秦二廠裝卸料機控制系統關鍵算法分析及控制邏輯缺陷處理

王 遠，吳斌榮，劉事成

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

裝卸料機系統大車、小車、主提升和與其相配套控制系統，是核電站停堆換料期間完成反應堆換料的關鍵設備，它不僅事關反應堆與燃料組件的安全，同時它的可靠性、穩定性和操控性對核電站的經濟性和燃料組件操作的安全性會產生直接影響，對核電站停堆換料工作的順利進行也起到了關鍵的作用。

自2014 年，秦山第二核電廠1/2#機組裝卸料機完成升級改造工作后，秦二廠所有4 臺機組裝卸料機已經全部采用美國PaR 公司裝卸料機控制系統，此套控制系統采用先進的控制算法，使裝卸料機運行效率得到了極大提高，平均能夠將裝料或卸料時間壓縮至33h 左右。

新裝卸料機控制系統，采用雙處理器控制系統，其主要構成包括：PLC 系統、上位機、載荷系統、伺服電機驅動系統。

PaR 公司裝卸料機采用可編程控制器PLC 作為裝卸料機邏輯控制主要部件，同時配置主PLC 和安全PLC，邏輯控制程序使用標準的“梯形圖”作為編程語言，實現裝卸料機在整個裝/卸料過程中的運動控制和安全保障。Intouch 軟件進行人機交互界面組態，PLC 通過CPU 上的以太網口與上位機進行通訊，實現人機數據交換。裝卸料機控制系統核心包括：堆芯地圖算法、大小車運動控制系統及定位、主提升運動控制系統及定位、抓具控制系統、電子稱重系統、攝像監控系統[1]。本文通過對裝卸料機控制程序的深入分析，充分研究控制程序中關鍵算法，為裝卸料機運行維護人員提供了參考。

1 裝卸料機控制程序分析

1.1 堆芯地圖算法

堆芯地圖是裝卸料機控制系統中的核心關鍵程序，用于追蹤堆芯在裝/卸料過程中的動態變化情況，為裝卸料機自動運行、偏移運行提供數據支持。程序中為每一個燃料組件位置配置一個“位”，當相應的“位”被放入或提出燃料組件時，相應的“位”將被置“1”或“0”。為保證在上位機出現故障情況下，堆芯地圖仍然能夠正常工作，堆芯地圖算法由PLC 程序完成，而非上位機程序。PLC 程序基于堆芯中心點坐標和燃料組件中心距，應用數學方法為堆芯生成一個“格架”，使PLC 始終“知道”裝卸料的位置。秦二廠堆芯采用13×13 布局，共有燃料組件121 組，堆芯布置形式如圖2 所示。

圖1 PaR公司裝卸料機控制系統結構圖Fig.1 PaR Company loading and unloading machine control system structure diagram

圖2 秦二廠堆芯布置圖Fig.2 Core layout of Qin No.2 Plant

根據60 萬千瓦核電機組堆芯分布特點，在PLC 程序中，堆芯地圖包含在一組由%R01903～%R01928 共26 個寄存器中。它們組成一組26 個寄存器*16 位的數列，每一行燃料使用2 個16 位寄存器即32 位進行表示，見表1。

表1 堆芯地圖寄存器排列表Table 1 List of registers of core map

當燃料組件插入堆芯后，數列中相應的“位”將被置“1”；同理，當燃料組件被移出后，數列中相應的位將被置“0”。由于秦二廠最大橫向或豎向組件數為13，因而僅使用低位16 位寄存器即可滿足判斷燃料組件裝載情況要求。

根據二進制與十進制數轉化方法，16 位二進制數轉化為十進制數的最大值為65535，即堆芯全部為裝載情況。當堆芯為全空載狀態時，即代表燃料組件格架的寄存器位均為“0”時，堆芯各行組件對應16 位寄存器數值如圖3所示。

圖3 堆芯空載情況及其對應16位寄存器數值Fig.3 No-load condition of the core and its corresponding 16-bit register value

