燃料操作監(jiān)控系統(tǒng)自整角機信號處理系統(tǒng)方案設(shè)計

張翠蘭，董升國

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引言

燃料操作監(jiān)控系統(tǒng)是反應(yīng)堆換料設(shè)備中的核心樞紐，主要是控制、定位、監(jiān)控換料設(shè)備的整個運動過程，保證換料設(shè)備的精準定位和控制。在換料設(shè)備中，位置指示器采用了絕對編碼器、增量編碼器、干簧管、電感式傳感器和自整角機[1]。由于換料機械設(shè)備位置指示的重要性，在換料設(shè)備中設(shè)立了多通道的位置指示來進行分析定位控制，這樣就避免了共模故障的發(fā)生，提高了位置指示的精度，更加精確地控制換料設(shè)備運動過程。由于自整角機精準的顯示位置，具有安全可靠，抗干擾能力和環(huán)境適應(yīng)性強的優(yōu)點，所以在換料設(shè)備中繼續(xù)使用自整角機作為換料設(shè)備重要的位置指示。

本文根據(jù)燃料操作監(jiān)控系統(tǒng)換料設(shè)備位置指示和精度的要求，研究設(shè)計相應(yīng)的特殊模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、信號轉(zhuǎn)換控制柜和信號傳輸系統(tǒng)，將自整角機輸出的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過Profibus-DP 現(xiàn)場總線形式傳送至PLC 進行邏輯運算及定位控制，最終實現(xiàn)換料設(shè)備的精準控制，滿足換料設(shè)備要求。

1 自整角機

1.1 自整角機分類

自整角機按其用途分為力矩式自整角機和控制式自整角機。

力矩式自整角機用于同步指示系統(tǒng)，直接達到轉(zhuǎn)角隨負載轉(zhuǎn)動，將機械角度變換為力矩輸出，無力矩放大作用。其接收誤差稍大，負載能力較差，只適用于輕負載轉(zhuǎn)矩及精度要求不太高的開環(huán)伺服控制系統(tǒng)中。

控制式自整角機用作測角元件，作為角度和位置的檢測元件可將機械角度轉(zhuǎn)換為電信號或?qū)⒔嵌鹊臄?shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷耗M量，而且精密程度較高，用于精密的閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)中。

在換料設(shè)備中使用控制式自整角機作為位置指示器。

1.2 自整角機工作原理

自整角機是利用自整步特性將轉(zhuǎn)角變?yōu)榻涣麟妷夯蛴山涣麟妷鹤優(yōu)檗D(zhuǎn)角的感應(yīng)式微型電機。控制式自整角機發(fā)送機的勵磁繞組采用單相交流電源勵磁，其三相整步繞組和自整角機接收機的整步繞組對應(yīng)相接。自整角機接收機的輸出繞組接到伺服電動機的控制繞組，伺服電動機驅(qū)動負載轉(zhuǎn)動，通過減速器帶動自整角機接收機轉(zhuǎn)子構(gòu)成機械反饋，當自整角機接收機轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)后，失調(diào)角減小，輸出繞組的電壓信號減小，直到協(xié)調(diào)位置。

1.3 自整角機性能指標

自整角機性能指標主要有電氣誤差、比電壓、輸出相位移和速度誤差。

1）自整角機的精度由電氣誤差決定，分為三級：0 級為5′，1 級為10′，2 級為20′。

2）比電壓：自整角接收機輸出電壓和失調(diào)角關(guān)系曲線的斜率。其值等于在協(xié)調(diào)位置附近失調(diào)角變化1°時輸出電壓的增量，比電壓越大，控制系統(tǒng)越靈敏。

3）輸出相位移：自整角接收機輸出電壓的基波分量對自整角發(fā)送機激磁電壓分量的時間位移差。

4）速度誤差：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高時，發(fā)送機兩定子繞組切割轉(zhuǎn)子磁場而產(chǎn)生電勢，進而會產(chǎn)生附加電流和磁場，因此在接收機輸出繞組中感應(yīng)出電勢，使得接收機轉(zhuǎn)子最后所處的位置偏離協(xié)調(diào)位置。速度誤差與轉(zhuǎn)速成正比，速度誤差越小越好。

1.4 自整角機選擇依據(jù)

