燃料轉運裝置接力驅動及防撞齒控制系統研究

舒艷榮，李波，裴圣旺，萬雪梅

（1.北京航天自動控制研究所，北京 100854；2.中國核電工程有限公司 儀控設計所，北京 100841）

1 概述

由于華龍一號堆型相對于二代改進型的核島廠房布置發生了諸多的變化，對燃料運輸系統最直接的影響就是轉運通道的延長，受限于燃料轉運艙長度的限制，現有的運輸小車驅動機構及小車手動應急機構已經不能滿足使用要求，運輸小車無法達到預定的工作位置，需要設計一種新型的燃料轉運裝置及其控制系統，使運輸小車能夠到達指定的工作位置，因此改為了轉運小車兩側接力傳動方式。伴隨著新的機械接力設計，電控系統增加了水下接力控制、防撞齒控制、拉線編碼器控制系統等內容。針對上述燃料轉運裝置功能需求上發生的變化，結合以往工程項目的設計經驗，燃料轉運裝置電控系統的科研設計重點和難點在于如何有效地保證設備安全接力、傳輸，使整個換料過程安全可靠。

2 燃料轉運裝置控制系統功能

2.1 接力控制系統的功能

燃料轉運裝置接力驅動控制系統主要功能是控制機械接力機構完成燃料轉運裝置在燃料廠房（KX）與反應堆廠房（RX）之間的運輸。主要包括以下環節。

燃料組件從燃料廠房（KX）運輸到反應堆廠房（RX）時，到達RX側接力位置，觸發RX水下接力限位開關，此時RX側接力離合器齒輪超越電機驅動軸開始轉動，電機驅動軸不動。

RX水下限位開關觸發，啟動RX側電機，驅動軸轉動，此時KX側電機并未停止，兩側電機以不同轉速同時運轉，轉運裝置由KX側電機驅動。

RX側電機以略快于KX側電機的轉速運行，在RX側接力離合器轉動角度300°范圍內完成接力（調試過程中發現設備接力一般發生在150°左右），此時轉運小車完全脫離KX側，由RX側電機驅動， KX側電機經過防撞齒控制系統判定后停止，KX側離合器自動復位。

卸料過程與此基本相同，只是轉運方向相反。燃料轉運裝置接力驅動功能圖如圖1所示。

圖1 燃料轉運裝置接力驅動功能圖

2.2 防撞齒控制系統的功能

由于接力離合器的存在，轉運裝置小車在接力操作的時候有概率會跟離合器齒輪的齒尖部位碰撞，造成設備損壞。為了保證轉運小車能夠安全可靠地完成接力，保護運輸設備及燃料組件的完整性因此增加了防撞齒控制系統，用以控制機械的防撞齒檢測機構運行。其主要功能是在轉運裝置小車完成接力后，自動調節脫離轉運小車一側的電機的停止位置，使接力離合器停在非撞齒位置。若停止于撞齒位置，則在下一個換料操作開始前啟動手動調節，避免了因齒輪齒尖與設備碰撞導致離合器損壞的問題。防撞齒控制系統硬件如圖2所示。

圖2 防撞齒控制系統硬件

2.3 控制系統功能需求分析

對雙層安全殼燃料轉運裝置接力及防撞齒控制系統的工藝技術要求和運行操作流程進行詳細分析，總結出所有的關鍵技術條件和控制接口，得到完整的燃料轉運裝置接力驅動及防撞齒控制系統功能需求，用以指導燃料轉運裝置接力驅動及防撞齒控制系統軟硬件設計。控制系統構架如圖3所示。

圖3 燃料轉運裝置電控系統構架

3 燃料轉運裝置控制系統硬件設計

3.1 總體設計

燃料轉運裝置貫穿于兩個廠房之間，控制系統硬件包含了KX側及RX側。在每側的接力驅動機構上配備2個非接觸式磁力限位開關，防撞齒檢測機構上配備了1個槽型光電傳感器。

傳感器的信號通過硬接線傳送至接線箱，然后送入控制柜中的PLC進行邏輯判斷。兩側（KX側與RX側）的PLC通過以太網和硬接線進行通信及數據交換。控制臺上的操作開關、按鈕信號通過硬接線進入控制系統，利用操作臺人機界面進行顯示及控制。

