朱 皓，董升國

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引言

大型機械設(shè)備長行程高精度的控制以及多個執(zhí)行機構(gòu)的匹配組合控制，在工業(yè)中有著大量的應(yīng)用需求。中國實驗快堆換料設(shè)備轉(zhuǎn)運機是反應(yīng)堆組件換料轉(zhuǎn)移的重要設(shè)備，對設(shè)備的運動速度、定位精度，以及機構(gòu)配合控制有著較高要求。轉(zhuǎn)運機是一個懸臂旋轉(zhuǎn)式抓取裝置，由支承柱、懸臂、導(dǎo)向柱、齒條和抓手組成。通過抓手與齒條的配合相對運動來完成核反應(yīng)堆組件的抓取及插入，通過導(dǎo)向柱的圓周運動來定位操作組件的位置[1]。

換料系統(tǒng)里面包括兩臺轉(zhuǎn)運機：轉(zhuǎn)運室轉(zhuǎn)運機和清洗室轉(zhuǎn)運機。轉(zhuǎn)運室轉(zhuǎn)運機位于轉(zhuǎn)運室里面，主要完成組件在轉(zhuǎn)換桶與堆內(nèi)裝卸料提升機之間的組件轉(zhuǎn)移；清洗室轉(zhuǎn)運機位于清洗室內(nèi)，其主要功能為完成乏組件從轉(zhuǎn)換桶至各清洗井及到水池通道的組件的轉(zhuǎn)移。

兩臺轉(zhuǎn)運機的機械結(jié)構(gòu)基本類似，控制系統(tǒng)的組成以及控制原理也基本相同，具體區(qū)別在于導(dǎo)向柱的定位點以及抓手和齒條的運行行程上存在一定的區(qū)別，本文主要介紹清洗室轉(zhuǎn)運機的控制系統(tǒng)設(shè)計。

1 轉(zhuǎn)運機控制系統(tǒng)功能

根據(jù)機械設(shè)備需要執(zhí)行的功能要求及動作特點，轉(zhuǎn)運機控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能如下：

1）定位控制功能。實現(xiàn)抓手、齒條和導(dǎo)向柱所要求的定位精度。

2）設(shè)備運動邏輯控制功能。通過控制程序保證設(shè)備的先后動作順序，如：組件抓、放過程中抓手和齒條的匹配運動。

3）轉(zhuǎn)運機控制系統(tǒng)具備就地控制和遠程控制方式，遠程控制時接收換料監(jiān)控系統(tǒng)的控制指令，實現(xiàn)轉(zhuǎn)運機抓、放和轉(zhuǎn)運組件功能。

4）采集和顯示轉(zhuǎn)運機傳感器信號，并實現(xiàn)設(shè)備運動聯(lián)鎖和保護功能。

5）電氣保護功能。主要包括：過流、接地、過電壓、電機超速、過力矩、輸入輸出缺相等。

2 轉(zhuǎn)運機控制系統(tǒng)設(shè)計

轉(zhuǎn)運機控制系統(tǒng)是以PLC作為邏輯控制核心，以伺服放大器作為運動定位核心的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)主要包含了CPU模塊、I/O模塊、計數(shù)組件以及定位組件等，主要完成傳感器信息采集、定位脈沖計算、聯(lián)鎖控制、定位指令下達等功能。交流伺服主要包括了伺服放大器、伺服電機、反饋編碼器等，以完成給定脈沖的定位控制，實現(xiàn)設(shè)備的精確定位。

控制原理框圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)運機控制原理框圖Fig.1 Block diagram of the control principle of the transfer machine

伺服定位系統(tǒng)采用三菱交流伺服實現(xiàn)高精度的定位控制。PLC將設(shè)備的定位距離轉(zhuǎn)換為指令脈沖，通過定位組件將指令脈沖輸出給伺服放大器，驅(qū)動伺服電機旋轉(zhuǎn)定位[2]。伺服電機端編碼器反饋位置脈沖至伺服放大器，構(gòu)成閉環(huán)定位系統(tǒng)。在負載端裝有增量型編碼器，把負載的實際位置脈沖信號反饋給PLC高速計數(shù)組件，用來與理論值比較，在伺服閉環(huán)定位完成后，判定最終的定位誤差。