通常情況下，自整角機的選取取決于換料設(shè)備系統(tǒng)要求的精度，只要通過計算能證明自整角機精通道的精度大于系統(tǒng)要求的精度就可以。如果精度選擇過高，則會增加系統(tǒng)設(shè)計成本。自整角機尺寸規(guī)格要根據(jù)減速裝置安裝空間來選擇，同時所選的自整角機必須是雙軸伸，且安裝刻度盤的軸承要帶軸套。

2 自整角機信號轉(zhuǎn)換器設(shè)計

在燃料操作監(jiān)控系統(tǒng)中，為了設(shè)計通用的轉(zhuǎn)換模塊來滿足換料設(shè)備不同速比之間可調(diào)和自整角機清零功能等，設(shè)計研制一款新型的自整角機信號轉(zhuǎn)換器來滿足換料設(shè)備要求。

2.1 自整角機信號轉(zhuǎn)換器分類

自整角機信號轉(zhuǎn)換器依據(jù)不同標準研制兩種類型：微電路模塊和混合集成電路模塊。根據(jù)轉(zhuǎn)換精度不同，自整角機信號轉(zhuǎn)換器可以分為單通道和雙通道兩種。

單通道軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，抗沖擊性和抗震性好，可靠性較高，動態(tài)響應(yīng)能力強，相對成本低等特點（如圖1 所示）。采用兩個單通道數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)雙通道，工作過程是將兩個單通道模塊輸出兩種數(shù)據(jù)引入PLC，根據(jù)換料系統(tǒng)各單體設(shè)備精粗比值，按照相應(yīng)的算法，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能。

圖1 單通道模塊轉(zhuǎn)換Fig.1 Single channel module conversion

雙通道數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊由內(nèi)部粗精電路將軸角信號轉(zhuǎn)換成交流電信號，然后經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊將交流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過數(shù)據(jù)處理模塊進行粗精組合、數(shù)據(jù)糾錯等。最后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC。同單通道相比，雙通道轉(zhuǎn)換精度大大提高，尤其適用在工作環(huán)境較惡劣的情況下。如圖2所示，采用一個雙通道數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)雙通道，輸入接收設(shè)備精粗自整角機位置，精粗比值已固化在轉(zhuǎn)換模塊中，直接輸出設(shè)備當前位置的數(shù)字量。

圖2 雙通道模塊轉(zhuǎn)換Fig.2 Dual channel module conversion

圖3 單通道數(shù)字轉(zhuǎn)換器原理圖Fig.3 Schematic diagram of a single channel digital converter

圖4 自整角機信號轉(zhuǎn)換器電路連接Fig.4 Circuit connection of the signal converter for the synchro

2.2 自整角機信號轉(zhuǎn)換器工作原理

微電路模塊的自整角機信號轉(zhuǎn)換器是一種采用二階伺服回路設(shè)計和跟蹤技術(shù)，輸出與TTL 電平兼容的并行二進制碼，具有三態(tài)鎖存器功能。模數(shù)轉(zhuǎn)換單元主要是通過硬件電路來實現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換，硬件電路由斯科特（Scott）微型變壓器、高速數(shù)字式正余弦乘法器、誤差放大器、相敏解調(diào)器、積分器、壓控振蕩器（VCO）和可逆計數(shù)器組成[2]。其中，SCOTT 變壓器是一個關(guān)鍵性部件，它的作用是把自整角機的三相交流信號轉(zhuǎn)換成兩相正弦和余弦信號，采用SCOTT 變壓器又為信號源提供了有效的隔離。

自整角機輸出的三線電壓對應(yīng)連接到轉(zhuǎn)換器的S1、S2和S3 端，SCOTT 變壓器輸出正弦和余弦兩組信號[3]：

正弦信號：V1=KE0sinωtsinθ

余弦信號：V2=KE0sinωtcosθ

這里的θ 是自整角機軸角。

假定可逆計數(shù)器當前的代碼值是φ，高速數(shù)字式正余弦乘法器將V1乘以cosφ，V2乘以sinφ，兩信號在經(jīng)誤差放大器相減后得到：

經(jīng)相敏解調(diào)器、積分器、壓控振蕩器和可逆計數(shù)器形成一個閉環(huán)回路系統(tǒng)使sin（θ-φ）趨近于零。當這一過程完成時，可逆計數(shù)器的代碼值φ 在轉(zhuǎn)換器的額定精度范圍內(nèi)等于自整角機的軸角θ，這樣就實現(xiàn)了自整角機模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過三態(tài)鎖存器送至PLC 來進行精確定位。

