核電廠水泥固化線全自動控制系統(tǒng)設(shè)計

朱 皓，呂 寧，段天英，張喜梅

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

核電站放射性廢物的處理是關(guān)系到核電站運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，TES水泥固化線是采用水泥固化工藝將核電廠運(yùn)行過程中的放射性固體廢物（廢樹脂、濃縮液和廢過濾器芯子）進(jìn)行預(yù)處理、整備并形成穩(wěn)定的廢物貨包，以便于運(yùn)輸、暫存和處置的生產(chǎn)線。主要工藝流程包括金屬桶的傳輸、金屬桶的開蓋和封蓋、廢物的計量和預(yù)處理、廢物的裝桶、廢物的固化或固定、廢物桶的養(yǎng)護(hù)等。主要設(shè)備由輥道傳輸線、攪拌裝置、自動開封蓋裝置、干混料輸送裝置、廢濾芯裝桶裝置等組成，水泥固化線的控制系統(tǒng)用于控制工藝系統(tǒng)高效、可靠運(yùn)行。

1 總體控制需求

水泥固化線共包括電動和氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)180余個，傳感器300余個。各執(zhí)行機(jī)構(gòu)均為運(yùn)動負(fù)載，相對于風(fēng)機(jī)水泵等靜負(fù)載存在控制要求高、控制過程復(fù)雜等特點(diǎn)。

由于固化線處理廢物具有放射性，應(yīng)盡量減少人員進(jìn)入現(xiàn)場的頻次和時間，特別是要防止裝桶廢物未封蓋前發(fā)生故障導(dǎo)致的設(shè)備停運(yùn)，控制系統(tǒng)需在設(shè)計上采取措施，提高生產(chǎn)線的可靠性及可監(jiān)控性。

為提高生產(chǎn)線的廢物處理效率，生產(chǎn)線上需同時對多個金屬桶進(jìn)行操作，包括轉(zhuǎn)移、開封蓋、裝桶、攪拌、暫存養(yǎng)護(hù)等動作，需提高控制系統(tǒng)的集成度和自動化程度，實現(xiàn)多設(shè)備緊密協(xié)同運(yùn)作，提高整條生產(chǎn)線的工作效率。

2 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

針對水泥固化生產(chǎn)線的工藝特點(diǎn)和控制需求，控制系統(tǒng)的總體設(shè)計主要考慮以下兩個方面：一是保證系統(tǒng)可靠性及可監(jiān)控性，通過合理地設(shè)置傳感器，并針對關(guān)鍵監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行冗余設(shè)計，同時利用現(xiàn)場總線技術(shù)簡化系統(tǒng)架構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性及可監(jiān)控性；二是提高控制系統(tǒng)的自動化程度，合理優(yōu)化自動控制流程，減少人員操作，降低人因失誤，提高處理效率。

2.1 硬件總體設(shè)計

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

上層為組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，通過操作員站實現(xiàn)操作人員和控制系統(tǒng)的人機(jī)對話。通過監(jiān)控界面可實時監(jiān)控工藝流程的進(jìn)展，調(diào)整系統(tǒng)的工作參數(shù)，對系統(tǒng)的故障進(jìn)行診斷，通過數(shù)據(jù)采集的結(jié)果可以了解設(shè)備的工作狀況。

中間層為主控PLC以及輸入輸出模塊[1]，實現(xiàn)信息的采集、邏輯運(yùn)算和控制指令的下傳，控制系統(tǒng)的核心控制邏輯均由主控PLC實現(xiàn)。自帶控制器的攪拌裝置及取封蓋裝置通過總線與主控PLC通訊。

下層為電氣驅(qū)動設(shè)備，包括常規(guī)斷路器加接觸器的控制驅(qū)動回路，以及輥道的變頻驅(qū)動回路，變頻器通過總線與主控PLC通訊，實現(xiàn)信息反饋及定位控制[2,3]。

2.2 軟件總體設(shè)計

2.2.1 控制模式

為同時保證工藝系統(tǒng)運(yùn)行過程中的自動化程度及可操作的靈活性，水泥固化線的控制模式分為手動、半自動和全自動3種。

手動：可單獨(dú)操作任一設(shè)備動作。

半自動：按預(yù)定程序?qū)崿F(xiàn)工藝流程中某一部分功能的控制流程，每個半自動的控制流程在本系統(tǒng)中設(shè)置為一個子任務(wù)。半自動的劃分要根據(jù)涉及到的設(shè)備以及任務(wù)的相對獨(dú)立性合理劃分。

