吳斌榮，王 遠(yuǎn)

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

自2014 年秦山第二核電廠1/2#機(jī)組裝卸料機(jī)完成升級改造工作后，秦二廠所有4 臺(tái)機(jī)組裝卸料機(jī)已經(jīng)全部采用美國PaR 公司裝卸料機(jī)控制系統(tǒng)，然而，由于1/2#機(jī)組未配置模擬機(jī)，造成1/2#機(jī)組操作臺(tái)只能在大修期間將操作臺(tái)安裝至現(xiàn)場后，才可進(jìn)行功能檢查，無法在大修前利用模擬機(jī)進(jìn)行功能檢查，占用了部分大修時(shí)間。

為使1/2#機(jī)組操作臺(tái)能夠連接至3/4#機(jī)組模擬機(jī)，本文從1/2#機(jī)組與3/4#機(jī)組裝卸料機(jī)電氣設(shè)計(jì)文件和PLC控制程序入手，分析二者在硬件和軟件上的差異，并探究如何消除差異，實(shí)現(xiàn)1/2#機(jī)組操作臺(tái)與3/4#模擬機(jī)的連接。

1 裝卸料機(jī)操作臺(tái)及模擬機(jī)系統(tǒng)簡介

1.1 裝卸料機(jī)操作臺(tái)

裝卸料機(jī)操作臺(tái)是RX 廠房裝卸料機(jī)系統(tǒng)的大腦，它由裝卸料機(jī)大車、小車、主提升以及與其相配套控制部件組成，是核電站停堆換料期間完成反應(yīng)堆換料的關(guān)鍵設(shè)備。裝卸料機(jī)控制系統(tǒng)采用雙處理器控制，其主要構(gòu)成包括：PLC 系統(tǒng)、上位機(jī)、載荷系統(tǒng)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1.2 模擬機(jī)系統(tǒng)

3/4#機(jī)組模擬機(jī)系統(tǒng)為一個(gè)獨(dú)立操作柜，能夠?yàn)檠b卸料機(jī)提供運(yùn)行過程中可能遇到的開關(guān)量及模擬量信息，同時(shí)接收來自操作臺(tái)的信號，可以近乎真實(shí)地模擬裝卸料機(jī)運(yùn)行過程。其內(nèi)部組成包括：電源、PLC、一臺(tái)帶有專用模擬畫面的觸摸屏工控機(jī)、4 臺(tái)伺服電機(jī)、編碼器、控制柜接口。

由模擬機(jī)系統(tǒng)組成可知，模擬機(jī)中并沒有配備與現(xiàn)場完全一致的硬件設(shè)備，因此需要對裝卸料機(jī)程序進(jìn)行適配后，才可與模擬機(jī)連接。

2 硬件差異可行性研究

2.1 硬件差異分析

2.1.1 PLC硬件組態(tài)差異分析

1/2#機(jī)組裝卸料機(jī)與3/4#機(jī)組裝卸料控制系統(tǒng)均采用GE 公司90-30 系列PLC，二者使用的CPU 卡件型號均為IC693CPU374。PLC 組態(tài)包括：輸電源卡件、 DeviceNet 掃描卡件、模擬量輸入卡件、開關(guān)量輸入卡件、開關(guān)量輸出卡件、繼電器輸出模塊、32 點(diǎn)邏輯輸出模塊。整體架構(gòu)由PLC1 和PLC2 兩部分組成，其中PLC1 主要負(fù)責(zé)采集運(yùn)行過程中安全級別較低的開關(guān)量、模擬量信號，同時(shí)負(fù)責(zé)對裝卸料機(jī)3 個(gè)方向電機(jī)進(jìn)行控制；PLC2 主要負(fù)責(zé)高級別安全保護(hù)信號的監(jiān)視工作。

通過分析二者PLC 硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)[1]可知，二者差異表現(xiàn)在：

1）3/4# 組 態(tài) 在PLC1/MainRack/slot3 位 置，相 比 于1/2#機(jī)組多1 塊DeviceNet 掃描模塊。

2）1/2#機(jī)組在PLC1/Rack1/slot9、slot10 位置，相比于3/4#機(jī)組多2 塊4mA ～20mA 輸入模塊。

研究二者原理圖可知，二者在PLC 硬件組態(tài)上的差異由載荷系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式差異造成：

a）1/2#機(jī)組載荷系統(tǒng)采用載荷元件信號經(jīng)載荷放大器后以4mA ～20mA 標(biāo)準(zhǔn)模擬量方式輸入PLC 進(jìn)行采集，主、冗余載荷信號分別接入不同模擬量卡件。

b）3/4#機(jī)組采用載荷元件信號經(jīng)載荷放大器后以DeviceNet 通訊方式進(jìn)行采集，主、冗余載荷信號分別接入不同DeviceNet 節(jié)點(diǎn)方式。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件差異分析

