龐 研， 龐 毅

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

乏燃料水池操作機及專用抓具是核電站乏組件工藝運輸系統(tǒng)的關鍵設備之一，位于核島廠房內的乏燃料貯存水池大廳。乏燃料水池操作機及專用抓具控制系統(tǒng)的功能為：以電力驅動乏燃料水池操作機，在水池大廳操作范圍內指定位置對乏組件、控制棒組件、破損組件密封罐、薄壁密封筒進行轉運。

1 控制系統(tǒng)的組成及功能

1.1 控制系統(tǒng)的組成

乏燃料水池操作機及專用抓具的電氣控制系統(tǒng)主要由程序控制、伺服驅動、外部檢測、低壓配電等部分組成。程序控制部分包括SimitionD 運動控制器、CPU、數字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入輸出模塊、一體式上位機以及網絡交換機。伺服驅動部分包括整流回饋裝置、起升機構逆變器、大車機構逆變器、小車機構逆變器、起升伺服電機、大車伺服電機、小車伺服電機。外部檢測元件包括起升拉線式編碼器、大車WCS 位置編碼系統(tǒng)、小車WCS 位置編碼系統(tǒng)、卷筒絕對值編碼器、稱重測量裝置、外部限位等。低壓配電部分包括常用的斷路器、接觸器、開關電源等[1-2]，見圖1。

1.2 控制系統(tǒng)的功能

圖1 控制系統(tǒng)拓撲結構簡圖

程序控制部分包括PLC 與SimotionD 運動控制器，SimotionD 用于各機構的運動控制，PLC 用于乏燃料水池操作機各處信號的采集和處理、控制系統(tǒng)邏輯程序的處理和執(zhí)行。兩者之間通過Profinet 進行通訊，相比其他類型的通訊方式更為快速穩(wěn)定。現場的機械限位等信號通過硬線形式接入PLC 的IO輸入模塊，位置測量裝置信號通過通訊形式接入PLC。一體式上位機置于屏蔽室的遠程控制臺上，作為重要的人機交互界面。上位機用來顯示乏燃料水池操作機的實時狀態(tài)、歷史記錄和故障報警，并參與控制，操作員可以在上位機處進行運行位置選取、啟動命令、故障確認和復位等操作。只要上位機處在運行狀態(tài)，乏燃料水池操作機所有重要的狀態(tài)、報警和操作都會被記錄，并隨時可以查看歷史記錄，方便故障追溯。網絡交換機是控制系統(tǒng)的通訊總線輔助設備[3]，用來將乏燃料水池操作機控制系統(tǒng)中所用的Profinet 總線設備連接至總線，最終接入PLC 及SimotionD 運行控制器。在操作機上和遠程控制臺處各設置一個。

整流回饋裝置將380VAC 進線電源轉換為540VDC 兩線作為直流母線提供給各機構逆變器，并將各機構制動能量反饋回電網。其能夠對直流母線電壓進行調節(jié)，即使電網電壓波動也可以保持整流母線電壓的穩(wěn)定。逆變器由SimotionD 運動控制器控制，將直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟姡ㄟ^對頻率的改變，控制伺服電機的運行和速度調節(jié)。

外部檢測部分為各機構提供精確的位置反饋信息及安全保護。起升拉線式編碼器為起升機構提供精確的位置反饋信息。運行機構WCS 線性絕對值位置編碼系統(tǒng)為運行機構提供精確的位置反饋信息。稱量裝置能精確測量起吊重量并提供超載保護，當起吊重量為90%、100%、110%時，會發(fā)出報警，同時能輸出4～20 mA 重量信號至PLC[4]。

配電控制部分為其他各部分提供保護，包括過壓保護、欠壓保護、過載保護、短路保護等，防止設備因內部故障或外部電路問題而損壞，見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)功能

2 控制原理

在乏燃料水池操作機的高精度定位要求和安全性要求下，由于機械傳動誤差、干擾等問題的存在，傳統(tǒng)的開環(huán)控制和速度控制已經很難滿足定位控制的精度指標，因此需要采用伺服電機，采用高精度的全閉環(huán)位置控制。