2.3 自整角機信號轉(zhuǎn)換器的設(shè)計依據(jù)

通常自整角機信號轉(zhuǎn)換器是在自整角機選好的基礎(chǔ)上進行設(shè)計選擇，如果脫離了自整角機參數(shù)的要求，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量有可能與實際轉(zhuǎn)過的角度出現(xiàn)一定的誤差，導(dǎo)致出現(xiàn)錯誤的結(jié)果。

自整角機信號轉(zhuǎn)換器設(shè)計時考慮的重要參數(shù)：

①與自整角機對應(yīng)的勵磁電源和頻率；②自整角機輸出電壓的幅值；③自整角機的速比；④模塊功能滿足設(shè)計要求；⑤轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換精度；⑥輸出信號接口形式；⑦工作環(huán)境溫度。

2.4 自整角機信號轉(zhuǎn)換器功能設(shè)計

自整角機信號轉(zhuǎn)換器采用雙通道轉(zhuǎn)換器，主要功能是角度變換，采集雙通道自整角機輸出的信號，通過信號轉(zhuǎn)換器軸角轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，傳送至PLC 進行控制。

2.4.1 信號轉(zhuǎn)換器的速比可調(diào)設(shè)計

自整角機信號轉(zhuǎn)換器中的速比可調(diào)功能。在換料設(shè)備中，自整角機雙通道比值種類較多，需要在通用的自整角機信號轉(zhuǎn)換器中設(shè)置速比可以任意選擇，來滿足換料設(shè)備的要求。

普通的信號轉(zhuǎn)換器速比是固定的，不可調(diào)節(jié)。信號轉(zhuǎn)換器雙通道之間的速比要與自整角發(fā)送機一致，由于換料設(shè)備的粗精自整角機速比都不一致，比值有4、8、15、25、30、36、40、45、60、80 等。為了提高轉(zhuǎn)換器的通用性，減少模塊的備件數(shù)量，轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有雙通道速比可變換、調(diào)整功能，通過軟件或硬件撥碼開關(guān)驅(qū)動其內(nèi)部的控制單元來實現(xiàn)。

2.4.2 信號轉(zhuǎn)換器清零功能設(shè)計

在換料設(shè)備運動過程中，自整角機是唯一連續(xù)、實時測量機械位置的傳感器，它的零點確定在換料機控制系統(tǒng)中至關(guān)重要。當自整角機在隨動系統(tǒng)中用作測量角差時，在調(diào)整之前其發(fā)送機刻度盤上的讀數(shù)通常需要進行調(diào)零。

在換料設(shè)備中，為了方便轉(zhuǎn)換器輸出信號與機械位置的零點調(diào)整，現(xiàn)設(shè)計在信號轉(zhuǎn)換器上安裝調(diào)零功能，可自動將自整角機當前的位置設(shè)定為零位。

2.4.3 信號轉(zhuǎn)換器外形結(jié)構(gòu)設(shè)計

在燃料操作監(jiān)控系統(tǒng)中，自整角機信號轉(zhuǎn)換器采用集成方式，全部安裝在同一電氣柜內(nèi)。在設(shè)計信號轉(zhuǎn)換器外形結(jié)構(gòu)時，將功能模塊及接口電路安裝在密封盒內(nèi)，密封盒需自帶數(shù)字位置顯示，同時設(shè)計成帶有標準的DIN 導(dǎo)軌，并根據(jù)不同接口配備相應(yīng)接口和連接器，以備信號引出。密封盒應(yīng)具有體積小，易安裝，易維護，散熱好的功能。

3 自整角機和信號轉(zhuǎn)換器設(shè)計參數(shù)驗證

根據(jù)燃料操作監(jiān)控系統(tǒng)的定位精度的要求，換料設(shè)備角度定位精度是±2′，運動位移機構(gòu)定位精度±4mm。信號轉(zhuǎn)換器根據(jù)換料設(shè)備自整角機的雙通道比值和信號轉(zhuǎn)換器的分辨率，計算出自整角機誤差、信號轉(zhuǎn)換器誤差和系統(tǒng)誤差，同時要求系統(tǒng)誤差小于設(shè)備定位精度，這樣才能滿足換料設(shè)備精度要求，保證精準定位。