2.1.2.1 伺服驅(qū)動(dòng)器差異

1/2#機(jī)組裝卸料機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與3/4#機(jī)組裝卸料機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，但二者在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成上存在差異。其中，1/2#機(jī)組采用施耐德公司Altivar 71-383 型伺服驅(qū)動(dòng)器，3/4#機(jī)組采用GE 公司S2K 型伺服驅(qū)動(dòng)器。

2.1.2.2 電機(jī)差異

通過核實(shí)模擬機(jī)電機(jī)發(fā)現(xiàn)，模擬機(jī)中主提升、大車、小車所使用電機(jī)與1/2#機(jī)組完全一致，主提升電機(jī)型號為：BALDOR 300V 5.77kW 2000rpm，大車/小車電機(jī)型號為：BALDOR 300V 3.27kW 4000rpm，不存在差異。

2.1.3 控制柜接口差異分析

2.1.3.1 PLC I/O通道差異

PLC I/O 通道用于接收來自現(xiàn)場設(shè)備的信號輸入或?qū)LC 計(jì)算結(jié)果輸出至現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

分析1/2#機(jī)組裝卸料機(jī)原理圖及3/4#機(jī)組裝卸料機(jī)原理圖可知：

1）1/2#機(jī)組與3/4#機(jī)組裝卸料機(jī)在PLC1 組態(tài)及I/O 接口存在差異，二者差異表現(xiàn)在：①1/2#機(jī)組裝卸料機(jī)載荷信號采用4mA ～20mA 信號形式，使用地址為：主載荷%AI00006，冗余載荷%AI00011；②3/4#機(jī)組裝卸料機(jī)載荷信號采用DeviceNet 通訊方式，使用節(jié)點(diǎn)為：主載荷DeviceNet1（node2），冗余載荷DeviceNet2（node2）。

2）1/2#機(jī)組與3/4#機(jī)組裝卸料機(jī)在PLC2 組態(tài)及I/O接口完全一致，各接口名稱及地址完全一致。

2.1.3.2 控制柜電纜接口差異

裝卸料機(jī)控制柜接口[2]包括：就地設(shè)備I/O 接口、控制電源接口、電機(jī)電源接口、電機(jī)反饋信號接口、以太網(wǎng)接口、攝像機(jī)接口等?？刂乒耠娎|接口是否匹配，決定著1/2#機(jī)組控制柜是否能夠連接至3/4#機(jī)組模擬機(jī)。

由于功能硬件存在不同，1/2#機(jī)組控制柜相比于3/4#機(jī)組控制柜存在部分接口差異。差異可分為兩類：

1）功能減少：相比于3/4#機(jī)組，1/2#機(jī)組減少了水下燈電源接口（P4A），減少了套筒攝像頭（P26E）。

2）設(shè)計(jì)不同：①1/2#機(jī)組與3/4#機(jī)組載荷系統(tǒng)信號采集方式造成的不同（P8G、P24C）；②1/2#機(jī)組設(shè)計(jì)中未配置模擬機(jī)，因此相比于3/4#機(jī)組減少了模擬機(jī)通訊接口以太網(wǎng)（P25B）。

2.2 硬件差異可行性研究

2.2.1 PLC硬件組態(tài)差異可行性研究

模擬機(jī)內(nèi)未設(shè)計(jì)硬件載荷系統(tǒng)。3/4#機(jī)組裝卸料機(jī)操作臺(tái)與模擬機(jī)連接后，操作臺(tái)上載荷信息來源于模擬機(jī)上位機(jī)畫面中的設(shè)定值，模擬機(jī)將設(shè)定值通過EGD（Ethernet Global Data）通訊方式傳輸至操作臺(tái)。因此，只需建立1/2#機(jī)組操作臺(tái)與模擬機(jī)間EGD 通訊，即可完成載荷信號傳輸。PLC 硬件組態(tài)差異不會(huì)對1/2#機(jī)組操作臺(tái)連接模擬機(jī)造成影響。

2.2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)差異可行性研究

1/2#機(jī)組及3/4#機(jī)組在驅(qū)動(dòng)器電源供應(yīng)、方向控制、運(yùn)動(dòng)使能、電機(jī)反饋及控制等接線上完全一致，無需修改即可適配模擬機(jī)接口。

1/2#機(jī)組與3/4#機(jī)組模擬機(jī)使用的主提升、大/小車電機(jī)完全一致，1/2#機(jī)組已經(jīng)完成電機(jī)適配，只需在驅(qū)動(dòng)器上進(jìn)行電機(jī)自動(dòng)匹配，即可直接連接至模擬機(jī)。