2.1 轉(zhuǎn)運機驅(qū)動設(shè)計

伺服系統(tǒng)被定義為“以物體的位置、方位、姿勢等為控制量，組成能跟蹤目標(biāo)的任意變化的控制系統(tǒng)”。伺服機構(gòu)根據(jù)指令輸入目標(biāo)值，檢測當(dāng)前值并進行比較，采用使其差值變小的控制。交流伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動放大器、驅(qū)動馬達和檢測機構(gòu)組成。伺服馬達在設(shè)計上，較一般馬達更注重轉(zhuǎn)子的慣性力矩和電氣的響應(yīng)性，以便能響應(yīng)來自伺服放大器電壓、電流的急劇變化。另外，在組成上，驅(qū)動伺服馬達的伺服放大器也能準(zhǔn)確、快速地將速度、位置控制指令傳輸給馬達，相比于其他各種控制裝置，交流伺服系統(tǒng)具有響應(yīng)快、速度控制范圍廣、轉(zhuǎn)矩特性在高速運轉(zhuǎn)和低速運轉(zhuǎn)時恒定、最大轉(zhuǎn)矩大等特點。

轉(zhuǎn)運機屬于大型的機械設(shè)備，其啟動力矩大，且對設(shè)備的運動速度也有較高的要求，采用交流伺服控制系統(tǒng)能夠滿足轉(zhuǎn)運機的定位要求。轉(zhuǎn)運機的動作機構(gòu)包括了導(dǎo)向柱、抓手、齒條，采用3套伺服機構(gòu)和1個三軸的定位模塊來發(fā)送高頻定位脈沖。轉(zhuǎn)運機控制系統(tǒng)選用三菱的MRJ2S伺服放大器，其具有位置、速度和轉(zhuǎn)矩三重控制模式，可用于工業(yè)機械的高精度位置控制和平穩(wěn)的速度控制。通過伺服放大器面板，能進行系統(tǒng)的運行參數(shù)設(shè)定。清洗室轉(zhuǎn)運機的伺服放大器工作在位置控制模式。

以抓手的伺服驅(qū)動為例，當(dāng)抓手在上部停車位時，接收到觸摸屏面板或上游監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的下到位目標(biāo)指令后，PLC內(nèi)的邏輯程序根據(jù)當(dāng)前抓手的行程位置以及目標(biāo)位置的差值進行定位脈沖的計算，算出抓手全行程所需的定位脈沖數(shù)，然后將定位脈沖值及啟動指令下發(fā)給伺服定位系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)根據(jù)定位指令內(nèi)部形成閉環(huán)，分別通過電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)控制抓手在運行過程中的轉(zhuǎn)矩、速度和行程。在抓手動作初期，運行速度緩慢提升，達到額定轉(zhuǎn)速，中間主要行程區(qū)間段均運行在額定轉(zhuǎn)速，在靠近目標(biāo)位時提前進行減速，精確執(zhí)行完所有脈沖數(shù)的驅(qū)動，保證設(shè)備的高精度定位。PLC在檢測到抓手伺服定位完成的信號后，可進行下一步執(zhí)行機構(gòu)的動作。在轉(zhuǎn)運機抓手的終端設(shè)置了防止設(shè)備過沖和行程超限的保護傳感器，當(dāng)超限傳感器動作時，立即切斷伺服電源，使設(shè)備停車，保證設(shè)備安全。

2.2 傳感器設(shè)計

傳感器信號的反饋是定位控制系統(tǒng)中不可缺少的要素?？刂葡到y(tǒng)是根據(jù)傳感器信號的反饋來進行偏差減少的伺服控制，轉(zhuǎn)運機的機械實體安裝在密閉的空間里，里面充滿了惰性氣體，從外面無法觀看到設(shè)備運轉(zhuǎn)的具體情況，人也不能進入到其工作的空間里。因此，對于此類設(shè)備傳感器的設(shè)置就顯得更為復(fù)雜。

