燃料转运装置接力驱动及防撞齿控制系统研究

舒艳荣，李波，裴圣旺，万雪梅

（1.北京航天自动控制研究所，北京 100854；2.中国核电工程有限公司 仪控设计所，北京 100841）

1 概述

由于华龙一号堆型相对于二代改进型的核岛厂房布置发生了诸多的变化，对燃料运输系统最直接的影响就是转运通道的延长，受限于燃料转运舱长度的限制，现有的运输小车驱动机构及小车手动应急机构已经不能满足使用要求，运输小车无法达到预定的工作位置，需要设计一种新型的燃料转运装置及其控制系统，使运输小车能够到达指定的工作位置，因此改为了转运小车两侧接力传动方式。伴随着新的机械接力设计，电控系统增加了水下接力控制、防撞齿控制、拉线编码器控制系统等内容。针对上述燃料转运装置功能需求上发生的变化，结合以往工程项目的设计经验，燃料转运装置电控系统的科研设计重点和难点在于如何有效地保证设备安全接力、传输，使整个换料过程安全可靠。

2 燃料转运装置控制系统功能

2.1 接力控制系统的功能

燃料转运装置接力驱动控制系统主要功能是控制机械接力机构完成燃料转运装置在燃料厂房（KX）与反应堆厂房（RX）之间的运输。主要包括以下环节。

燃料组件从燃料厂房（KX）运输到反应堆厂房（RX）时，到达RX侧接力位置，触发RX水下接力限位开关，此时RX侧接力离合器齿轮超越电机驱动轴开始转动，电机驱动轴不动。

RX水下限位开关触发，启动RX侧电机，驱动轴转动，此时KX侧电机并未停止，两侧电机以不同转速同时运转，转运装置由KX侧电机驱动。

RX侧电机以略快于KX侧电机的转速运行，在RX侧接力离合器转动角度300°范围内完成接力（调试过程中发现设备接力一般发生在150°左右），此时转运小车完全脱离KX侧，由RX侧电机驱动， KX侧电机经过防撞齿控制系统判定后停止，KX侧离合器自动复位。

卸料过程与此基本相同，只是转运方向相反。燃料转运装置接力驱动功能图如图1所示。

图1 燃料转运装置接力驱动功能图

2.2 防撞齿控制系统的功能

由于接力离合器的存在，转运装置小车在接力操作的时候有概率会跟离合器齿轮的齿尖部位碰撞，造成设备损坏。为了保证转运小车能够安全可靠地完成接力，保护运输设备及燃料组件的完整性因此增加了防撞齿控制系统，用以控制机械的防撞齿检测机构运行。其主要功能是在转运装置小车完成接力后，自动调节脱离转运小车一侧的电机的停止位置，使接力离合器停在非撞齿位置。若停止于撞齿位置，则在下一个换料操作开始前启动手动调节，避免了因齿轮齿尖与设备碰撞导致离合器损坏的问题。防撞齿控制系统硬件如图2所示。

图2 防撞齿控制系统硬件

2.3 控制系统功能需求分析

对双层安全壳燃料转运装置接力及防撞齿控制系统的工艺技术要求和运行操作流程进行详细分析，总结出所有的关键技术条件和控制接口，得到完整的燃料转运装置接力驱动及防撞齿控制系统功能需求，用以指导燃料转运装置接力驱动及防撞齿控制系统软硬件设计。控制系统构架如图3所示。

图3 燃料转运装置电控系统构架

3 燃料转运装置控制系统硬件设计

3.1 总体设计

燃料转运装置贯穿于两个厂房之间，控制系统硬件包含了KX侧及RX侧。在每侧的接力驱动机构上配备2个非接触式磁力限位开关，防撞齿检测机构上配备了1个槽型光电传感器。

传感器的信号通过硬接线传送至接线箱，然后送入控制柜中的PLC进行逻辑判断。两侧（KX侧与RX侧）的PLC通过以太网和硬接线进行通信及数据交换。控制台上的操作开关、按钮信号通过硬接线进入控制系统，利用操作台人机界面进行显示及控制。