上位機（人機界面）與PLC之間用以太網交換機相連，再通過調制解調器來實現KX側與RX側之間的數據通信，最終實現同側、對側之間的數據交互。控制系統硬件配置如圖4所示。

圖4 控制系統硬件配置圖

3.2 水下限位開關選型

水下限位開關需要根據機械軌道所預留的空間大小進行選型，也需要考慮限位開關最大感應距離及磁鐵目標物的尺寸。過大或過小的感應距離均會對系統穩定性造成影響。華龍一號雙層安全殼轉運裝置水下限位開關均采用REEL的DIL-3水下接近開關。接力離合器如圖5所示，接力限位開關如圖6所示。

圖5 接力離合器

圖6 接力限位開關

3.3 槽型光電傳感器選型

槽型光電傳感器的選型根據防撞齒檢測機構中圓型轉盤（如圖2）來選型，而且由于傳感器距離電機很近，在電機低速運轉的時候容易受到干擾，因此在安裝上也需要進行屏蔽處理。小車電機防撞齒限位采用Baumer的FGUM 050P6901/S35A槽型光電傳感器。

4 燃料轉運裝置控制系統軟件設計

4.1 控制系統軟件平臺

燃料轉運裝置電控系統軟件采用Siemens Step 7及Wincc Flexible軟件平臺進行開發，Siemens Step 7是一種用于SIMATIC S7-300站創建可編程邏輯控制程序的標準軟件，可使用梯形圖、功能塊等語句進行編程操作。

電控系統軟件包括上位機人機界面和下位機軟件兩部分。上位機畫面運行在一臺嵌入式工業觸摸屏上，實現對燃料轉運裝置各個控制環節的實時監控、顯示及操作，其中包括接力驅動及防撞齒控制的顯示。

上位機軟件基于Wincc Flexible開發，它主要用于組態用戶界面以操作和監視設備運行。在接力驅動及防撞齒控制系統中主要用到以下功能。

（1）過程可視化：在人機界面上顯示轉運裝置的位置。

（2）操作員對接力過程的控制：通過圖形界面控制接力過程及手動觸發防撞齒程序。

（3）顯示報警：燃料轉運裝置運行過程中遇到的如接力位置碰撞、通信模式中斷等報警均會在人機界面中顯示。

（4）用戶歸檔記錄功能：與報警顯示功能搭配使用，可記錄報警狀態、操作員登陸信息等，也可檢索以前產生的數據。

（5）過程和設備參數管理：可將所有用戶歸檔記錄的數據從人機界面下載到移動存儲設備或PLC中。

上位機畫面如圖7所示。

圖7 上位機畫面

下位機程序下裝在SIMATIC S7 PLC中運行。接力驅動及防撞齒控制系統的邏輯判斷都是靠下位機軟件完成的。上位機和下位機軟件之間采用TCP/IP協議，通過工業以太網進行通信，燃料廠房側與反應堆廠房側之間通過以太網及硬接線冗余方式通訊，實現數據采集和控制指令的交互。

4.2 接力驅動控制系統軟件設計

水下接力控制程序的設計思路是在兩側（KX與RX）的接力區域各安裝兩個水下限位開關，作為設備接力操作的判斷條件之一，2個水下開關互為冗余，其中一個限位觸發，本側電機立即啟動。同時系統還加入了編碼器數據作為本側接力操作的另一個條件，轉運裝置運行到設定的位置時，本側電機啟動。兩個條件為“或”的關系，保證了其中一方故障時接力操作仍可繼續進行，提高系統的可靠性。

以轉運裝置從KX側出發前往RX側為例，當轉運裝置進入RX側接力區域后，RX側電機啟動，但設備此時還是靠KX側的電機驅動，在兩側電機帶動下的各自離合器以不同的速率旋轉（RX側電機轉速略快于KX側電機），RX側離合器超越電機驅動軸運行，最終旋轉大約150°的位置完成接力，即RX側驅動轉運裝置。脫離轉運裝置小車的KX側電機執行自動防撞齒程序，在滿足條件后停止。部分接力系統邏輯梯形圖如圖8所示。