為使裝卸料機始終能夠準確判斷堆芯燃料組件置位情況，同時為計算堆芯“開放水域”提供數據支持，控制程序使用CPI（Core Pointer Index）作為數列指針，用于指示表示堆芯裝載情況的寄存器中哪一個數位發生變化，并將其置為相應數值。

CPI 基于大/小車坐標進行計算。當程序判斷堆芯出現裝載或卸載情況后，PLC 程序將現有大車/小車坐標數據輸入指針計算子程序CPCALC。CPI 計算示意圖如圖4 所示。

圖4 CPI計算示意圖Fig.4 Schematic diagram of CPI calculation

控制程序中，首先分別計算出大車堆芯地圖偏置（綠線）、小車堆芯地圖偏置（紅線）：

其中：燃料組件中心距=215mm；大車堆心坐標：15580mm；小車堆心坐標：2560mm。

以燃料組件F6（15841.4，27550）為例，其CPI 計算如下：

為了對計算得出的CPI 值進行有效性判斷，控制程序將處于堆芯邊界位置的燃料組件CPI 作為該行組件CPI 判斷的下限或上限如圖5 所示。

圖5 堆芯邊界燃料組件CPIFig.5 CPI of fuel assembly at the core boundary

如：N8 和N6 分別為N 行燃料組件下限或上限，E12和E2 分別為E 行燃料組件下限或上限。處于邊界位置的燃料組件CPI 被存儲于一個由%R01861～%R01886 共26個寄存器組成的13 行×2 列的數組，見表2。

表2 組件CPI寄存地址轉化數組表Table 2 Component CPI register address conversion array table

控制程序通過目標組件位置大車坐標計算出組件所在行，并計算出組件CPI，并判斷組件CPI 是否在所在行組件CPI 范圍內。若在范圍內，則判斷組件位置有效；否則，判斷為無效。

1.2 開放水域計算

為確定是否允許裝卸料機進行偏移運動，需要一種算法計算出目標燃料組件位置周圍的組件情況，控制程序將目標組件位置周圍8 個組件分別設置為序號為1～8 的組件位如圖6 所示。

圖6 目標組件位周圍1～8的組件位Fig.6 Component positions 1 to 8 around the target component position

控制程序以目標組件位置CPI 為基準，計算出目標組件位周圍8 個組件位置CPI，由CPI 計算公式可知：

獲取周圍組件CPI 后，程序通過CPI 判斷相應組件位置燃料置位情況，同時也對目標位本身組件情況進行判斷。若目標組件位置周圍存在與圖7 類似相鄰3 個組件位置為空的情況，則判斷目標組件位置是開放水域，允許裝卸料機進行偏移運動[2]。

圖7 開放水域示意圖Fig.6 Schematic diagram of open water

1.3 偏移計算

為提升裝卸料機工作效率，通常在裝/卸料過程中采用偏移法進行裝/卸操作。偏移法使用情況包括：

1）自動/半自動裝料情況

在自動/半自動操作時，控制程序以HMI 輸入的目標組件位置的大車、小車坐標為基準，計算出目標組件位置CPI 值，然后將CPI 值輸入開放水域判斷程序，判斷目標組件位置是否存在開放水域。若存在開放水域，則控制程序根據開放水域方位，以目標大車/小車位置分別偏移90mm 位置為偏移運動的目標位置。

