裝卸料機雙軸同步問題研究與改進

丁全斌

（中核武漢核電運行股份有限公司，武漢 430070）

某核電站的幾次大修裝換料過程中，裝卸料機的大車運動由于雙軸不同步，其導向輪的軸承頻繁發生嚴重的擠壓磨損而損壞，導致裝卸料機運行時發出異響和振動，甚至出現啃軌的現象。由于電站不得不頻繁地暫停換料工作并更換導向輪，嚴重影響了裝換料工作的進度和安全。因此，找出該問的根本原因并予以解決，對電站而言十分重要。

1 裝卸料機大車的結構和控制方式

1.1 裝卸料機大車的基本結構

裝卸料機是核電核裝卸料的重要設備，它需要較高的運行和定位精度，從而可以在堆芯或傾翻機等燃料位置的上方，抓取或插入燃料組件。

如圖1所示，裝卸料機的大車橫跨于換料水池兩側的軌道上，形成橋架式結構，并驅動裝卸料機在水池上縱向運動。其兩側的端梁上各安裝有一個電機用來驅動橋架，一個（或一對）位置編碼器用來實時檢測橋架的位置。在一側的端梁兩頭的底部各有一對導向輪組件，每組導向輪的兩個輪子卡在軌道兩側，稱為大車的導向輪側。在安裝時，每個輪子與軌道之間設置一個合理的間隙，使橋架運動時有一定的自由度，同時又不至于過度偏離軌道或脫軌。

圖1 裝卸料機橋架Fig.1 Bridge of loader

1.2 裝卸料機大車運動的控制方式

該電站的裝卸料機大車的運動控制系統，是基于西門子可編程邏輯控制器（PLC）和交流伺服驅動裝置的控制系統。在裝換料操作時，控制系統驅動大車的兩個電機以一定的速度同步運動，在接近目標位置時，減速并在到達時停止運動。其大車實際上是雙軸同步的控制方式，控制結構圖如圖2所示。

圖2 雙軸同步控制框圖Fig.2 Block diagram of dual axis synchronous control

大車運動控制的基本原理：控制器將速度指令同時發送到兩側電機的驅動器，驅動電機運動，同時兩側位置編碼器實時反饋橋架位置。當兩側位置出現偏差時，控制系統就會根據偏差修正非導向側電機的速度指令，形成主從式雙軸同步控制方式，使橋架非導向側能準確跟隨導向側的位置。

2 裝卸料機大車雙軸不同步的原因分析

在裝卸料機運動時，觀察大車兩側位置編碼器的讀數，發現兩側電機速度不同步，致使非導向側位置逐漸提前于導向側，從而使大車導向輪受到較大的擠壓力。通過分析裝卸料機大車的運動控制方式可知，大車雙軸不同步的原因既可能是位置反饋測量的問題，也可能是控制算法的問題。反饋測量的精確性是控制系統可靠的前提條件，其可能存在的問題必須先排除。

裝卸料機位置反饋不準確的可能原因有兩個：一是位置編碼器測量不準。位置編碼器是通過齒盤與軌道的齒條嚙合，在裝卸料機移動時，齒盤帶動編碼器轉動，實時讀取橋架在軌道上的位置。當齒條或編碼器的轉換系數不一致時，位置編碼器就會測不準，從而使控制算法輸出錯誤的控制指令。二是編碼器標零方法不當。在電站換料前，需要先將裝卸料機置于物理基準點位置，并將編碼器示數重置為基準點的值，這個過程稱之為“標零”。標零前應使裝卸料機大車歸正，各組導向輪兩側都有一定的間隙，否則就會使大車在運動中有較大的扭力，使系統出現較大的干擾。

通過對裝卸料機橋架位置測量系統的檢查校調，排除位置反饋測量問題后，其引起雙軸不同步的原因應是控制算法不滿足要求。分析其同步控制邏輯，發現其控制策略為定值補償方式，即 ：當 Δd ＞ f時，V2out=（1 ± 0.02） ×V2con

其中，Δd——偏差；f——最大允許偏差；V2out——軸2算法輸出指令；V2con——軸2原速度指令。

即在一個PLC計算周期內，當偏差（軸1位置 - 軸2位置）＞允許誤差時，則軸2輸出速度指令 = 軸2輸入速度指令 ×（1 + 0.02）。如此循環，直到偏差＜允許誤差。這一控制算法十分簡單，PLC編程和計算量小，但它的調節速度慢、精度差，且易造成控制系統振蕩，不適應裝卸料機雙軸同步控制系統。

3 控制算法的改進與在PLC中的實現

3.1 算法的改進

在工程上，雙軸同步控制有主從式、交叉耦合、神經元網絡等方式，控制算法有比例積分微分（PID）控制算法、模糊控制算法等[1,2]。而PID控制因其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便，且無需完全掌握控制對象的精確數學模型，從而成為工業控制的主要技術之一[3]。

為使裝卸料機大車雙軸同步控制的性能滿足要求，同時對原有設計和系統的修改盡可能小，這里采用了主從式PID調節的控制算法，而交流伺服運動系統的響應快，無慣性和延時組件。因此，僅使用比例積分（PI）調節器即可。它不需要改變系統原有的設備和硬件，只需要將原來的定值控制方式修改為PI控制方式即可。

3.2 PI算法在PLC中的實現

連續系統中，PI算法的微分方程為：

其中，Td=Kt/ Kp。Kp為比例系數，Kt為積分系數。

在PLC中需要將其離散化。假設當前采樣周期為第k次，則根據式（1）有：

同理，第k-1次采樣周期時有：

用式（2）減去式（3）可得PI控制器在一個采樣周期內的增量為：

設調節前的輸入為u0，則PI算法在第k個采樣周期時輸出的離散方程式為：

其中，e(k)為第k個采樣周期時的偏差；e(k-1)為第k-1個采樣周期時的偏差。

根據式（5）的PI算法的離散方程式[3]，即可在PLC中編寫PI算法的程序。其部分程序段如下：

程序編寫完后，下裝到現場設備上，在現場對PI控制器的比例系數和積分系數進行整定，得到最優的控制參數。通過模擬換料工況的反復測試，大車動態過程中可觀察到的雙軸最大偏差在5mm以內，運行停止時最大偏差在2mm以內，完全滿足其同步誤差的要求。

4 總結

裝卸料機大車運行時雙軸的原因往往是復雜多樣的，可能有設計、安裝、調試不當導致的缺陷，也可能是運行維護不當導致設備“帶病”運行。現場對設備運行時的狀態進行了仔細的觀察記錄，對可能存在的各方面原因進行認真分析，逐個查找，耐心調校，不斷嘗試，最終找出其根本問題所在，并提出可行的解決方案，成功地解決了問題，確保電站燃料操作的安全可靠。

圖3 實現PI控制的部分梯形圖Fig.3 Partial ladder diagram of PI control