轉(zhuǎn)運機的傳感器包括了干簧管、自整角機以及編碼器，編碼器包括負載編碼器及電機編碼器。電機編碼器檢測電機的旋轉(zhuǎn)反饋給伺服放大器進行定位控制，負載編碼器裝載于機械進給軸上，檢測實際的定位行程，用來顯示定位值及定位完成后的定位誤差判定。表1是針對轉(zhuǎn)運機的抓手所設(shè)置的傳感器列表。

表1 抓手傳感器列表Table 1 List of gripper sensors

定位控制主要以編碼器反饋的值作為與目標(biāo)值比對的對象，抓手中有無自件的信號通過干簧管的信號檢測。SQ標(biāo)識的傳感器主要用作限位信號，當(dāng)限位信號動作時觸發(fā)停止信號。

2.3 控制配置

PLC是整個控制系統(tǒng)的控制核心，主要執(zhí)行設(shè)備傳感器的反饋信號的采集、控制邏輯的執(zhí)行以及動作指令的輸出，硬件配置見表2。

表2 PLC配置表Table 2 PLC Configuration table

定位控制組件接收PLC程序計算的定位脈沖數(shù)，向伺服放大器發(fā)送脈沖從而驅(qū)動伺服馬達旋轉(zhuǎn)。

輸入輸出組件用來將外部輸入信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進入PLC程序，將需要輸出的信號通過輸出組件變化為電信號輸出。

高數(shù)計數(shù)組件用來檢測負載編碼器的信號并進行計數(shù)，然后將數(shù)據(jù)傳送給PLC程序，PLC程序進行計算轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)的行程值。

由于轉(zhuǎn)運機控制系統(tǒng)處于換料系統(tǒng)的總線網(wǎng)絡(luò)中，需要接受上位的組件的指令信息，所以配置了總線網(wǎng)絡(luò)組件。

2.4 轉(zhuǎn)運機控制邏輯設(shè)計

轉(zhuǎn)運機控制有多種不同的操作模式，操作地點可分為就地觸摸屏上和遠程監(jiān)控界面上，動作模式可分為點動操作、單步動作、組合動作以及自動流程控制，其中點動操作只能在就地進行，自動流程控制只能在遠程進行。

1）點動操作

點動操作就是在點動模式下，通過按住動作按鈕使轉(zhuǎn)運機的某一個執(zhí)行機構(gòu)單方向慢速運動，松開按鈕則設(shè)備停止運動。點動模式下設(shè)備自身的超限聯(lián)鎖保護等依然有效，此操作模式多用于調(diào)試及檢修工況。

2）單步動作

通過在觸摸屏或遠程給出一次命令，單個執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)動作指令自動完成單步的動作定位，主要包括：抓手向上或向下、齒條的向上或向下、導(dǎo)向柱定位到某一個定位點。該過程中，由伺服驅(qū)動自動完成單個單機驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的啟動、加速、減速及精確停止到定位點的過程。

3）組合動作

組合動作是轉(zhuǎn)運機抓手和齒條機構(gòu)配合完成的功能，包括：

抓取組件：抓手向下—齒條向下—抓手向上—齒條向上。

插入組件：齒條向下—抓手向下—齒條向上—抓手向上。

組件浸鉛：齒條向下—抓手向下—抓手向上—齒條向上。

組合動作邏輯的設(shè)計上，必須保證各動作的先后順序及到位點的可靠性，轉(zhuǎn)運機的抓取組件是依靠抓手和齒條的相對運行來抓取和放下組件的，如果動作錯亂有可能導(dǎo)致組件的脫落。