圖8 接力邏輯梯形圖

圖9 防撞齒程序

4.3 防撞齒控制系統軟件設計

為了解決由于接力操作帶來的離合器齒輪碰撞問題，機械上增加了一套防撞齒檢測機構，同時電控系統中也增加了對應的防撞齒控制程序。

主要設計思路是在兩側電機的防撞齒檢測機構上各安裝1個槽型光電傳感器，用來檢測接力離合器齒輪是否處于“撞齒”位置，也是控制本側電機停止的判定條件之一。控制系統采集光電傳感器的信號，當轉運小車完成對側接力操作，脫離本側接力離合器的時候，依靠此信號判斷是否執行電機停止命令。

電機停止命令的另一個判定條件是位置編碼器度數，即在程序設定的一個位置區間內搜索光電傳感器信號，一旦傳感器在此區間觸發，本側電機立即停止。槽型光電傳感器的觸發條件為接收器接收到掃過圓形轉盤開槽的紅外射線。為確保不發生機械碰撞，控制系統增加了手動防撞齒檢測程序作為機械防撞的二次確認。

以轉運裝置從KX側出發前往RX側為例，當完成一次換料過程，小車再次前往RX側換料時，系統會在轉運裝置出發前檢測RX側接力離合器齒輪的狀態，若RX側槽型光電開關紅外射線未被障礙物遮擋，則認為當前齒輪未處于撞齒狀態，轉運裝置啟動，完成運輸工作。若紅外射線被障礙物遮擋，人機界面會彈出窗口提示需要執行手動防撞齒程序，按照提示操作，最終只有在光電傳感器信號觸發時才可執行換料操作。

綜上，防撞齒控制系統包含了自動防撞齒程序及手動防撞齒程序，大大提高了整個控制系統的安全可靠性，也進一步避免了轉運裝置在接力過程中發生機械碰撞，損壞關鍵設備。部分防撞齒程序如圖9所示，系統流程如圖10所示。

5 設備調試期間遇到的問題及解決辦法

在燃料轉運裝置調試過程中，設計人員在測試自動防撞齒程序時發現RX側離合器始終無法在“非撞齒”位置停止，相反的每次停止位置都距離用以檢測撞齒位置的不銹鋼槽非常遠，而控制系統程序執行的內容是光電傳感器掃過不銹鋼槽后發出停止命令，因此正常情況下每次停止位置都應該在不銹鋼槽上。經過設計人員反復試驗對比，發現問題出現在信號干擾上，導致光電傳感器在電機慢速運行時信號嚴重不穩定，指示燈頻繁閃爍。而最簡單直接的辦法就是對光電傳感器進行絕緣處理，使其金屬安裝板不發生接觸，利用絕緣膠帶做隔離，最終解決了該問題。

圖10 接力驅動及防撞齒控制系統流程圖

6 結語

華龍一號燃料轉運裝置作為停堆換料期間燃料運輸及反應堆運行期間隔離反應堆廠房與燃料廠房的關鍵設備之一，承擔著燃料運輸環節安全可靠的重要任務，因此燃料轉運裝置電控系統的可靠性和安全性顯得尤為重要。與M310堆型相比，電控系統在設計合理性、可靠性以及人員的職業安全性等方面都有了較大提升。華龍一號燃料轉運裝置電控系統相比M310堆型具有如下特性。

（1）提升了設備的可靠性。伴隨機械設計的改進而帶來的風險，電控系統需要通過嚴謹的邏輯將其降到最低。控制系統增加的水下接力冗余判斷、防撞齒判斷等新功能，確保整套設備安全可靠運行。

（2）提高了設計合理性。新增的拉線盒編碼器相對于軸編碼器來說，在接力位置測量的精度更高，彌補了軸編碼器因為雙側接力驅動切換而導致的位置數據偏差問題，而且安裝、拆卸方便，有效減少了現場安裝的時間成本。

[1]廖常初，陳曉東．西門子人機界面組態與應用技術[M]．北京：機械工業出版社，2008．

[2]姜建芳．西門子S7-300/400 PLC工程應用技術[M]．北京：機械工業出版社，2012．