伺服系統(tǒng)采用西門子運動控制系統(tǒng)SimotionD。它是基于驅動的運動控制系統(tǒng)。SimotionD 是集成了西門子S120 伺服驅動器的一個控制單元，可以方便與S120 驅動器的電機組件連接并帶有編碼器接口、PN 接口等控制通訊接口。

根據本設備機械結構，在運動控制器內部為起升和行走機構的4 個電機分別建立實軸，再建立起升、大車、小車3 個虛擬軸，令4 個實軸完全跟隨虛擬軸而動作，實現同步。其中起升和小車為1 個實軸跟隨1 個虛擬軸，大車為2 個實軸跟隨1 個虛擬軸。

建立XYZ 空間坐標系，以大車運行方向為X 方向，小車運行方向為Y 方向，起升為Z 方向，XYZ 的位置由WCS 位置編碼系統(tǒng)和起升的拉線式編碼器提供，使每一個工作位置都有獨有準確的位置參數提供給Simotion 運動控制器。

在SimotionD 內需要通過MCC 語言編程來實現對軸的控制，包括起動、同步、定位、停止、信號處理等功能。運動控制器的邏輯控制部分將啟動信號、位置指令和運行速度傳輸至內部伺服驅動部分，驅動部分的MCC 程序接收后將虛擬軸和實軸同步，起動虛軸，按照預設的加速度加速至接收到的運行速度向指定位置運行。在接近指定位置時會自動減速，到達指定位置時將減至零速，然后進行微調，消除整車慣性影響，最終定位。

3 電氣安全保護功能

3.1 電氣安全保護功能

1）進線電源過流保護功能：乏燃料水池操作機的進線電源經過一個帶過流保護的斷路器后接入整流回饋裝置。當控制系統(tǒng)過流時，斷路器的過流保護觸發(fā)，將斷路器分斷，切斷電源，避免過流損壞設備。

2）起升機構超速保護功能：通過起升電機上的超速開關可以設定電機最大轉速值，當起升電機轉速超過設定值時，超速開關動作并發(fā)出報警信號至運動控制器，起升機構停止運行，制動器抱閘。

3）起升機構超載保護功能：起升機構設置兩個稱重傳感器，配有電子秤，它具有重量顯示、失重保護、超載限制的功能。當起升機構負載超過電子秤設定的重量報警值時，電子秤將報警信號發(fā)至系統(tǒng)控制器，起升機構將被限制上升功能，以保護設備。

4）起升機構卷筒斷軸保護功能：在卷筒下部設置支承板，卷筒軸斷后卷筒支承在支承板上，觸發(fā)卷筒斷軸保護限位開關，信號傳輸至運動控制器，引發(fā)控制器報警，起升機構停止運行，制動器抱閘。

5）起升機構鋼絲繩防疊繞保護功能：起升機構于卷筒處設置防疊繞限位，安裝在防疊繞裝置上，當卷筒上纏繞的鋼絲繩因跳槽等原因而出現疊繞時，開關動作，信號傳輸至運動控制器，引發(fā)控制器報警，起升機構停止運行，制動器抱閘。

6）起升機構過行程保護功能：起升機構包含重錘限位、旋轉限位等行程保護設備，使起升機構始終運行在一個設定號的范圍內，防止出現起升機構過卷的情況。當起升機構運行至上下極限時，控制系統(tǒng)將使起升機構停止向該方向繼續(xù)運行，保障起升的安全。

7）起升機構安全制動器保護功能：安全制動器安裝在卷筒軸上制動盤上，同時有一套檢測系統(tǒng)配套，當檢測系統(tǒng)檢測到120%超速、傳動鏈損壞、停電或事故斷電時，控制系統(tǒng)立即控制安全制動器上閘。在起升機構傳動鏈損壞后，可以使負載停止在20 cm的距離以內，確保負載不會因意外事故而墜落。