全自動：啟動后可自動完成某一完整工藝流程，如指定廢物類型的攪拌固化全流程。

2.2.2 控制任務(wù)塊劃分及設(shè)計

任務(wù)塊的設(shè)置充分考慮處理不同廢物時，不同工況下對設(shè)備的操作要求，既要減少人為操作，提高自動化程度，同時要增加操控靈活性，以及對于異常情況的處理。本系統(tǒng)通過合理設(shè)置半自動子任務(wù)流程，全自動流程全部由已有半自動直接組合的控制邏輯實現(xiàn)。根據(jù)工藝處理流程以及設(shè)備的協(xié)調(diào)參與，本系統(tǒng)設(shè)置4大類共32個半自動子任務(wù)，通過對子任務(wù)的順序控制組合出7個全自動。

3 單機(jī)設(shè)備的驅(qū)動控制設(shè)計

3.1 輥道驅(qū)動控制設(shè)計

輥道的主要功能是實現(xiàn)金屬桶的雙向傳輸，所有的輥道都有傳輸功能。根據(jù)不同的定位點(diǎn)所需進(jìn)行的處理工藝，不同的輥道附加了一些輔助功能。水泥固化線共由14段輥道組成，共分為5類，分別是固定輥道、平移輥道、側(cè)移輥道、頂升輥道和頂升振動輥道。

輥道的雙向傳輸既要保證5m/min的傳輸速度，又要保證5mm以內(nèi)的定位誤差，定位準(zhǔn)確才能保證金屬桶在相應(yīng)工位進(jìn)行工藝處理。為保證輥道在放射環(huán)境運(yùn)行的可靠性，每段輥道均設(shè)計了冗余的雙電機(jī)驅(qū)動，可迅速切除故障電機(jī)，由備用電機(jī)驅(qū)動輥道運(yùn)行。為實現(xiàn)輥道的高速運(yùn)行及精準(zhǔn)定位，輥道的控制信號由光電開關(guān)反饋，同時采用變頻調(diào)速加電機(jī)抱閘的控制方案。接收啟動指令后，同時釋放抱閘并通過變頻器啟動高速運(yùn)行，監(jiān)測到低速光電開關(guān)信號時切換運(yùn)行速度，監(jiān)測到到位光電開關(guān)信號時迅速停車并抱閘，防止設(shè)備慣性漂移。輥道的電氣控制原理圖如圖2所示。

3.2 攪拌控制設(shè)計

攪拌槳為雙螺旋行星攪拌裝置，兩根螺旋式的自轉(zhuǎn)槳安裝在圓形的轉(zhuǎn)盤上，螺旋槳自轉(zhuǎn)的同時，轉(zhuǎn)盤在進(jìn)行公轉(zhuǎn)，從而達(dá)到更均勻的攪拌效果。攪拌完成后自轉(zhuǎn)槳可振動，使殘留在槳上的廢物落入金屬桶中，攪拌槳不需要工作時可提升至頂部，以免干涉金屬桶的傳輸。

攪拌槳的控制是水泥固化效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。攪拌槳裝置設(shè)置獨(dú)立的控制器，通過獨(dú)立控制器固化攪拌工藝及參數(shù)，主控PLC僅需下發(fā)啟動攪拌指令，并實時接收攪拌狀態(tài)參數(shù)反饋，根據(jù)攪拌狀態(tài)控制干混料裝置進(jìn)行送料。

攪拌裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)共5個電機(jī)，分別控制公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)、提升以及振動，振動為雙電機(jī)，公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)為調(diào)速控制。自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過變頻器進(jìn)行控制。

在攪拌槳控制器中，對攪拌工藝流程進(jìn)行控制。控制方案采用順序邏輯控制，從接收到上游攪拌啟動指令開始，進(jìn)行攪拌槳的下降，下降到一定位置后開始自轉(zhuǎn)，以及后續(xù)的分階段的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的匹配組合，期間通過總線通訊反饋攪拌階段和狀態(tài)參數(shù)，由主控PLC控制垂直及水平干混料輸送裝置匹配干混料的輸送，攪拌過程包括4次自動加料和5個階段的攪拌。針對不同廢物的攪拌，各階段的攪拌時間以及攪拌轉(zhuǎn)速均不相同。

4 自動控制設(shè)計

4.1 水泥固化線的控制特點(diǎn)

控制方式及自動控制的設(shè)計需結(jié)合生產(chǎn)線自身的控制特點(diǎn)。本系統(tǒng)不同于核電常規(guī)的流體系統(tǒng)，主要是通過動設(shè)備的協(xié)作完成特定的工藝處理。水泥固化線主要有如下幾個特點(diǎn)：