上位机（人机界面）与PLC之间用以太网交换机相连，再通过调制解调器来实现KX侧与RX侧之间的数据通信，最终实现同侧、对侧之间的数据交互。控制系统硬件配置如图4所示。

图4 控制系统硬件配置图

3.2 水下限位开关选型

水下限位开关需要根据机械轨道所预留的空间大小进行选型，也需要考虑限位开关最大感应距离及磁铁目标物的尺寸。过大或过小的感应距离均会对系统稳定性造成影响。华龙一号双层安全壳转运装置水下限位开关均采用REEL的DIL-3水下接近开关。接力离合器如图5所示，接力限位开关如图6所示。

图5 接力离合器

图6 接力限位开关

3.3 槽型光电传感器选型

槽型光电传感器的选型根据防撞齿检测机构中圆型转盘（如图2）来选型，而且由于传感器距离电机很近，在电机低速运转的时候容易受到干扰，因此在安装上也需要进行屏蔽处理。小车电机防撞齿限位采用Baumer的FGUM 050P6901/S35A槽型光电传感器。

4 燃料转运装置控制系统软件设计

4.1 控制系统软件平台

燃料转运装置电控系统软件采用Siemens Step 7及Wincc Flexible软件平台进行开发，Siemens Step 7是一种用于SIMATIC S7-300站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形图、功能块等语句进行编程操作。

电控系统软件包括上位机人机界面和下位机软件两部分。上位机画面运行在一台嵌入式工业触摸屏上，实现对燃料转运装置各个控制环节的实时监控、显示及操作，其中包括接力驱动及防撞齿控制的显示。

上位机软件基于Wincc Flexible开发，它主要用于组态用户界面以操作和监视设备运行。在接力驱动及防撞齿控制系统中主要用到以下功能。

（1）过程可视化：在人机界面上显示转运装置的位置。

（2）操作员对接力过程的控制：通过图形界面控制接力过程及手动触发防撞齿程序。

（3）显示报警：燃料转运装置运行过程中遇到的如接力位置碰撞、通信模式中断等报警均会在人机界面中显示。

（4）用户归档记录功能：与报警显示功能搭配使用，可记录报警状态、操作员登陆信息等，也可检索以前产生的数据。

（5）过程和设备参数管理：可将所有用户归档记录的数据从人机界面下载到移动存储设备或PLC中。

上位机画面如图7所示。

图7 上位机画面

下位机程序下装在SIMATIC S7 PLC中运行。接力驱动及防撞齿控制系统的逻辑判断都是靠下位机软件完成的。上位机和下位机软件之间采用TCP/IP协议，通过工业以太网进行通信，燃料厂房侧与反应堆厂房侧之间通过以太网及硬接线冗余方式通讯，实现数据采集和控制指令的交互。

4.2 接力驱动控制系统软件设计

水下接力控制程序的设计思路是在两侧（KX与RX）的接力区域各安装两个水下限位开关，作为设备接力操作的判断条件之一，2个水下开关互为冗余，其中一个限位触发，本侧电机立即启动。同时系统还加入了编码器数据作为本侧接力操作的另一个条件，转运装置运行到设定的位置时，本侧电机启动。两个条件为“或”的关系，保证了其中一方故障时接力操作仍可继续进行，提高系统的可靠性。

以转运装置从KX侧出发前往RX侧为例，当转运装置进入RX侧接力区域后，RX侧电机启动，但设备此时还是靠KX侧的电机驱动，在两侧电机带动下的各自离合器以不同的速率旋转（RX侧电机转速略快于KX侧电机），RX侧离合器超越电机驱动轴运行，最终旋转大约150°的位置完成接力，即RX侧驱动转运装置。脱离转运装置小车的KX侧电机执行自动防撞齿程序，在满足条件后停止。部分接力系统逻辑梯形图如图8所示。