8）起升機構電機過熱保護功能：起升電機內部設置一組過熱保護，當電機溫度超過過熱保護元件的設定值時，過熱保護將發(fā)出報警信號至運動控制器，引發(fā)控制器報警，起升機構停止運行[6]。

9）小車機構過行程保護功能：小車機構包含接近開關限位、WCS 位置編碼系統(tǒng)等行程保護設備，使小車機構始終運行在一個設定好的范圍內，設置出一個小車運行的安全區(qū)域。當小車機構運行至極限時，控制系統(tǒng)將使小車機構停止向該方向繼續(xù)運行，保障小車運行的安全。

10）小車機構電機過熱保護功能：小車電機內部設置一組過熱保護，當電機溫度超過過熱保護元件的設定值時，過熱保護將發(fā)出報警信號至運動控制器，引發(fā)控制器報警，小車機構停止運行。

11）大車機構過行程保護功能：大車機構包含接近開關限位、WCS 位置編碼系統(tǒng)等行程保護設備，使大車機構始終運行在一個設定好的范圍內，設置出一個大車運行的安全區(qū)域。當大車機構運行至極限時，控制系統(tǒng)將使大車機構停止向該方向繼續(xù)運行，保障大車運行的安全[6]。

12）大車機構電機過熱保護功能：大車每個電機內部設置一組過熱保護，當電機溫度超過過熱保護元件的設定值時，過熱保護將發(fā)出報警信號至運動控制器，引發(fā)控制器報警，大車機構停止運行。

13）控制緊急停止功能：在意外情況發(fā)生時，乏燃料水池操作機的運行可以由操作員通過設置在人橋操作平臺或乏組件運輸控制室內的急停按鈕切斷操作機動力電源，停止當前操作機的動作，避免事故的發(fā)生。所設置的急停開關不區(qū)分優(yōu)先級，任一地點的急停開關均可對水池操作機執(zhí)行斷電動作。

3.2 聯(lián)鎖保護功能

1）各機構動作使能條件聯(lián)鎖：乏燃料水池操作機的每個機構運行時，程序中均有邏輯使能的聯(lián)鎖，對該機構的狀態(tài)信息進行檢查，只有該機構的所有信號均正常、滿足運行條件時，程序才會使能該機構，進行正常動作。若不滿足邏輯使能的聯(lián)鎖，操作機將不會使能該機構，并在上位機中發(fā)出報警指示，將缺少條件告知操作員。

2）各機構之間動作運行互鎖：操作機的起升機構、大車機構、小車機構三個機構通過程序聯(lián)鎖，無論在何種操作方式中，每個機構均可單獨運行，不會出現兩個機構同時運行的情況。

3）各機構運行范圍聯(lián)鎖：起升機構通過拉線編碼器、旋轉限位等信號的程序聯(lián)鎖，將起升的Z 向運行控制在允許的范圍內。大車和小車機構通過位置編碼系統(tǒng)、行程限位等信號的程序聯(lián)鎖，將X 向和Y向的運行控制在允許的范圍內。并根據工藝流程需求設定操作機運行的安全區(qū)域，使乏燃料水池操作機的運行被限定在設定好的安全區(qū)域中。

4）操作機與燃料轉運系統(tǒng)的聯(lián)鎖：乏燃料水池操作機的控制系統(tǒng)與燃料轉運系統(tǒng)通過Profinet 總線以及控制電纜相連進行信號交互，操作機將狀態(tài)信息和故障信息傳給燃料轉運系統(tǒng)，燃料轉運系統(tǒng)將控制信號、工作指令等傳給操作機實現遠程聯(lián)鎖控制。

4 結語

乏燃料水池操作機是核電站乏燃料轉運的關鍵設備之一，對電氣控制系統(tǒng)有著很高的要求，本文從控制系統(tǒng)組成、控制系統(tǒng)功能、控制原理及電氣安全保護幾個方面對它進行了介紹，讓大家對核電站該類起重機的電氣控制系統(tǒng)有一個清晰的認識，特別要認識到核電類起重機對高精度定位的需求和安全性方面的超高要求，以更好地研發(fā)乏燃料水池操作及專用抓具電氣控制。