綜上，驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)差異不會(huì)對2#機(jī)組操作臺(tái)連接模擬機(jī)造成影響。

2.2.3 接口差異可行性研究

P4A（水下燈電源）、P26E（套筒攝像頭）均不參與控制，不影響操作臺(tái)連接模擬機(jī)。

P8G（模擬量輸出）與P24C（DEVICENET2 TRUNK1）為二者載荷信號采集差異造成，由2.2.1 分析可知，二者差異不影響操作臺(tái)連接模擬機(jī)。

P25B（模擬機(jī)）接口為操作臺(tái)與模擬機(jī)專用EGD 通訊接口，1/2#機(jī)組均已預(yù)制模擬機(jī)接口。

綜上所述，1/2#機(jī)組與3/4#機(jī)組間硬件系統(tǒng)的差異，不影響1/2#機(jī)組連接至模擬機(jī)。

3 控制程序差異分析及適應(yīng)性修改

3.1 控制程序差異分析

1/2#機(jī)組裝卸料機(jī)是以3/4#機(jī)組裝卸料機(jī)為藍(lán)本設(shè)計(jì)優(yōu)化而來，二者具有相同的控制程序架構(gòu)。分析1/2#機(jī)組正式程序與3/4#機(jī)組模擬機(jī)程序[3]可知，1/2#機(jī)組控制程序中缺少部分適配模擬機(jī)所需內(nèi)容，包括：

1）未定義用于模擬主提升、大/小車編碼器比較故障的位置偏置變量%R03050、%R03054、%R03058。

2）未配置用于接收模擬機(jī)數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)ConsExch13 模塊，以及用于發(fā)送數(shù)據(jù)給模擬機(jī)的以太網(wǎng)ProdExch14 模塊。

3）未對大/小車、主提升編碼器分辨率“Counts Per Revolution”及編碼器旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)置。

4）未編寫用于模擬編碼器比較故障的主提升、大/小車位置偏置參數(shù)賦值程序。

5）未適應(yīng)性修改主提升、大/小車超速報(bào)警限值。

6）缺少模擬載荷比較故障相關(guān)程序。

3.2 控制程序適應(yīng)性修改

為使1/2#機(jī)組裝卸料機(jī)操作臺(tái)能夠在不改變3/4#機(jī)組模擬機(jī)前提下與模擬機(jī)對接，本文決定采用保持模擬機(jī)軟件及硬件系統(tǒng)不變，以1/2#機(jī)組裝卸料機(jī)程序?yàn)榛A(chǔ)，對1/2#機(jī)組程序進(jìn)行適應(yīng)性修改，完成1/2#機(jī)組控制臺(tái)與模擬機(jī)對接。修改內(nèi)容包括：

3.2.1 定義新增變量

定義EGD 以太網(wǎng)傳輸變量，如主提升偏置、大/小車偏置以及通訊狀態(tài)字。通過比對1/2#機(jī)組程序與3/4#機(jī)組裝卸料機(jī)專用程序可知，1/2#機(jī)組程序中需增加變量H_OFF（主提升偏置）、B_OFF（大車偏置）、T_OFF（小車偏置）、SIM_RCV_ST_WRD（Sim Receive Status Word）、SIMLDERR（Simulator Load Compare Error）。

表1 ENC_SET子程序修改清單Table 1 ENC_SET Subprogram modification list

3.2.2 配置用于接收模擬機(jī)數(shù)據(jù)的EGD以太網(wǎng)模塊

在Consumed Exchanges 中新建ConsExch13 模塊，設(shè)置通訊IP 地址為：129.0.0.6。配置接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址，包括：主載荷信號HLP_SIM，冗余載荷信號HLR_SIM，主提升位置偏置H_POS、大車位置偏置B_POS、小車位置偏置T_POS，以及模擬機(jī)狀態(tài)信號字SRB。

3.2.3 配置用于發(fā)送數(shù)據(jù)給模擬機(jī)的EGD以太網(wǎng)模塊

在Produced Exchanges 中新建PeodExch14 模塊，設(shè)置通訊IP 地址為：129.0.0.6。配置的發(fā)送數(shù)包括：大/小車、主提升坐標(biāo)以及裝卸料機(jī)狀態(tài)信號。

