主從雙向驅動的燃料傳輸驅動裝置研究

2016-01-19 01:40:29，，，，，

機械與電子 2015年10期

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(中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室，四川成都 610041)

Design of the Fuel Transfer System Driving Device Based on Two-way Master/Slave Drive

WENG Songfeng, CHEN Shuhua, LUO Ying, HUANG Xindong, DONG Daili，MU Wei，HUANG Zongren

(Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory，Nuclear Power Institute

of China，Chengdu 610041，China)

主從雙向驅動的燃料傳輸驅動裝置研究

甕松峰，陳書華，羅英，黃新東，董岱林，穆偉，黃宗仁

(中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室，四川成都 610041)

Design of the Fuel Transfer System Driving Device Based on Two-way Master/Slave Drive

WENG Songfeng, CHEN Shuhua, LUO Ying, HUANG Xindong, DONG Daili，MU Wei，HUANG Zongren

(Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory，Nuclear Power Institute

of China，Chengdu 610041，China)

摘要：提出了一種基于主從雙向驅動的燃料傳輸驅動裝置，采用雙電機主從驅動和撓性驅動部件，可以適應燃料組件長距離傳輸要求，并可簡化傳輸系統(tǒng)。

關鍵詞：燃料傳輸系統(tǒng)；驅動裝置；主從驅動；長距離傳輸

收稿日期：2015-05-28

中圖分類號：TL353.3

文獻標識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)10-0023-03

Abstract：This paper presents a fuel transfer driving device based on double motor master/slave drive method to solve fuel long distance transfer, and simplify the transfer system.

作者簡介：甕松峰(1976-)，男，河南南陽人，高級工程師，碩士，研究方向為換料工藝及專用設備；陳書華(1984-)，男，江蘇漣水人，工程師，研究方向為換料工藝及專用設備。

Key words：fuel transfer system；driving equipment；master/slave servo drive；long-distance transfer

0引言

目前，國內在役和在建的輕水壓水堆核電廠，其反應堆廠房和燃料廠房(或輔助廠房)相鄰且間距很小，燃料傳輸距離也較短，其燃料傳輸系統(tǒng)采用電機驅動的齒輪齒條傳動機構，將電機的回轉運動轉化為運輸小車的直線運動，并通過變換電機轉向改變運輸小車運動方向，實現(xiàn)燃料組件在兩個廠房間傳輸。

1問題提出

某些堆型，如地下核電站，反應堆廠房與燃料廠房分別位于地下不同洞室，由于土建施工限制，洞室間距長達幾十米，若燃料傳輸系統(tǒng)采用齒輪齒條剛性傳動和單電機驅動，驅動齒條和容納齒條的傳輸通道長度將超過洞室間距，不僅會對設備制造、安裝和維護帶來困難，也會給土建施工帶來困難。

對于燃料組件需要長距離轉運的傳輸系統(tǒng)，驅動裝置是整個系統(tǒng)變化最大部分，也是傳輸系統(tǒng)需要解決的關鍵問題之一，是核燃料裝卸與貯存系統(tǒng)可行性的決定因素之一。

結合中國工程院咨詢項目“核電站反應堆及帶放射性的輔助廠房置于地下的可行性研究”，研究設計了一種主從雙向驅動的燃料傳輸驅動裝置，采用可變主從的雙電機驅動和撓性鋼絲繩傳動，解決燃料組件長距離廠房間水下傳輸問題，該裝置簡化了燃料傳輸系統(tǒng)。驅動裝置由2套傳輸卷揚系統(tǒng)構成，分別布置在燃料廠房和反應堆廠房。

2技術方案

傳輸驅動裝置驅動燃料組件容器在反應堆廠房和燃料廠房間往復運動，從而實現(xiàn)燃料組件在兩個廠房間轉運，裝置不僅要保證工作行程滿足轉運要求，而且還要運動平穩(wěn)，定位精確，確保轉運物項的安全。

2.1　傳輸驅動裝置構成

傳輸驅動裝置結構如圖1所示，燃料組件容器通過前后2根傳動鋼絲繩分別與反應堆廠房和燃料廠房的傳輸卷揚系統(tǒng)連接。

圖1　傳輸驅動裝

傳輸驅動裝置包括2套卷揚裝置，分別布置在反應堆廠房和燃料廠房，每套卷揚裝置包括驅動部件、傳動部件、卷揚部件、張力檢測器件等，燃料組件容器通過前后2根傳動鋼絲繩分別與反應堆廠房和燃料廠房的卷揚裝置連接。

工作時，主動電機通過傳動部件拖動燃料運輸容器運動，而從動電機根據速度和張力反饋被動跟蹤，保持鋼絲繩張力恒定，克服鋼絲繩撓曲，同時提高系統(tǒng)剛度，抑制震蕩，可以保證裝載燃料運行平穩(wěn)，防止過沖或滑出軌道。

