钠冷快堆新组件装载机控制系统设计

谢 ,正，董升国，朱皓，张喜梅

摘要：新组件装载机是钠冷快堆新组件工艺运输系统中的关键设备，主要实现组件的抓取、插入，以及转移工作。为了实现高效精确的抓取和释放组件，根据设备控制要求设计了一套主要由西门子PLC及伺服控制器组成的半闭环交流伺服控制系统，其主要功能是对装载机执行机构进行驱动控制、设备的内外部联锁保护、各种信息的显示和存储以及报警等功能，最终实现组件的抓取、转移和释放。

关键词：新组件装载机；控制系统；交流伺服；钠冷快堆

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在中国实现“2060碳中和”的战略大背景下，核电以其清洁、高效等优势备受青睐。其中钠冷快堆是六种最有希望的第四代核能系统之一，具有广阔的发展前景和商业用途[1]。核燃料组件是核电站输出核电的源泉，是核反应堆的核心部件，直接影响核电站的安全性、可靠性和经济性。

1   新组件装载机结构及其传感器

在钠冷快堆的新组件入堆的最首端，新组件工艺运输系统的新组件装载机扮演着关键角色。各类新组件在新燃料厂房通过测量并满足相关参数要求后，才能最终被运输至反应堆厂房从而最终入堆。从燃料厂运送来的各类新组件以新组件运输容器的形式进入了新燃料厂房，人工通过吊车将其水平放置在翻转机上后，通过翻转机将其翻转到垂直位置。

1．1  新组件装载机结构

新组件装载机具有定位精度要求高和定位点多的特点，它主要由导向管及抓手部件、导向柱部件、底座部件、支承及连接部件、导向管轮系、抓手升降部件及转位驱动部件等组成。

抓手升降部件及转位驱动部件的传动动力为交流伺服电机，其它部件均无动力。导向管及抓手部件借助抓手升降机构提供的动力上升、下降，实现对新组件的抓取和释放；转位驱动部件用于驱动转位机构做旋转运动。工艺和控制参数详见表1所示。

表1  工艺和控制参数表

序号	工艺和控制参数	参数数据
1	抓手升降精度	±5mm
2	转位精度	±5mm
3	升降最大工作行程	4749mm(新组件装载机和厂内运输桶)、4665mm(不合格桶)、6001mm(通规)
4	单次转位动作时间	≤150s
5	抓手升降速度（快）	9m/min
6	抓手升降速度（慢）	0.5m/min

1．2  新组件装载机传感器

传感器信号的反馈是定位控制系统中不可缺少的要素。控制系统是根据传感器信号的反馈来进行偏差减少的定位控制，同时依据现场反馈的各种超限保护信号进行超限判断、报警显示和停车。

2  新组件装载机控制系统设计

2．1  控制系统组成

新组件装载机控制系统是以可编辑程序控制器（PLC）作为逻辑控制核心，以伺服控制器作为运动定位核心的半闭环控制系统。主要包括PLC控制器S7-1500、HMI操作面板、伺服控制器S120、各种传感器、操作按钮开关、状态指示灯及配电器件等组成。控制系统结构如图1所示。

1）PLC      完成整个系统的逻辑控制。PLC 系统主要包含了CPU 模块、I/O 模块等，通过与伺服控制器S120的PROFINET通讯获取负载的实际位置以及电机驱动系统的状态信息，同时通过数字输入口接收各个检测开关信号进行监控，主要完成各个传感器信息采集、逻辑运算、联锁控制、定位指令下达等功能。

2）伺服控制器S120       交流伺服控制主要包括伺服控制单元（CU）、电源模块（SLM）和电机模块（GF）。根据PLC的定位指令和参数，控制伺服电机旋转，以完成给定位置的闭环控制，实现设备的精确定位。

3）HMI操作面板      现场操作的人机界面，操作人员动作指令和参数输入界面，通过PROFINET通讯与PLC数据交换，并将与设备相关的所有电气信息在相关界面上显示出来，供操作人员使用。

2．2  控制原理

西门子伺服SINAMICS S120内部具有基本定位器和位置控制器，它可计算出电机轴的运行特性，使电机轴以时间最佳的方式准确地移动到目标位置。

以装载机抓手升降部件为例，控制系统接收到HMI操作面板或上位机监控系统下发的目标位置指令后，PLC通过与S120的PROFINET通讯，向伺服控制器S120下发速度和位置数据。同时电机端编码器通过DRIVE-CLIQ通讯实时向伺服控制器S120反馈电机运行时速度和位置，指令位置与反馈位置的偏差，形成位置环控制。伺服控制器S120接收到定位偏差后，由速度环调整伺服电机运行速度形成速度环控制，而速度调节通过电流环进行电流大小的调节，最终控制了新组件装载机的抓手升降部件的运行。

抓手升降部件负载端编码器通过DRIVE-CLIQ通讯实时向伺服控制器S120反馈抓手升降部件的实际位置，在伺服电机运动过程中和定位结束后，PLC把负载端编码器测量值和电机端编码器反馈值进行实时比较判断，位置确认，如果两者差值超出定位精度值，控制系统立即报警并停机。

2．3  控制方式

新组件装载机具有就地、远程两种控制方式，装载机单机控制柜设置了相应的控制模式切换开关。其中就地控制方式还分为自动控制和点动控制。除以上两种控制模式，还有联锁旁路模式和手摇运行模式。

（1）就地控制：分为点动控制和自动控制2种模式，就地操作模式是在新组件装载机单机控制柜上实现新组件装载机的抓手的升降定位运动以及导向柱旋转定位运动。

1）点动控制：操作员按住控制按钮时，装载机抓手或导向柱以固定速度运行，松开控制按钮时，装载机抓手或导向柱停止运行。

2）自动控制：分为单步动作和组合动作。

单步动作：单独驱动装载机的抓手或导向柱电机动作。自动完成从一个工位向另一个工位的自动定位控制（例如：抓手从上部位运动至下部位，导向柱从运输容器位置运动至通规位置）。

组合动作：驱动装载机的抓手电机动作，自动判断抓手位置和负载重量，自动实现组件的抓取或插入控制。

（2）远程控制：上位监控系统通过通讯总线向本控制系统发送指令信号，本控制系统接收到指令信号后通过自身控制器内的程序实现点动、单步和组合动作控制。

（3）联锁旁路模式：本模式仅用于就地的设备调试和检修。在此运行模式下，控制系统将旁路设备外部联锁，内部联锁仍起作用，仍可保持正常运行速度（快、慢速功能）。

（4）手摇运行模式：本模式主要在上述电控运行模式失效的情况时使用，所有电气控制执行功能均禁止，所有电气联锁保护功能均失效。当外部电源正常时，在手动模式下，应保证控制系统对设备位置状态的监测和显示。

3  总结

当前在钠冷快堆现场的新组件入堆前的实际操作过程中，该设备控制系统已经过了多次考验，运行安全可靠。在钠冷快堆快速发展的现代，该控制系统应用于新组件装载机的定位和故障保护具有非常广阔的前景。

参考文献：

[1] 杨红义,过明亮.中国实验快堆的设计创新与实现[J].原子能科学技术,2020,54(S1):199-205.

[2] 成松柏，王丽等. 第四代核能系统与钠冷快堆概论[M]. 北京：国防工业出版社，2017：107-109.

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