現(xiàn)以自整角機雙通道比值32 位、精度級別0 級5′，信號轉(zhuǎn)換器以分辨率16 位（轉(zhuǎn)換精度5″）為例，通過燃料操作監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)，計算自整角機誤差和信號轉(zhuǎn)換誤差，最終求出系統(tǒng)誤差，要求系統(tǒng)誤差在換料設(shè)備定位精度范圍內(nèi)。

1）自整角機誤差計算公式：

角度誤差值（′）=精（中）通道量程×5′/360°

位 移 誤 差 值（mm）= 精（ 中 ） 通 道 量 程×5′/60/360°

2）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換誤差計算公式：

角度誤差值（′）=64/粗/精（中）比×5″/60′

位 移 誤 差 值（mm）=64/ 粗/ 精（ 中 ） 比×5″/360°×K

其中，K 值是0.56mm/°，是運動部件自整角機位移值與轉(zhuǎn)角的比值。

3）系統(tǒng)誤差計算公式：

角度誤差值（′）=(（e自）2+（e轉(zhuǎn)）2)1/2

位移誤差值（mm）=(（e自）2+（e轉(zhuǎn)）2)1/2

最終，通過算出系統(tǒng)誤差小于換料設(shè)備的定位精度，滿足換料工藝位置檢測要求。

4 自整角機信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)控制柜設(shè)計

在燃料操作監(jiān)控系統(tǒng)中，自整角機信號轉(zhuǎn)換器是非標研發(fā)的雙速同步數(shù)字轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、電源模塊和通訊接口組裝在密封盒內(nèi)，所有換料設(shè)備的自整角機信號轉(zhuǎn)換器集中安裝在控制柜內(nèi)。自整角機信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)控制柜是整個換料系統(tǒng)的重要設(shè)計環(huán)節(jié)。

控制柜的設(shè)計主要包括兩個方面，一是柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計，即尺寸的確定、柜體強度設(shè)計和外觀造型，二是柜內(nèi)部設(shè)計，包括尺寸選擇、電氣元件布局、柜內(nèi)走線、通風(fēng)散熱等。

控制柜上集中安裝操作面板和顯示屏。操作面板上可以設(shè)置速比和清零功能，同時可以手動選擇投入與自整角機對應(yīng)的轉(zhuǎn)換器模塊；顯示屏應(yīng)能統(tǒng)一顯示轉(zhuǎn)換器的位置數(shù)據(jù)、狀態(tài)和故障信號。在顯示屏上需要顯示的狀態(tài)信號有：通斷電、溫度、勵磁電源電壓、頻率、自整角機輸出信號電壓、累計工作時間、通訊狀態(tài)和轉(zhuǎn)換器模塊編號等信息。

5 自整角機信號處理系統(tǒng)電源電路設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計輸入是粗精兩個通道模擬信號，按照模數(shù)轉(zhuǎn)換原理，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳送至PLC 進行控制，并在信號處理系統(tǒng)中設(shè)計顯示電路，用于顯示自整角機轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，判斷自整角機的接線轉(zhuǎn)換是否正確。

5.1 電源設(shè)計

本系統(tǒng)自整角機和信號轉(zhuǎn)換器電源電路采用分布式設(shè)計，外部電源提供交流220V，各個信號轉(zhuǎn)換器模塊需要的電源（24VDC）均通過AC-DC 電源模塊自己產(chǎn)生，系統(tǒng)所需要的勵磁電源由DC-AC 模塊轉(zhuǎn)換成交流115V，400Hz供自整角機和信號轉(zhuǎn)換器勵磁使用。

5.2 自整角機信號轉(zhuǎn)換器電路

自整角機信號轉(zhuǎn)換器電路按照模塊管腳定義，連接相應(yīng)信號（如圖5 所示）。

圖5 自整角機信號轉(zhuǎn)換器站點設(shè)置圖Fig.5 Setting diagram of the signal converter station for the synchro

5.3 勵磁電源設(shè)計

由于燃料操作監(jiān)控系統(tǒng)采用直流共母線的驅(qū)動電源形式，取消了換料單機控制柜，所以自整角機轉(zhuǎn)換器也采用集中控制方式，全部安裝在同一控制柜內(nèi)，使用統(tǒng)一的勵磁電源供電，采用這種方式可以提高供電效率及可靠性。