此外，系統(tǒng)設計還采取了必要的安全措施，安全離合器可以避免由于系統(tǒng)過載造成設備損壞；手動操作機構在設備失電狀態(tài)可以操縱拖動容器運動；鋼絲繩不僅具有張力檢測，還有破斷檢測功能，多股鋼絲繩還能有效防止傳動失效。

2.2　控制系統(tǒng)構成

在反應堆廠房和燃料廠房分別設置有控制臺，用于設備操作、通信和人機交互；以西門子S7-317 PLC作為主控制器，控制器配置專門的PROFIBUS-DP接口并具有較強的浮點計算能力，通過CP 343通信模塊連接到工業(yè)以太網；伺服控制系統(tǒng)選用施耐德Lexium通用型伺服驅動器和BSH伺服電機，伺服驅動器集成有PROFIBUS-DP總線接口模塊，以普通的雙絞線作為通信介質；ET 200是基于PROFIBUS-DP的現(xiàn)場總線式分布I/O，可以實現(xiàn)與PLC毫秒級的高速通信，并能適應惡劣的環(huán)境條件。

控制系統(tǒng)以可編程序控制器(PLC)為核心，采用分層分布式的網絡結構如圖2所示。2臺工控機作為操作員工作站，與PLC進行通訊，并將數據存入數據庫，用于設備狀態(tài)監(jiān)視、系統(tǒng)故障診斷、報表數據生成以及操作指導等；PLC用于完成系統(tǒng)邏輯控制、運動控制、數據處理和通信聯(lián)網；PROFIBUS-DP總線負責對系統(tǒng)的伺服控制器、分布I/O進行管理，包括速度、力矩、位置等參數的命令傳送與設置，現(xiàn)場數據采集及設備控制；分布I/O將控制臺控制信號和現(xiàn)場輸入輸出信號進行采集并傳送到PLC，同時執(zhí)行PLC的控制指令，驅動現(xiàn)場設備工作。

圖2　控制系統(tǒng)網絡結構

3工作原理

3.1　工作步驟

以燃料組件從燃料廠房進入反應堆廠房為例，簡要介紹燃料傳輸系統(tǒng)工作原理。

a.因為運輸小車位于燃料廠房，故控制系統(tǒng)將反應堆廠房側驅動電機設置為主動電機，燃料廠房側驅動電機作為從動電機。

b.反應堆廠房側驅動電機工作，通過卷筒回轉帶動運輸小車從燃料廠房向反應堆廠房運動，從動電機根據張力檢測反饋信息修正速度指令，實現(xiàn)速度跟隨、張力恒定工作狀態(tài)。

c.行程開關指示運輸小車到達反應堆廠房翻轉位置，兩側電機停止運動，制動器工作，抱緊傳動軸，將運輸小車鎖定在固定位置，翻轉架有水平狀態(tài)翻轉為豎直狀態(tài)，即可進行燃料組件運輸容器裝料操作，完成后翻轉架恢復為水平狀態(tài)。

燃料組件從反應堆廠房進入到燃料廠房，工作步驟與上述布置類似，只需要將燃料廠房側驅動電機設置為主動電機，而反應堆廠房側驅動電機為從動電機。

3.2　控制原理

主從控制技術是指以需要同步驅動的幾個驅動單元中的一個驅動單元相關參數作為對象供其他驅動單元跟蹤，并達到同步狀態(tài)。大型機床主從驅動多采用剛性連接形式進行驅動，采用速度/轉矩耦合控制方法，即通過機械耦合產生的變形應力作為反饋進行調節(jié)；此外，驅動系統(tǒng)主動電機和從動電機在系統(tǒng)設計時大多已經固化，傳動方向固定，不需要在工作過程中調整主從設置[2-]3]。

而燃料傳輸驅動裝置采用柔性鋼絲繩連接，在工作過程，不僅需要保持主從電機的速度同步，還要保持作為保持纜的傳動鋼絲繩處于一定的張緊狀態(tài)，因此兩臺電機功率不平衡；此外，傳動方向還需要發(fā)生變化，因系統(tǒng)采用柔性傳動，只能通過改變電機主從角色的方式實現(xiàn)傳動方向變化。

研究根據燃料傳輸驅動裝置工作特殊要求，提出一種主從角色可互換的同步驅動方式，主動電機和從動電機角色并不固定，而是根據傳動方向轉換；因為采用柔性連接，主從電機允許存在瞬時微量的速度偏差，因此在功能上，主動電機負責控制系統(tǒng)的位置和速度，而從動電機負責跟隨和張力保持。

控制系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。主動電機和從動電機均采用位置控制模式，控制器同時向主動電機和從動電機給出位置給定值，主動電機根據位置反饋調節(jié)速度，保持實際速度與給定速度一致，此過程張力反饋環(huán)節(jié)無效；而從動電機則根據張力反饋，修正位置脈沖頻率，調節(jié)從動電機速度。