核燃料换料机驱动系统控制研究与设计
穆兆辉12，李卫东1，刘烧1
（1.大连理工大学电气工程学院，辽宁大造116024；2.中科华核电技术研究院，广东深圳518124）
摘要：核燃料换料机驱动系统控制是换料机运行的基础，其他系统是图绕驱动系统设计的，本文简要介绍了换料机的组成和功能，分析换料机的驱动模式和控制方式，采用PLC直接控制变额调速器，使电机大车两侧的同步运行：利用小车的机械刚性，采用贯穿轴的一拖一驱动模式和闭环控制方式完成小车的 工作更加平稳，根据大车、小车和主提升的控制要求，采用双测二拖二驱动模式和复合式控制方式实现准确定位：采用一拖一驱动模式和闭环控制方式，解决主提升的多次启停和反复换速的控制保护难题，关键词：PMC；换料机：驱动系统；控制
中图分类号：TM623.1 文章标志码：A
文章编号：0258-0918（2015)02-0339-05
Research&Design of theDriveSystem of the Nuclear Fuel Manipulator Crane
MU Zhao-hui LI Wei-dong' LIU Rao²
(1. College of Eletrical Engineering Dalian University of Technology. Dalin of Liaoting Prov. 116024 Chinss2. China Nuclear Power Technology Research Institute Shenzhen of Guangdong Prov. 518124 Chins)
Abstract; The control of the drive system of the nuclear fuel manipulator crane (MC) isthe essential for the operation of the MC and other systems are designed around thedrive system. This paper gives a brief introduetion to the position and function ofMC analyses its drive mode and control method and applies PLC to control the frequency converter directly to help the motor work more stable. Based on the controlrequirements of the bridge trolley and hoist the system of the hoist applies drive modewith 2-drag-2 on both sides and pounding control method to realize simultaneousoperation of both sides and 1-drag-1 on through-going axes and closed loop controlmethod to have precise location of the trolley the using of 1-drsg-1 drive mode and closed loop control method to solve the control protection difficulties of the hoist whichrepeatedly stop/start and change the speed.
核燃料换料机[（ManipulatorCrane，心的设备.换料机位于反应堆侧（RX侧）水的控制.池上方，主要由大车、小车、主提升和辅吊构成，基本功能是在反应堆和传输系统（燃料转运装两台变频调速器各独立控制一台电机，该控制置）之间运输核燃料组件，能在X-Y-Z三个空间坐标上移动，并可以在堆芯内进行0～360° 的旋转.
换料机驱动系统控制是换料机运行的基础，其他系统是围绕驱动系统设计的.换料机与普通桥式吊车类似，但在定位精度、运行速三种方式： 度、运行平稳性、同步控制、核燃料组件保护等方面要求更高，核燃料的装卸是大修的关键路径.换料机驱动系统在控制中存在反复定位、大车两侧运行不同步、主提升多次启停和反复换速的控制保护等难题，因此，有必要对换料 机的驱动系统、驱动模式、控制方式和设计方案进行深人研究，将成熟的新技术、新方法应用到驱动系统的控制中，提高装卸核燃料的各方面性能.
1驱动模式和控制方式
换料机的控制系统通常采用上位机速器（Drive）一电机（Motor）的控制模式.上位 （Computer）-可编程控制器（PLC）-变频调机通常选用触摸屏式工控机，变频调速器通常选用控制功能强的变频调速器，电机通常选用伺服电机，可编程控制器采用两套PLC（工作PLC和安全PLC）.换料机的驱动模式、控制方式和驱 动系统均基于上述硬件配置进行研究和设计.
1.1驱动模式
根据变额调速器对何服电机的控制，驱动模式主要包括以下三种：
（1）一拖一模式.一拖一模式即一台变颜调速器控制一台电机，该控制模式使用设备少，成本低，控制较简单，适用于小跨度或两侧为同传动轴驱动的控制.