2）開放水域判斷

將燃料組件從堆芯卸出，即卸料操作。程序將大車、小車當前位置坐標作為CPI 計算依據，并判斷當前位置是否存在開放水域，計算出大、小車可以進行偏移運動的目標位置。

下面結合秦二廠常用裝/卸方式，以第4 種開放水域情況進行說明如圖8 所示。

圖8 裝卸料機偏移位置Fig.8 Offset position of loading and unloading machine

大車偏移位置=大車目標位置-90mm

小車偏移位置=小車目標位置+90mm

程序將裝卸料機大、小車偏移位置周圍±92.5mm 范圍作為“偏移臨時區域”，在此區域內，允許操作大、小車運動（圖8 紅色虛線框）。

組件目標位置±6.4mm 范圍內為最終就位允許范圍（圖9 小綠框）。

圖9 偏移畫面示意圖Fig.9 Schematic diagram of offset screen

組件偏移區（圖9 大綠框）：

大車坐標-76.2mm，大車坐標+1.3mm

小車坐標-1.3mm，大車坐標+76.2mm

1.4 主提升控制

主提升控制在裝卸料機控制系統中有著舉足輕重的作用，其控制算法安全與否，直接關系到燃料組件的安全。

主提升控制包括：抓具控制、速度控制、運動區域等。

1.4.1 抓具控制

抓具是主提升中直接與燃料組件接觸的部件，其狀態分為脫口與嚙合兩種，控制程序對兩種抓具狀態進行了嚴格的邏輯判斷，以保證燃料組件安全。

1.4.2 運動區域控制

為保證燃料組件安全并提升裝卸料機工作效率，根據裝卸料機運行中的不同工況，控制系統對主提升運行區域進行了明確劃分。這些區域的劃分，將用于主提升運動速度控制及抓具控制。主提升區域劃分點包括：

1.4.3 主提升速度控制

為保證燃料組件安全并提高主提升運動效率，主提升運動過程中需要根據主提升所在區域，對其運動速度進行限制。

1）主提升在堆芯區

主提升在堆芯區控制較為復雜，根據主提升載荷情況可分為帶載和空載兩種情況。其中，為提高裝/卸料效率，對于主提升帶載情況可分為偏移運動和非偏移運動。

控制程序根據主提升與堆芯位置關系，將主提升運動高度范圍分成不同區間，并對區間內運行速度進行限制，以保證安全的前提下提升主提升運動效率如圖10 所示。

圖10 堆芯區主提升運動控制Fig.10 Main lifting motion control in the core area

2）主提升在傾翻區

主提升在傾翻區內動作情況簡單，典型動作是將燃料組件放入承載器或將燃料組件從承載器中提出，不存在偏移運動情況。通過對主題升區域程序進行分析，可以形成主提升在傾翻區內區域分布情況如圖11 所示。

圖11 傾翻區主提升運動控制Fig.11 Main lifting motion control in the tipping zone

2 控制邏輯缺陷處理

邏輯缺陷，是指控制程序中隱藏的一些錯誤、缺陷、漏洞等問題。裝卸料機作為直接操作燃料組件的關鍵設備，對其可靠性提出了更高的要求。當前秦山二廠4 臺機組使用的PaR 公司裝卸料機控制系統，經過多重試驗驗證以及多年現場運行，其運行效率高、穩定、可靠。

然而，在現場使用過程中，也發現了一些問題。

2.1 海南昌江核電傾翻機與燃料組件接觸事件

2018 年12 月20 日10 點03 分，昌江核電在進行202大修裝料過程中，執行第101 步裝料，將第101 步組件從RX 側傾翻機提出過程中，抓具嚙合燈異常熄滅，傾翻機與裝卸料機聯鎖保護信號消失（正常情況下聯鎖保護信號消失后，允許轉運裝置操作員下放傾翻機）。稍后，操作員操作傾翻機下降，傾翻機立即報“欠載”自動停止，懷疑組件與傾翻機承載器有異常接觸，隨后該組組件運回KX 廠房進行水下電視檢查，確認組件無異常。同時對裝卸料機故障進行檢查，發現裝卸料機脫扣限位擋塊位置異常，重新調整限位擋塊位置后，故障消失，隨后用假組件驗證裝卸料機功能正常。

秦山第二核電廠1/2#機組PMC 系統裝料過程與昌江核電一致，裝卸料機從傾翻架中提出組件過程中，存在抓具脫扣嚙合限位開關與裝卸料機聯鎖、裝卸料機與傾翻機聯鎖。

針對昌江核電出現的問題，秦二廠對燃料操作過程中裝卸料機聯鎖情況進行排查，包括：

1）抓具脫扣嚙合限位開關與裝卸料機聯鎖驗證

根據控制邏輯如圖12 所示，裝卸料機主提升在帶載起升過程中，若出現嚙合信號丟失，5 s 內將出現“GRIPPER HANGUP”信號，同時出現抓具報警聲。因Gripper Hang-Up 信號為大/小車運動聯鎖條件，出現此信號時，大/小車均無法動作。

