現(xiàn)象判定條件如下。

1)系統(tǒng)過載。扭矩限制器信號傳感器被觸發(fā)。

2)螺栓卡死。扭矩限制器信號傳感器未被觸發(fā)，扭矩傳感器監(jiān)測值達(dá)到設(shè)定值。

3)無螺栓或滑絲。扭矩限制器信號傳感器未被觸發(fā)，扭矩傳感器監(jiān)測值小于設(shè)定值，擰出到位檢測無信號，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)大于最大值。

4)完全擰出。扭矩限制器信號傳感器未被觸發(fā)，扭矩傳感器監(jiān)測值小于設(shè)定值，擰出到位檢測有信號，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)介于最小值與最大值之間。

4 結(jié)語

通過對自動開封蓋裝置螺栓擰緊機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，對各種故障現(xiàn)象判定條件進(jìn)行討論，研究開發(fā)出一種新的過程控制與故障診斷系統(tǒng)。在擰螺栓的過程中能實時監(jiān)測擰緊扭矩、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)、擰入/出狀態(tài)等信息，同時系統(tǒng)能自動識別與診斷螺栓卡死、無螺栓等故障狀態(tài)，極大地提高了螺栓擰緊機(jī)的可靠性，保障了放射性廢物處理系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)非計劃檢修風(fēng)險和運(yùn)維人員介入的受照劑量。在實際生產(chǎn)中，可根據(jù)需要擴(kuò)展為多軸擰緊機(jī)，以提高生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益。