核電站乏燃料水池操作機(jī)及專用抓具電氣控制系統(tǒng)的分析

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(jī)及專用抓具是核電站乏組件工藝運輸系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，位于核島廠房內(nèi)的乏燃料貯存水池大廳。乏燃料水池操作機(jī)及專用抓具控制系統(tǒng)的功能為：以電力驅(qū)動乏燃料水池操作機(jī)，在水池大廳操作范圍內(nèi)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(jìn)行轉(zhuǎn)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(jī)及專用抓具的電氣控制系統(tǒng)主要由程序控制、伺服驅(qū)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(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入輸出模塊、一體式上位機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。伺服驅(qū)動部分包括整流回饋裝置、起升機(jī)構(gòu)逆變器、大車機(jī)構(gòu)逆變器、小車機(jī)構(gòu)逆變器、起升伺服電機(jī)、大車伺服電機(jī)、小車伺服電機(jī)。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(guān)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡圖

程序控制部分包括PLC 與SimotionD 運動控制器，SimotionD 用于各機(jī)構(gòu)的運動控制，PLC 用于乏燃料水池操作機(jī)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(jìn)行通訊，相比其他類型的通訊方式更為快速穩(wěn)定。現(xiàn)場的機(jī)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(jī)置于屏蔽室的遠(yuǎn)程控制臺上，作為重要的人機(jī)交互界面。上位機(jī)用來顯示乏燃料水池操作機(jī)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(jī)處進(jìn)行運行位置選取、啟動命令、故障確認(rèn)和復(fù)位等操作。只要上位機(jī)處在運行狀態(tài)，乏燃料水池操作機(jī)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(wǎng)絡(luò)交換機(jī)是控制系統(tǒng)的通訊總線輔助設(shè)備[3]，用來將乏燃料水池操作機(jī)控制系統(tǒng)中所用的Profinet 總線設(shè)備連接至總線，最終接入PLC 及SimotionD 運行控制器。在操作機(jī)上和遠(yuǎn)程控制臺處各設(shè)置一個。

整流回饋裝置將380VAC 進(jìn)線電源轉(zhuǎn)換為540VDC 兩線作為直流母線提供給各機(jī)構(gòu)逆變器，并將各機(jī)構(gòu)制動能量反饋回電網(wǎng)。其能夠?qū)χ绷髂妇€電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，即使電網(wǎng)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(jī)的運行和速度調(diào)節(jié)。

外部檢測部分為各機(jī)構(gòu)提供精確的位置反饋信息及安全保護(hù)。起升拉線式編碼器為起升機(jī)構(gòu)提供精確的位置反饋信息。運行機(jī)構(gòu)WCS 線性絕對值位置編碼系統(tǒng)為運行機(jī)構(gòu)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(hù)，當(dāng)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(hù)，包括過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)等，防止設(shè)備因內(nèi)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(jī)的高精度定位要求和安全性要求下，由于機(jī)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(jīng)很難滿足定位控制的精度指標(biāo)，因此需要采用伺服電機(jī)，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(qū)動的運動控制系統(tǒng)。SimotionD 是集成了西門子S120 伺服驅(qū)動器的一個控制單元，可以方便與S120 驅(qū)動器的電機(jī)組件連接并帶有編碼器接口、PN 接口等控制通訊接口。

根據(jù)本設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)，在運動控制器內(nèi)部為起升和行走機(jī)構(gòu)的4 個電機(jī)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(xiàn)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(biāo)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(zhǔn)確的位置參數(shù)提供給Simotion 運動控制器。

在SimotionD 內(nèi)需要通過MCC 語言編程來實現(xiàn)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(nèi)部伺服驅(qū)動部分，驅(qū)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(yù)設(shè)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(dá)指定位置時將減至零速，然后進(jìn)行微調(diào)，消除整車慣性影響，最終定位。

3 電氣安全保護(hù)功能

3.1 電氣安全保護(hù)功能

1）進(jìn)線電源過流保護(hù)功能：乏燃料水池操作機(jī)的進(jìn)線電源經(jīng)過一個帶過流保護(hù)的斷路器后接入整流回饋裝置。當(dāng)控制系統(tǒng)過流時，斷路器的過流保護(hù)觸發(fā)，將斷路器分?jǐn)啵袛嚯娫矗苊膺^流損壞設(shè)備。

2）起升機(jī)構(gòu)超速保護(hù)功能：通過起升電機(jī)上的超速開關(guān)可以設(shè)定電機(jī)最大轉(zhuǎn)速值，當(dāng)起升電機(jī)轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值時，超速開關(guān)動作并發(fā)出報警信號至運動控制器，起升機(jī)構(gòu)停止運行，制動器抱閘。

3）起升機(jī)構(gòu)超載保護(hù)功能：起升機(jī)構(gòu)設(shè)置兩個稱重傳感器，配有電子秤，它具有重量顯示、失重保護(hù)、超載限制的功能。當(dāng)起升機(jī)構(gòu)負(fù)載超過電子秤設(shè)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(jī)構(gòu)將被限制上升功能，以保護(hù)設(shè)備。