4）自動控制流程

反應(yīng)堆的換料過程是多個換料設(shè)備協(xié)調(diào)動作完成的，轉(zhuǎn)運機是組件轉(zhuǎn)移過程中的一個設(shè)備。當(dāng)換料監(jiān)控系統(tǒng)進行自動換料流程后，會根據(jù)整體的換料流程邏輯，在需要轉(zhuǎn)運機參與執(zhí)行功能時，由主控PLC給轉(zhuǎn)運機控制系統(tǒng)下發(fā)導(dǎo)向柱定位、抓取組件、插入組件以及組件浸鉛指令，轉(zhuǎn)運機控制系統(tǒng)收到指令后，通過自身的邏輯保證動作的執(zhí)行，執(zhí)行完畢后反饋信息，整體換料流程繼續(xù)后面的步驟[3]。

5）定位脈沖補償邏輯

根據(jù)機械傳動原理，當(dāng)導(dǎo)向柱從原位（左端）順時針旋轉(zhuǎn)180°時，齒條會自動下移一定距離，抓手自動上移一定距離，抓手和齒條間形成一定值的相對位移。

這種位移是與導(dǎo)柱的轉(zhuǎn)角成正比的。在導(dǎo)柱旋轉(zhuǎn)時，齒條和抓手的負載編碼器是保持不動的。因此，需對齒條和抓手上下到位的行程進行補償，其目的是：無論導(dǎo)柱?？吭谀膫€站點，當(dāng)齒條和抓手都到達下位時，使它們與地面的距離（絕對高度）保持不變，以保證組件的抓取和插入操作是在同一高度上進行的。而當(dāng)它們都到達上位時，使齒條和抓手的相對位移為零，以保證能對抓手中的組件類型做出準(zhǔn)確判斷。

2.5 轉(zhuǎn)運機控制系統(tǒng)故障保護設(shè)計

故障監(jiān)視及保護是保證機械設(shè)備安全可靠運行的關(guān)鍵，轉(zhuǎn)運機控制系統(tǒng)通過采集現(xiàn)場傳感器以及讀取伺服定位模塊里的故障代碼，在控制系統(tǒng)里進行邏輯處理。根據(jù)轉(zhuǎn)運機的運動特點，設(shè)置如下的故障類型：

1）驅(qū)動故障

由伺服放大器給出，表示其驅(qū)動部分發(fā)生了故障。

2）行程故障

在定位完成后，定位誤差超出了規(guī)定范圍時，由程序根據(jù)設(shè)定的最大允許誤差判斷給出。

3）安全離合器故障

在導(dǎo)向柱、抓手和齒條的電動機與負載傳動之間安裝有安全離合器，當(dāng)傳動鏈或設(shè)備發(fā)生故障導(dǎo)致力矩過大，安全離合器會抬起，導(dǎo)致電動機與機械傳動分離，從而對設(shè)備進行保護。傳感器采用干簧管，每個安全離合器上安裝兩個干簧管，分別與離合器的嚙合位置和脫開位置相互對應(yīng)。

4）超時限故障

由于某種原因?qū)е麓判噪x合器打滑時，電機仍在旋轉(zhuǎn)而負載編碼器保持不動。這種狀況可通過程序來進行判斷，給出超時限故障信號。

5）通訊故障

通訊故障是指連接轉(zhuǎn)運機與主控PLC之間的現(xiàn)場總線的通訊發(fā)生故障。所有的故障發(fā)生時，轉(zhuǎn)運機控制系統(tǒng)程序自動做停機處理，保護設(shè)備及組件的安全。

3 總結(jié)

轉(zhuǎn)運機控制系統(tǒng)采用伺服驅(qū)動進行設(shè)備的定位控制，采用PLC進行設(shè)備的邏輯控制。通過合理的傳感器設(shè)置及驅(qū)動參數(shù)匹配，轉(zhuǎn)運機的各執(zhí)行機構(gòu)均可快速平穩(wěn)精確地完成動作定位。通過控制模式、動作邏輯以及故障保護的設(shè)計，轉(zhuǎn)運機可安全可靠地完成組件的抓放及轉(zhuǎn)移功能。該設(shè)備控制系統(tǒng)已經(jīng)在實際的換料中經(jīng)過了多次考驗，運行安全可靠。