圖12 GripperHang-Up信號邏輯Fig.12 Gripper HangUp signal logic

同時，由于抓具嚙合信號參與主提升運動控制，抓具嚙合信號丟失時，主提升無法動作如圖13 所示。

圖13 主提升運動允許信號邏輯Fig.13 The logic of main hoisting movement permission signal

經驗證，抓具脫扣嚙合限位開關與裝卸料機聯鎖滿足邏輯要求。

2）裝卸料機主提升在傾翻區域，模擬抓具嚙合限位開關信號，對傾翻機進行操作，驗證其與傾翻機是否有聯鎖關系。

此驗證分兩種情況進行：

◇ 主提升帶載、抓具嚙合信號丟失

驗證結果：①主題升高度＞4000mm 時，抓具嚙合信號丟失，傾翻機操作臺上Upender not clear 聯鎖信號出現，傾翻機無法動作；②主提升高度≤4000mm 時，抓具嚙合信號丟失，傾翻機操作臺上Upender not clear 聯鎖信號未出現，傾翻機可以動作（危險狀態，與昌江核電事件一致）。

◇ 主提升空載、抓具脫扣信號丟失

驗證結果：①主題升高度＞4000mm 時，抓具脫扣信號丟失，傾翻機操作臺上Upender not clear 聯鎖信號出現，傾翻機無法動作；②主提升高度≤4000mm 時，抓具脫扣信號丟失，傾翻機操作臺上Upender not clear 聯鎖信號未出現，傾翻機可以動作。

3）裝卸料機主提升在傾翻區域，模擬裝卸料機“主提升帶載不在上限位”信號，對傾翻機進行操作，驗證其與傾翻機是否有聯鎖關系。

驗證結果：傾翻機操作臺上Upender not clear 聯鎖信號出現，傾翻機無法動作。

4）裝卸料機主提升在傾翻區域，模擬裝卸料機“主提升不帶載且不在套筒內”信號，對傾翻機進行操作，驗證其與傾翻機是否有聯鎖關系。

驗證結果：傾翻機操作臺上Upender not clear 聯鎖信號出現，傾翻機無法動作。

由以上驗證可知，當主提升帶載且高度＜4000mm 時，主提升與傾翻機聯鎖信號消失，此時傾翻機可以動作，通過檢查控制邏輯，發現邏輯存在缺陷如圖14 所示。

圖14 主提升與傾翻機邏輯聯鎖Fig.14 The logic interlock between the main hoist and the tilting machine

抓具帶載邏輯異常，還將導致抓具脫口聯鎖失效如圖15 所示。同時，使抓具“允許動作”狀態異常如圖16 所示，即：在任何小于4000mm 范圍內，操作人員可以操作抓具開關至脫扣位置，如果抓具不存在機械自鎖裝置，將會造成抓具真實脫口，引起組件掉落。

圖15 抓具脫口聯鎖失效Fig.15 Disconnect interlock failure of the gripper

圖16 抓具“允許動作”狀態異常Fig.16 Abnormal status of gripper "allowed action"

圖17 抓具帶載邏輯修改Fig.17 Modification of gripper loading logic

2.2 邏輯修改建議

刪除抓具帶載邏輯中嚙合限位信號。原邏輯中抓具帶載邏輯判斷由載荷信號與抓具信號組成，故障概率為二者故障概率之和，刪除嚙合限位信號后，抓具帶載邏輯只與載荷信號相關，能夠有效降低故障概率。

3 結論

PaR 公司裝卸料機控制系統在保證燃料組件安全前提下，極大地提高了裝卸料機運行效率。研究控制程序中運用獨特算法，為檢修人員維護裝卸料機提供了有力幫助；同時，也為技術開發人員提供參考。運行過程中出現的一些程序BUG，也說明了優秀控制程序中可能隱藏著一些嚴重缺陷，更需要深入研究控制程序，防止因為控制程序缺陷導致威脅或損害燃料組件安全的事件出現。