秦二廠1/2號裝卸料機操作臺與模擬機對接的可行性研究

吳斌榮，王 遠

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

自2014 年秦山第二核電廠1/2#機組裝卸料機完成升級改造工作后，秦二廠所有4 臺機組裝卸料機已經全部采用美國PaR 公司裝卸料機控制系統，然而，由于1/2#機組未配置模擬機，造成1/2#機組操作臺只能在大修期間將操作臺安裝至現場后，才可進行功能檢查，無法在大修前利用模擬機進行功能檢查，占用了部分大修時間。

為使1/2#機組操作臺能夠連接至3/4#機組模擬機，本文從1/2#機組與3/4#機組裝卸料機電氣設計文件和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，實現1/2#機組操作臺與3/4#模擬機的連接。

1 裝卸料機操作臺及模擬機系統簡介

1.1 裝卸料機操作臺

裝卸料機操作臺是RX 廠房裝卸料機系統的大腦，它由裝卸料機大車、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堆換料的關鍵設備。裝卸料機控制系統采用雙處理器控制，其主要構成包括：PLC 系統、上位機、載荷系統、伺服電機驅動系統。

1.2 模擬機系統

3/4#機組模擬機系統為一個獨立操作柜，能夠為裝卸料機提供運行過程中可能遇到的開關量及模擬量信息，同時接收來自操作臺的信號，可以近乎真實地模擬裝卸料機運行過程。其內部組成包括：電源、PLC、一臺帶有專用模擬畫面的觸摸屏工控機、4 臺伺服電機、編碼器、控制柜接口。

由模擬機系統組成可知，模擬機中并沒有配備與現場完全一致的硬件設備，因此需要對裝卸料機程序進行適配后，才可與模擬機連接。

2 硬件差異可行性研究

2.1 硬件差異分析

2.1.1 PLC硬件組態差異分析

1/2#機組裝卸料機與3/4#機組裝卸料控制系統均采用GE 公司90-30 系列PLC，二者使用的CPU 卡件型號均為IC693CPU374。PLC 組態包括：輸電源卡件、 DeviceNet 掃描卡件、模擬量輸入卡件、開關量輸入卡件、開關量輸出卡件、繼電器輸出模塊、32 點邏輯輸出模塊。整體架構由PLC1 和PLC2 兩部分組成，其中PLC1 主要負責采集運行過程中安全級別較低的開關量、模擬量信號，同時負責對裝卸料機3 個方向電機進行控制；PLC2 主要負責高級別安全保護信號的監視工作。

通過分析二者PLC 硬件組態結構[1]可知，二者差異表現在：

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

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

研究二者原理圖可知，二者在PLC 硬件組態上的差異由載荷系統數據采集方式差異造成：

a）1/2#機組載荷系統采用載荷元件信號經載荷放大器后以4mA ～20mA 標準模擬量方式輸入PLC 進行采集，主、冗余載荷信號分別接入不同模擬量卡件。

b）3/4#機組采用載荷元件信號經載荷放大器后以DeviceNet 通訊方式進行采集，主、冗余載荷信號分別接入不同DeviceNet 節點方式。

2.1.2 驅動系統硬件差異分析

2.1.2.1 伺服驅動器差異

1/2#機組裝卸料機驅動系統與3/4#機組裝卸料機驅動系統均采用伺服電機驅動方式，但二者在伺服驅動系統組成上存在差異。其中，1/2#機組采用施耐德公司Altivar 71-383 型伺服驅動器，3/4#機組采用GE 公司S2K 型伺服驅動器。

2.1.2.2 電機差異

通過核實模擬機電機發現，模擬機中主提升、大車、小車所使用電機與1/2#機組完全一致，主提升電機型號為：BALDOR 300V 5.77kW 2000rpm，大車/小車電機型號為：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場設備的信號輸入或將PLC 計算結果輸出至現場執行機構。