图8 接力逻辑梯形图

图9 防撞齿程序

4.3 防撞齿控制系统软件设计

为了解决由于接力操作带来的离合器齿轮碰撞问题，机械上增加了一套防撞齿检测机构，同时电控系统中也增加了对应的防撞齿控制程序。

主要设计思路是在两侧电机的防撞齿检测机构上各安装1个槽型光电传感器，用来检测接力离合器齿轮是否处于“撞齿”位置，也是控制本侧电机停止的判定条件之一。控制系统采集光电传感器的信号，当转运小车完成对侧接力操作，脱离本侧接力离合器的时候，依靠此信号判断是否执行电机停止命令。

电机停止命令的另一个判定条件是位置编码器度数，即在程序设定的一个位置区间内搜索光电传感器信号，一旦传感器在此区间触发，本侧电机立即停止。槽型光电传感器的触发条件为接收器接收到扫过圆形转盘开槽的红外射线。为确保不发生机械碰撞，控制系统增加了手动防撞齿检测程序作为机械防撞的二次确认。

以转运装置从KX侧出发前往RX侧为例，当完成一次换料过程，小车再次前往RX侧换料时，系统会在转运装置出发前检测RX侧接力离合器齿轮的状态，若RX侧槽型光电开关红外射线未被障碍物遮挡，则认为当前齿轮未处于撞齿状态，转运装置启动，完成运输工作。若红外射线被障碍物遮挡，人机界面会弹出窗口提示需要执行手动防撞齿程序，按照提示操作，最终只有在光电传感器信号触发时才可执行换料操作。

综上，防撞齿控制系统包含了自动防撞齿程序及手动防撞齿程序，大大提高了整个控制系统的安全可靠性，也进一步避免了转运装置在接力过程中发生机械碰撞，损坏关键设备。部分防撞齿程序如图9所示，系统流程如图10所示。

5 设备调试期间遇到的问题及解决办法

在燃料转运装置调试过程中，设计人员在测试自动防撞齿程序时发现RX侧离合器始终无法在“非撞齿”位置停止，相反的每次停止位置都距离用以检测撞齿位置的不锈钢槽非常远，而控制系统程序执行的内容是光电传感器扫过不锈钢槽后发出停止命令，因此正常情况下每次停止位置都应该在不锈钢槽上。经过设计人员反复试验对比，发现问题出现在信号干扰上，导致光电传感器在电机慢速运行时信号严重不稳定，指示灯频繁闪烁。而最简单直接的办法就是对光电传感器进行绝缘处理，使其金属安装板不发生接触，利用绝缘胶带做隔离，最终解决了该问题。

图10 接力驱动及防撞齿控制系统流程图

6 结语

华龙一号燃料转运装置作为停堆换料期间燃料运输及反应堆运行期间隔离反应堆厂房与燃料厂房的关键设备之一，承担着燃料运输环节安全可靠的重要任务，因此燃料转运装置电控系统的可靠性和安全性显得尤为重要。与M310堆型相比，电控系统在设计合理性、可靠性以及人员的职业安全性等方面都有了较大提升。华龙一号燃料转运装置电控系统相比M310堆型具有如下特性。

（1）提升了设备的可靠性。伴随机械设计的改进而带来的风险，电控系统需要通过严谨的逻辑将其降到最低。控制系统增加的水下接力冗余判断、防撞齿判断等新功能，确保整套设备安全可靠运行。

（2）提高了设计合理性。新增的拉线盒编码器相对于轴编码器来说，在接力位置测量的精度更高，弥补了轴编码器因为双侧接力驱动切换而导致的位置数据偏差问题，而且安装、拆卸方便，有效减少了现场安装的时间成本。

[1]廖常初，陈晓东．西门子人机界面组态与应用技术[M]．北京：机械工业出版社，2008．

[2]姜建芳．西门子S7-300/400 PLC工程应用技术[M]．北京：机械工业出版社，2012．