6 自整角機信號傳輸系統(tǒng)設(shè)計

6.1 接口通訊

在燃料操作監(jiān)控系統(tǒng)中，冗余PLC 與上位組態(tài)系統(tǒng)之間通過冗余的工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊，冗余PLC 與現(xiàn)場傳感器及控制器通過冗余的PROFIBUS DP 網(wǎng)絡(luò)進行通訊，而對于不支持冗余網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)備通過Y-LINK 轉(zhuǎn)換為單鏈路的DP 總線后，再連接相應(yīng)設(shè)備。自整角機信號轉(zhuǎn)換器輸出接口采用RS485 或PROFIBUS-DP 接口，可以直接與燃料操作監(jiān)控系統(tǒng)相連，通過DP 單總線與Y-LINK 通訊，轉(zhuǎn)換為雙總線上傳至PLC，可實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)的可靠上傳。

6.2 信號轉(zhuǎn)換模塊站點設(shè)置

在燃料操作監(jiān)控系統(tǒng)中，換料設(shè)備約需數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊28 套，由于Y-LINK 的寄存器字節(jié)數(shù)必須符合244 字節(jié)入/244 字節(jié)出的限制，也就是地址范圍最大244 字節(jié)，一個站點轉(zhuǎn)換模塊占用12 字節(jié)。為滿足Y-LINK 地址范圍要求，本方案中設(shè)計兩個Y-LINK 模塊連接28 個信號轉(zhuǎn)換器模塊站點（如圖5 所示）。OLM 模塊是現(xiàn)場總線光纖中繼器，支持Profibus-DP 總線，獨立雙總線接口，為冗余雙網(wǎng)系統(tǒng)提供安全高效的光纖冗余長距離傳輸及中繼功能。

6.3 Profibus-DP協(xié)議現(xiàn)場總線通訊

Profibus-DP 是為換料控制設(shè)備中分散的I/O 設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備所需要的高速數(shù)據(jù)通信設(shè)計的，物理傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、光纖、無線傳輸。通訊是基于主從原理，DP 從站被DP 主站按輪詢表依次訪問。Profibus-DP 系統(tǒng)通信中的響應(yīng)方自整角機信號轉(zhuǎn)換器，不能主動發(fā)送數(shù)據(jù)請求。

6.4 輸出信號處理

自整角機信號轉(zhuǎn)換器將自整角機的模擬位置信號變換為數(shù)字信號輸出至PLC 進行定位控制。在換料設(shè)備運行過程中，自整角機信號轉(zhuǎn)換器輸出的二進制編碼數(shù)字信號可能會出現(xiàn)信號跳變，跳變值如果超出了行程范圍，則PLC誤認為行程到位而停止運行。針對這個問題，在PLC 程序設(shè)計過程中，加入脈沖寬度調(diào)制指令（PWM）來處理自整角機信號轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號。

指令語句[1]：

n1：脈沖ON 時間

n2：脈沖周期

D：脈沖輸出的軟元件

程序執(zhí)行過程：在脈沖D 的上升過程中，PLC 采集自整角機信號轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號并存儲一次；經(jīng)過n1 時間，在脈沖D 的下降過程中，PLC 再采集自整角機信號轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號并存儲一次。通過比較兩次采集的數(shù)據(jù)。如果兩次采集的數(shù)據(jù)相等，則作為正確自整角機位置指示值進入PLC 控制程序。在PLC 程序中，增加了PWM指令，則改善了PLC 接收自整角機信號轉(zhuǎn)換器數(shù)字位置信號穩(wěn)定性。

7 結(jié)束語

自整角機信號處理系統(tǒng)方案設(shè)計從最初的換料設(shè)備位置指示的調(diào)研，信號轉(zhuǎn)換器的設(shè)計、信號轉(zhuǎn)換器控制柜設(shè)計到數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計和處理，充分考慮了燃料操作監(jiān)控系統(tǒng)中換料設(shè)備的運行特點、功能需求和精度要求，各方面均達到了系統(tǒng)設(shè)計要求。本系統(tǒng)方案的設(shè)計為下一步信號轉(zhuǎn)換模塊、信號轉(zhuǎn)換控制柜和信號處理系統(tǒng)樣機設(shè)計制造提供了理論依據(jù)和設(shè)計基礎(chǔ)。