4）起升機(jī)構(gòu)卷筒斷軸保護(hù)功能：在卷筒下部設(shè)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(hù)限位開關(guān)，信號傳輸至運動控制器，引發(fā)控制器報警，起升機(jī)構(gòu)停止運行，制動器抱閘。

5）起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩防疊繞保護(hù)功能：起升機(jī)構(gòu)于卷筒處設(shè)置防疊繞限位，安裝在防疊繞裝置上，當(dāng)卷筒上纏繞的鋼絲繩因跳槽等原因而出現(xiàn)疊繞時，開關(guān)動作，信號傳輸至運動控制器，引發(fā)控制器報警，起升機(jī)構(gòu)停止運行，制動器抱閘。

6）起升機(jī)構(gòu)過行程保護(hù)功能：起升機(jī)構(gòu)包含重錘限位、旋轉(zhuǎn)限位等行程保護(hù)設(shè)備，使起升機(jī)構(gòu)始終運行在一個設(shè)定號的范圍內(nèi)，防止出現(xiàn)起升機(jī)構(gòu)過卷的情況。當(dāng)起升機(jī)構(gòu)運行至上下極限時，控制系統(tǒng)將使起升機(jī)構(gòu)停止向該方向繼續(xù)運行，保障起升的安全。

7）起升機(jī)構(gòu)安全制動器保護(hù)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(dāng)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(jī)構(gòu)傳動鏈損壞后，可以使負(fù)載停止在20 cm的距離以內(nèi)，確保負(fù)載不會因意外事故而墜落。

8）起升機(jī)構(gòu)電機(jī)過熱保護(hù)功能：起升電機(jī)內(nèi)部設(shè)置一組過熱保護(hù)，當(dāng)電機(jī)溫度超過過熱保護(hù)元件的設(shè)定值時，過熱保護(hù)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(jī)構(gòu)停止運行[6]。

9）小車機(jī)構(gòu)過行程保護(hù)功能：小車機(jī)構(gòu)包含接近開關(guān)限位、WCS 位置編碼系統(tǒng)等行程保護(hù)設(shè)備，使小車機(jī)構(gòu)始終運行在一個設(shè)定好的范圍內(nèi)，設(shè)置出一個小車運行的安全區(qū)域。當(dāng)小車機(jī)構(gòu)運行至極限時，控制系統(tǒng)將使小車機(jī)構(gòu)停止向該方向繼續(xù)運行，保障小車運行的安全。

10）小車機(jī)構(gòu)電機(jī)過熱保護(hù)功能：小車電機(jī)內(nèi)部設(shè)置一組過熱保護(hù)，當(dāng)電機(jī)溫度超過過熱保護(hù)元件的設(shè)定值時，過熱保護(hù)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(jī)構(gòu)停止運行。

11）大車機(jī)構(gòu)過行程保護(hù)功能：大車機(jī)構(gòu)包含接近開關(guān)限位、WCS 位置編碼系統(tǒng)等行程保護(hù)設(shè)備，使大車機(jī)構(gòu)始終運行在一個設(shè)定好的范圍內(nèi)，設(shè)置出一個大車運行的安全區(qū)域。當(dāng)大車機(jī)構(gòu)運行至極限時，控制系統(tǒng)將使大車機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)電機(jī)過熱保護(hù)功能：大車每個電機(jī)內(nèi)部設(shè)置一組過熱保護(hù)，當(dāng)電機(jī)溫度超過過熱保護(hù)元件的設(shè)定值時，過熱保護(hù)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(jī)構(gòu)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(jī)的運行可以由操作員通過設(shè)置在人橋操作平臺或乏組件運輸控制室內(nèi)的急停按鈕切斷操作機(jī)動力電源，停止當(dāng)前操作機(jī)的動作，避免事故的發(fā)生。所設(shè)置的急停開關(guān)不區(qū)分優(yōu)先級，任一地點的急停開關(guān)均可對水池操作機(jī)執(zhí)行斷電動作。

3.2 聯(lián)鎖保護(hù)功能

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

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

3）各機(jī)構(gòu)運行范圍聯(lián)鎖：起升機(jī)構(gòu)通過拉線編碼器、旋轉(zhuǎn)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(nèi)。大車和小車機(jī)構(gòu)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(nèi)。并根據(jù)工藝流程需求設(shè)定操作機(jī)運行的安全區(qū)域，使乏燃料水池操作機(jī)的運行被限定在設(shè)定好的安全區(qū)域中。

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

4 結(jié)語

乏燃料水池操作機(jī)是核電站乏燃料轉(zhuǎn)運的關(guān)鍵設(shè)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(hù)幾個方面對它進(jìn)行了介紹，讓大家對核電站該類起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)有一個清晰的認(rèn)識，特別要認(rèn)識到核電類起重機(jī)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。