分析1/2#機組裝卸料機原理圖及3/4#機組裝卸料機原理圖可知：

1）1/2#機組與3/4#機組裝卸料機在PLC1 組態及I/O 接口存在差異，二者差異表現在：①1/2#機組裝卸料機載荷信號采用4mA ～20mA 信號形式，使用地址為：主載荷%AI00006，冗余載荷%AI00011；②3/4#機組裝卸料機載荷信號采用DeviceNet 通訊方式，使用節點為：主載荷DeviceNet1（node2），冗余載荷DeviceNet2（node2）。

2）1/2#機組與3/4#機組裝卸料機在PLC2 組態及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

裝卸料機控制柜接口[2]包括：就地設備I/O 接口、控制電源接口、電機電源接口、電機反饋信號接口、以太網接口、攝像機接口等。控制柜電纜接口是否匹配，決定著1/2#機組控制柜是否能夠連接至3/4#機組模擬機。

由于功能硬件存在不同，1/2#機組控制柜相比于3/4#機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#機組，1/2#機組減少了水下燈電源接口（P4A），減少了套筒攝像頭（P26E）。

2）設計不同：①1/2#機組與3/4#機組載荷系統信號采集方式造成的不同（P8G、P24C）；②1/2#機組設計中未配置模擬機，因此相比于3/4#機組減少了模擬機通訊接口以太網（P25B）。

2.2 硬件差異可行性研究

2.2.1 PLC硬件組態差異可行性研究

模擬機內未設計硬件載荷系統。3/4#機組裝卸料機操作臺與模擬機連接后，操作臺上載荷信息來源于模擬機上位機畫面中的設定值，模擬機將設定值通過EGD（Ethernet Global Data）通訊方式傳輸至操作臺。因此，只需建立1/2#機組操作臺與模擬機間EGD 通訊，即可完成載荷信號傳輸。PLC 硬件組態差異不會對1/2#機組操作臺連接模擬機造成影響。

2.2.2 驅動系統差異可行性研究

1/2#機組及3/4#機組在驅動器電源供應、方向控制、運動使能、電機反饋及控制等接線上完全一致，無需修改即可適配模擬機接口。

1/2#機組與3/4#機組模擬機使用的主提升、大/小車電機完全一致，1/2#機組已經完成電機適配，只需在驅動器上進行電機自動匹配，即可直接連接至模擬機。

綜上，驅動器系統差異不會對2#機組操作臺連接模擬機造成影響。

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，不影響操作臺連接模擬機。

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連接模擬機。

P25B（模擬機）接口為操作臺與模擬機專用EGD 通訊接口，1/2#機組均已預制模擬機接口。

綜上所述，1/2#機組與3/4#機組間硬件系統的差異，不影響1/2#機組連接至模擬機。

3 控制程序差異分析及適應性修改

3.1 控制程序差異分析

1/2#機組裝卸料機是以3/4#機組裝卸料機為藍本設計優化而來，二者具有相同的控制程序架構。分析1/2#機組正式程序與3/4#機組模擬機程序[3]可知，1/2#機組控制程序中缺少部分適配模擬機所需內容，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數據的以太網ConsExch13 模塊，以及用于發送數據給模擬機的以太網ProdExch14 模塊。

3）未對大/小車、主提升編碼器分辨率“Counts Per Revolution”及編碼器旋轉方向進行適應性設置。

4）未編寫用于模擬編碼器比較故障的主提升、大/小車位置偏置參數賦值程序。

5）未適應性修改主提升、大/小車超速報警限值。

6）缺少模擬載荷比較故障相關程序。

3.2 控制程序適應性修改

為使1/2#機組裝卸料機操作臺能夠在不改變3/4#機組模擬機前提下與模擬機對接，本文決定采用保持模擬機軟件及硬件系統不變，以1/2#機組裝卸料機程序為基礎，對1/2#機組程序進行適應性修改，完成1/2#機組控制臺與模擬機對接。修改內容包括：