3.2.4 修改編碼器分辨率及旋轉(zhuǎn)方向

由于模擬機(jī)系統(tǒng)僅用于模擬現(xiàn)場設(shè)備動(dòng)作，未進(jìn)行實(shí)際移動(dòng)，因而可以適當(dāng)提高坐標(biāo)移動(dòng)速度，縮短裝卸料機(jī)動(dòng)作時(shí)間。在模擬機(jī)控制程序中，通過改變編碼器分辨率“Counts Per Revolution”數(shù)值，即可改變編碼器虛擬齒輪盤周長，從而改變電機(jī)輸出軸至編碼器減速比，實(shí)現(xiàn)提高速度運(yùn)行。同時(shí)，由于模擬機(jī)中編碼器旋轉(zhuǎn)方向與現(xiàn)場存在差別，需要修改編碼器方向設(shè)置。通過分析裝卸料機(jī)程序可知，編碼器設(shè)置子程序?yàn)椤癊NC_SET”，表1 為子程序修改內(nèi)容。

3.2.5 編寫主提升、大/小車位置偏置參數(shù)賦值運(yùn)算程序“SIM1”

主提升、大/小車位置偏置參數(shù)用于模擬裝卸料機(jī)運(yùn)行過程中各X、Y、Z 方向上主、冗余編碼器比較故障，由于1/2#機(jī)組裝卸料機(jī)正式程序中未進(jìn)行相應(yīng)配置，需要對其進(jìn)行適配。

1）經(jīng)核實(shí)分析，在2#機(jī)組PLC 程序中已經(jīng)存在用于模擬大/小車、主提升比較故障用的變量（BRSE、TRSE、HRSE），編寫SIM1 子程序?qū)哪M機(jī)通訊而來的冗余偏置數(shù)據(jù)賦值給相應(yīng)變量。

2）核實(shí)模擬比較計(jì)算模塊

因1/2#機(jī)組模擬比較計(jì)算PLC 子程序設(shè)定有查看密碼，無法直接查看相應(yīng)程序塊，本文利用Proficy 中參數(shù)搜索功能，將搜索結(jié)果中出現(xiàn)的算法與3/4#機(jī)組模擬機(jī)程序中相應(yīng)模塊進(jìn)行比對，用以確認(rèn)二者是否一致。

以參數(shù)HRSE 為例，搜索結(jié)果指示HRSE 應(yīng)用在3#機(jī)組模擬機(jī)程序H_ENCOD 子程序第4 行，使用模塊為“ADD DINT”，計(jì)算公式為：HPOUT+HRSE=HROUT。

在2#機(jī)組正式程序中搜索“HRSE”，其在2#機(jī)組中使用情況與3#機(jī)組模擬機(jī)程序中完全一致。

重復(fù)上述方法檢查TRSE、BRSE 可知，1/2#機(jī)組程序中已存在模擬比較計(jì)算模塊，并且與3/4#機(jī)組模擬機(jī)程序完全一致，無需增加。

3.2.6 修改主提升、大/小車超速報(bào)警限值

由于模擬機(jī)減速盒減速比與現(xiàn)場實(shí)際減速箱減速比存在差異，同時(shí)虛擬編碼器齒輪盤與實(shí)際齒輪盤大小存在差異，導(dǎo)致電機(jī)軸輸出至編碼器齒輪盤的線速度發(fā)生改變，需要重新設(shè)置主提升、大/小車超速限值。根據(jù)減速比與線速度關(guān)系，可以推導(dǎo)出模擬機(jī)超速限值計(jì)算公式：

查詢裝卸料機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)圖及模擬機(jī)圖紙可知1/2#機(jī)組與模擬機(jī)相應(yīng)編碼器周長及減速比數(shù)據(jù)，同時(shí)將原程序中大/小車、主提升超速報(bào)警限值代入上述公式，計(jì)算出報(bào)警 限 值：B_HIGH=2300,T_HIGH=1700,H_HIGH=1200， 將程序中報(bào)警限值按照計(jì)算結(jié)果修改。

3.2.7 添加模擬載荷比較模塊

1）在子程序SIM1 中，將從模擬機(jī)通訊而來的載荷比較功能啟用狀態(tài)位賦值給變量%M00394（Simulator Load Compare Error）。

2）在子程序H_LOADS 中添加模擬載荷比較計(jì)算模塊：當(dāng)模擬機(jī)給出“載荷比較錯(cuò)誤”信號時(shí)，模塊將冗余載荷傳感器數(shù)值+50kg，表達(dá)式為：LOAD_R=LOAD_R+50kg，用于產(chǎn)生載荷比較故障。

4 結(jié)論

本文通過分析1/2#機(jī)組裝卸料機(jī)與3/4#機(jī)組操作臺(tái)在硬件和控制程序方面差異，并提出針對性解決方法：建立以太網(wǎng)模塊、添加必要變量、修改源程序、匹配驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)等。可以清晰發(fā)現(xiàn)，1/2#機(jī)組操作臺(tái)與3/4#機(jī)組模擬機(jī)之間的對接完全可行。