自動開封蓋螺栓擰緊機的控制與故障診斷研究

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)

隨著我國核電事業的快速發展，所產生的放射性核廢料也與日俱增，核工業自動化設備的應用也越來越廣泛[1-2]。水泥固化線是核廢料處理的作業流水線[3-4]，其中自動開封蓋設備是水泥固化線的核心設備，其總體功能是采用10個螺栓擰緊機同時擰松/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。由于現場環境具有放射性，操作人員只能遠距離進行控制[5]，因此在操作人員未能全方位觀測所有擰緊機工作狀態的情況下，對擰緊機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備可能出現的所有故障原因及其影響進行了分析，發現導致自動開封蓋裝置出現嚴重故障的關鍵因素是平移、提升和旋轉機構，根據故障影響大小，判斷出驅動電動機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，實現了自動開封蓋設備的伺服驅動與過程控制。上述研究僅對自動開封蓋設備整體驅動過程進行了概述性研究，未深入對核心技術——擰緊技術進行有針對性的研究。

為此，本文以自動開封蓋螺栓擰緊機為研究對象，研究開發一種新的擰緊技術，對螺栓的擰緊扭矩、擰入/出到位狀態、螺栓擰入/出圈數和扭矩過載狀態等進行控制與監測，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 擰緊機主要結構及工作原理

1.1 主要結構

自動開封蓋螺栓擰緊機主要由交流伺服電動機、行星減速機、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，其結構如圖1所示。

圖1 擰緊機結構示意圖

1.2 工作原理

擰緊機的伺服電動機高速旋轉驅動行星減速機實現低速大扭矩輸出，減速機輸出端驅動花鍵軸、套筒旋轉，從而實現擰入/出螺栓。

在運行過程中，伺服電動機驅動器對電流、電壓、旋轉速度和圈數進行實時監測，電動機一旦出現過流或過壓，驅動器可輸出報警信息。扭矩限制器信號傳感器對系統有無過載進行實時監測，當扭矩限制器超出設定扭矩值時將自動打滑，觸發信號傳感器，發出報警信號的同時立即停機，以保護擰緊機的機械結構及電氣元件。扭矩傳感器用于實時監測工作過程中扭矩值變化，可以設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動可以實時檢測螺栓是否被完全擰入/出。

2 擰緊機控制系統

2.1 控制系統結構

擰緊機控制系統采用基于MODBUS通信協議結構，電氣部分主要由S7-200 SMART邏輯控制器、數據采集單元、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人機界面組成(見圖2)。

圖2 控制系統結構圖

在擰緊機運行過程中，通過人機界面可以實時監控當前扭矩值，同時也可以對擰緊機擰緊扭矩進行設定，并由主控PLC根據擰緊力大小自動調節擰緊速度，直到完成擰緊工作。

2.2 網絡與通信

主控PLC通過MODBUS協議與伺服驅動器進行數據交換。MODBUS協議接口是標準RS232或RS485接口半雙工，主要用于控制器之間的通信[10]。通過此協議，2個控制器相互之間或控制器通過網絡和其他設備可以進行通信，協議定義了通信物理層、鏈路層及應用層(見圖3)。

圖3 網絡模型

用戶可以依照伺服驅動器通信數據區與MODBUS通信數據區的映射關系，實現伺服驅動器到MODBUS之間的數據透明通信，數據通信流程圖如圖4所示。

圖4 數據通信流程圖

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、螺栓旋轉圈數和擰入/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，即系統出現過載故障，因此在系統運行的任意時刻，只要該信號傳感器觸發，系統都應立即停機。本文扭矩限制器設定值為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定值，系統應立即停機，此時默認螺栓已擰至設定的扭矩值。本文扭矩傳感器設定值為80 N·m。

3)螺栓旋轉圈數。伺服電動機自帶編碼器記錄電動機運行脈沖數，計算出電動機旋轉圈數再根據減速機減速比計算出套筒旋轉圈數，即螺栓旋轉圈數。螺栓規格尺寸確定后螺栓每次擰入/擰出的圈數都應是一定值。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/擰出的圈數為一范圍值。本文所用螺栓擰入/擰出的圈數理論值為13.2圈，系統設定值為11～16圈。當旋轉圈數超過設定的最大值時，系統應立即停機，此時系統默認無螺栓或螺紋滑絲。

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，常見故障現象為無螺栓或螺紋滑絲、螺栓卡死等。任何一種故障現象出現時系統都能立即發出停機指令，以保護設備及螺栓免受損傷。螺栓擰入流程圖如圖5所示。

圖5 螺栓擰入流程圖

各故障現象判定條件如下。

1)系統過載。扭矩限制器信號傳感器被觸發。

2)無螺栓或滑絲。扭矩限制器信號傳感器未被觸發，扭矩傳感器監測值小于設定值，旋轉圈數大于最大值。

3)螺栓卡死。扭矩限制器信號傳感器未被觸發，扭矩傳感器監測值達到設定值，旋轉圈數小于最小值，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，扭矩傳感器監測值達到設定值，旋轉圈數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

各故障現象判定條件如下。

1)系統過載。扭矩限制器信號傳感器被觸發。

2)螺栓卡死。扭矩限制器信號傳感器未被觸發，扭矩傳感器監測值達到設定值。

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

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

4 結語

通過對自動開封蓋裝置螺栓擰緊機的機械結構、控制系統進行設計，對各種故障現象判定條件進行討論，研究開發出一種新的過程控制與故障診斷系統。在擰螺栓的過程中能實時監測擰緊扭矩、旋轉圈數、擰入/出狀態等信息，同時系統能自動識別與診斷螺栓卡死、無螺栓等故障狀態，極大地提高了螺栓擰緊機的可靠性，保障了放射性廢物處理系統的運行穩定性，降低了系統非計劃檢修風險和運維人員介入的受照劑量。在實際生產中，可根據需要擴展為多軸擰緊機，以提高生產效率與經濟效益。