一台变频调速器控制二台电机.该控制模式比
单侧一拖一模式多使用一台电机，控制稍复杂，MC）也称为装卸料机，属于核燃料运输贮存系两侧运行速度一致，不能调整两侧误差，适用于统（PMC）的子系统，是整个PMC系统最为核两侧控制精度高、跨度大、自身不会产生位移差
（3）双侧二拖二模式.双侧二拖二模式即模式使用设备多，成本高，控制复杂，但可自我调整两侧偏差，适用于大跨度的控制，但若控制 程序的设计不好，故障率高.
1.2控制方式
目前，电机驱动的控制方式主要包括以下
（1）开环控制方式.控制简单，控制精度低.
（2）闭环控制方式.控制复杂，需要对电机和换料机的运行状态进行、跟踪，
（3）复合控制方式.是开环控制和闭环控制的结合.
2大车驱动系统设计
2.1控制要求
换料机大车位于反应堆水池上方，沿水池两侧的直线轨道运行，大车跨度7.9m，全部行程约20m，最大速度18m/min，最小速度1m/min，旁路速度0~3m/min，静止定位精度1mm，高 速运行时轨道两侧位置偏差要求小于10mm，低速运行时轨道两侧位置偏差要求小于5mm.换料机大车跨度大、行程比较长、速度快、定位精度要求高，故大车两侧的同步运行比较困难，直接影响定位精度.
2.2驱动系统设计
（1）驱动模式
目前，国内、外换料机大车均采用单缘车轮安装一对导向轮（该侧称为导向侧）.由于大车 和钢轨轨道设计，在一侧轨道前、后车轮外侧各跨度大、行程长、设备重，若采用单侧一拖一模式，即靠大车机械结构的刚性由导向侧带动非导向侧运行，大车两侧在动态和静态均会产生（2）双侧一拖二模式，双侧一拖二模式即过大位移差，车轮长时间与导轨边缘摩擦，容易 损伤车轮和轨道，电机长期过载运行，会烧毁电
机.若选用双侧一拖二模式，大车两侧电机驱 动完全一致，但由于电机运行误差以及机械设备加工误差、车轮打滑、两侧惯性不同等原因，大车两侧位移无法保持完全一致，运行时间越长，两侧差值可能越大，该差值无法自我调整.
S≤-a V²=V=v，V²=V-b=v-b △S≥a，V=V=u V=Vb=ub式中，V，为导向侧速度；V：为非导向侧速度；v为程序给定速度；V为导向侧PLC下一个扫描周期的速度：V为非导向侧PLC下一个扫 描周期的速度：△S为导向侧与非导向侧位移差；S为导向侧位移；S：为非导向侧位移；a为位移差设定值（为正值）；b为速度修正设定值（为正值，由PLC的PID模块计算值）.为保证据导向侧速度进行调整，导向侧速度按照程序速 运行时的位移差不超过允许值，非导向速度根度进行运行，该控制方式属于开环控制.
经过上述分析，大车驱动模式应采用双侧二拖二模式，每侧由独立电机驱动，每个电机由独立变频调速器控制，才能够解决大车两侧的同步偏差问题.
（2）控制方式
大车采用二拖二模式，既要保证每侧的定位精度，又要保证两侧电机的同步控制.由于开环控制的控制精度低，难以保证定位要求，故大车每侧的电机控制，应采用闭环控制.为保证 两侧电机的同步控制，可以采用主从控制，即以导向侧的位移为主，非导向侧跟随导向侧运行.
经过上述分析，大车每侧电机的控制采用闭环控制，两侧的同步控制采用开环控制，对于 整个大车驱动系统控制采用复合式控制.
（3）设计方案
根据大车的驱动模式和控制方式，驱动系统的控制方案[2]如图1所示.图1中采用绝对值编码器进行位置检测，增量编码器进行速 度检测，为更好实现两侧的同步控制，还采取了如下措施：①限制主电机的最大速度，使从电机有超过主电机速度的能力：②停运时，先停静态位移差值. 止主电机，后停止从电机，非导向侧进一步调整
启动时，导向侧速度与非导向侧速度相同，即：
运行过程中，当导向侧位移与非导向侧产生位移差时，非导向侧速度根据位移差值进行调整，即：
图1大车二拖二模式塑动系统控制方案
Fig. 1 2-drag-2 control scheme of the bridge drive system
模式，通过减速齿轮箱的贯穿轴同时驱动两 侧车轮，靠机械结构的刚性调整两侧的位移差.