1）設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)多，驅(qū)動形式多樣。

2）設(shè)備之間的閉鎖關(guān)系復(fù)雜。

3）多設(shè)備協(xié)作的順序控制，對批次及時序有較高要求。

4）異常工況有較高的自動化干預(yù)處理能力，緊急工況下的報警、急停及退出機(jī)制。

4.2 半自動控制流程設(shè)計

子任務(wù)的設(shè)置，需充分滿足不同工藝流程、不同工況下對設(shè)備操作的要求，同時要考慮子任務(wù)在不同工藝流程中的公用性。根據(jù)任務(wù)類型可將半自動的子任務(wù)分為4大類，包括金屬桶定位流程子任務(wù)、裝料攪拌流程子任務(wù)、清洗流程子任務(wù)、取封蓋流程子任務(wù)。以金屬桶定位子任務(wù)為例，說明子任務(wù)控制流程的設(shè)計。

1）金屬桶定位功能子任務(wù)設(shè)置原則

金屬桶定位子任務(wù)設(shè)置時要充分考慮不同工況下金屬桶轉(zhuǎn)移的需求，在運(yùn)動盡量簡化的前提下，保證金屬桶的安全，主要設(shè)置原則包括如下幾條：

① 滿足所有工況下對不同起終點(diǎn)的金屬桶定位需求。

② 同時設(shè)備運(yùn)動盡量精簡。

③ 保障金屬桶在不同輥道過度地平穩(wěn)。

④ 兼顧部分輥道故障時金屬桶的應(yīng)急處理。

2）金屬桶定位光電傳感器的設(shè)置

金屬桶的定位主要依靠輥道上設(shè)計的光電傳感器來實現(xiàn)，且定位的過程中輥道的運(yùn)動還需要光電傳感器的信號來調(diào)節(jié)速度。對于攪拌固化操作流程還需考慮8個桶在輥道上的堆棧，由于輥道長度有限，需根據(jù)光電傳感器的設(shè)置來控制桶之間的間距，所以光電傳感器的合理設(shè)置對于金屬桶的定位至關(guān)重要，要在實現(xiàn)功能的情況下盡可能地減少傳感器的設(shè)置，惡劣環(huán)境下傳感器容易損壞，傳感器損壞將直接導(dǎo)致工藝流程無法進(jìn)行。輥道光電開關(guān)布置圖如圖3所示。

根據(jù)控制需求，分析光電開關(guān)主要實現(xiàn)如下幾類功能：

① 靠近金屬桶定位點(diǎn)時控制輥道減速。

② 到達(dá)定位點(diǎn)時控制輥道停止。

③ 進(jìn)入屏蔽門里面輥道上金屬桶計數(shù)。

④ 金屬桶在輥道上堆棧暫存時的間距控制。

⑤ 自動控制任務(wù)執(zhí)行過程中設(shè)備啟停的銜接。

3）金屬桶定位子任務(wù)控制流程

根據(jù)工藝流程控制功能需求，結(jié)合子任務(wù)劃分的合理性，最終對于金屬桶不同起點(diǎn)和終點(diǎn)定位的子任務(wù)共劃分了24個。

以子任務(wù)2為例，子任務(wù)2的控制流程圖如圖4所示，起點(diǎn)A2點(diǎn)，終點(diǎn)E點(diǎn)。運(yùn)動過程中涉及到的設(shè)備包括：輥道2、4、6、9、10、11、12、輥道2鎖定裝置、輥道2和4止擋裝置、夾緊裝置。整個子任務(wù)在接受到啟動信號后，自動按流程圖中的功能塊根據(jù)傳感器的信號反饋依次執(zhí)行，部分設(shè)備存在同時并行的情況以縮短任務(wù)執(zhí)行時間。

4.3 全自動控制流程設(shè)計

為減少編程量，提高程序利用效率，同時提高程序的可靠性和后期的調(diào)試工作量，全自動流程實現(xiàn)采用半自動子任務(wù)流程組合的形式來實現(xiàn)。編程時直接通過啟動和完成信號按序驅(qū)動各子任務(wù)程序塊執(zhí)行即可。所以半自動程序在設(shè)計時需按功能塊進(jìn)行封裝，并合理地設(shè)置使能端和輸入輸出端。

全自動的控制流程由半自動的子任務(wù)流程組合而成，圖5所示是全自動任務(wù)3濃縮液處理的全自動控制流程。

5 結(jié)束語

水泥固化線控制系統(tǒng)的設(shè)計，充分結(jié)合系統(tǒng)設(shè)備多、工藝流程復(fù)雜的特點(diǎn)，通過靈活地設(shè)置子任務(wù)流程并對子任務(wù)進(jìn)行組合的方式實現(xiàn)了廢物處理流程的全自動控制，使操作員能夠通過簡單的操作實現(xiàn)復(fù)雜的工藝處理過程，系統(tǒng)的自動化程序達(dá)到較高的水平。該控制流程的設(shè)計已在多個核電站的水泥固化中應(yīng)用，很好地實現(xiàn)了水泥固化線全部工藝流程高效、可靠的自動處理。