3.2.1 定義新增變量

定義EGD 以太網傳輸變量，如主提升偏置、大/小車偏置以及通訊狀態字。通過比對1/2#機組程序與3/4#機組裝卸料機專用程序可知，1/2#機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數據的EGD以太網模塊

在Consumed Exchanges 中新建ConsExch13 模塊，設置通訊IP 地址為：129.0.0.6。配置接收數據存儲地址，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，以及模擬機狀態信號字SRB。

3.2.3 配置用于發送數據給模擬機的EGD以太網模塊

在Produced Exchanges 中新建PeodExch14 模塊，設置通訊IP 地址為：129.0.0.6。配置的發送數包括：大/小車、主提升坐標以及裝卸料機狀態信號。

3.2.4 修改編碼器分辨率及旋轉方向

由于模擬機系統僅用于模擬現場設備動作，未進行實際移動，因而可以適當提高坐標移動速度，縮短裝卸料機動作時間。在模擬機控制程序中，通過改變編碼器分辨率“Counts Per Revolution”數值，即可改變編碼器虛擬齒輪盤周長，從而改變電機輸出軸至編碼器減速比，實現提高速度運行。同時，由于模擬機中編碼器旋轉方向與現場存在差別，需要修改編碼器方向設置。通過分析裝卸料機程序可知，編碼器設置子程序為“ENC_SET”，表1 為子程序修改內容。

3.2.5 編寫主提升、大/小車位置偏置參數賦值運算程序“SIM1”

主提升、大/小車位置偏置參數用于模擬裝卸料機運行過程中各X、Y、Z 方向上主、冗余編碼器比較故障，由于1/2#機組裝卸料機正式程序中未進行相應配置，需要對其進行適配。

1）經核實分析，在2#機組PLC 程序中已經存在用于模擬大/小車、主提升比較故障用的變量（BRSE、TRSE、HRSE），編寫SIM1 子程序將從模擬機通訊而來的冗余偏置數據賦值給相應變量。

2）核實模擬比較計算模塊

因1/2#機組模擬比較計算PLC 子程序設定有查看密碼，無法直接查看相應程序塊，本文利用Proficy 中參數搜索功能，將搜索結果中出現的算法與3/4#機組模擬機程序中相應模塊進行比對，用以確認二者是否一致。

以參數HRSE 為例，搜索結果指示HRSE 應用在3#機組模擬機程序H_ENCOD 子程序第4 行，使用模塊為“ADD DINT”，計算公式為：HPOUT+HRSE=HROUT。

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

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

3.2.6 修改主提升、大/小車超速報警限值

由于模擬機減速盒減速比與現場實際減速箱減速比存在差異，同時虛擬編碼器齒輪盤與實際齒輪盤大小存在差異，導致電機軸輸出至編碼器齒輪盤的線速度發生改變，需要重新設置主提升、大/小車超速限值。根據減速比與線速度關系，可以推導出模擬機超速限值計算公式：

查詢裝卸料機機械設計圖及模擬機圖紙可知1/2#機組與模擬機相應編碼器周長及減速比數據，同時將原程序中大/小車、主提升超速報警限值代入上述公式，計算出報警 限 值：B_HIGH=2300,T_HIGH=1700,H_HIGH=1200， 將程序中報警限值按照計算結果修改。

3.2.7 添加模擬載荷比較模塊

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

2）在子程序H_LOADS 中添加模擬載荷比較計算模塊：當模擬機給出“載荷比較錯誤”信號時，模塊將冗余載荷傳感器數值+50kg，表達式為：LOAD_R=LOAD_R+50kg，用于產生載荷比較故障。

4 結論

本文通過分析1/2#機組裝卸料機與3/4#機組操作臺在硬件和控制程序方面差異，并提出針對性解決方法：建立以太網模塊、添加必要變量、修改源程序、匹配驅動器與電機等?？梢郧逦l現，1/2#機組操作臺與3/4#機組模擬機之間的對接完全可行。