3小车驱动系统设计
3.1控制要求
（2）控制方式
换料机小车位于大车上方，沿大车前后侧直线轨道运行，小车跨度2.2m，全部行程5.2m，最大速度12m/min，最小速度1m/min， 旁路速度0~3m/min.静止定位精度1mm，换料机小车跨度小，运行过程中两侧位移差很小，故工程上对差值没有具体要求.
小车与大车导向侧驱动模式一致，控制方式也与导向侧相同，采用闭环控制.
（3）设计方案
根据小车的驱动模式和控制方式，驱动系统的控制方案如图2所示.图2中小车的驱动别在于小车的两个绝对值编码器安装在一侧， 系统控制方案与大车导向侧控制方案一致，区元余设置.
3.2驱动系统设计
（1）驱动模式
由于小车跨度小、行程短，可采用一拖一
图2小车一推一模式驱动系统控制方案
Fig. 2 1-drag-1 control scheme of the trolley drive system
钢丝绳状态等数据，并对关键保护措施余设计.
4主提升驱动系统设计
4.2驱动系统设计
4.1控制要求
伸缩套筒与夹爪相连，通过卷筒上的钢丝绳 换料机主提升通过夹爪抓取核燃料组件，带动在垂直方向运行.主提升行程约9m，最大速度12m/min，最小速度1m/min，旁路速度0~3m/min，静止定位精度3mm.在装卸 料过程中，主提升在0点、套筒口、堆芯口和推芯底部运行时电机多次启停且反复换速.为保证核燃料组件的安全，主提升驱动系统要对溜钩、断轴等极端事故充分考虑，采取 多重保护措施，实时监控速度、位移、载荷、
（1）驱动模式
主提升在垂直方向运动，是由电机驱动卷简运行，这点与大车和小车不同，但驱动模式与小车类似，使用一台变额调速器驱动一台电机，可归结为采用一拖一模式.
（2）控制方式
主提升的控制方式与小车控制方式相同，采用闭环控制.由于主提升在垂直方向受重力影响，需对极端事故采取多重保护措施，并对关 键措施余设计.
（3）设计方案
又采取了如下措施：①换料机上电后，非故障状态，余安全刹车保持打开：②电机启动时，安全刹车先打开，电机制动器后打开，电机停止时，相反：③实时监测速度、位移、载荷、钢丝绳状态闭，严重故障时，余安全刹车也同时关闭. 等数据，异常时，电机制动器和安全刹车立即关
根据主提升的驱动模式、控制方式和其运行的特殊性，驱动系统的控制方案如图3所示.图3中增加了主提升特殊的保护信号，为实现主提升多次启停和反复换速的要求，本系统除采用 了电机制动器外，还增加了安全刹车余设置，
图3主提升一拖一模式驱动系统控制方案
Fig. 3 1-drag-1 control scheme of the bhoist drive system
5结论
参考文献：
吊车的驱动模式和控制方式，采用PLC作为中 核燃料换料机驱动系统控制方案根据桥式央控制单元，将PLC直接控制变频调速器，可灵活、方便地控制电机的速度和加速度，电机工作更加平稳，采用双侧二拖二驱动模式和复合式控制方式解决了大车两侧的同步问题；利用 小车的机械刚性，采用贯穿轴的一拖一驱动模式和闭环控制方式解决了小车的定位精度问题：增加保护信号，多重设置保护设备，有序控制电机制动器和安全刹车，采用一拖一驱动模 式和闭环控制方式，解决了主提升多次启停和反复换速过程中的安全保护问题，
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按照上述方案设计的换料机工程样机已经研制成功，并顺利通过国家能源局组织的验收，通过在大亚湾核电基地培训中心近一年的培训 应用，效果良好，
