CN102360201B - 应用集成运动控制功能plc的核电站装卸料机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于核电站装卸料机的控制领域，具体为一种应用集成运动控制功能PLC的核电站装卸料机控制系统，包括操作控制台、具有人机界面的触摸屏计算机和PLC控制器，所述的PLC控制器为运行PLC和安全PLC组成的双PLC系统；其中运行PLC为集成运动控制功能的PLC控制器，负责装卸料机的数据采集、逻辑控制、联锁保护、运动解算和伺服驱动方面的功能；安全PLC为通用型PLC，负责装卸料机的安全保护系统功能。本发明完全实现了装卸料机的半、全自动操作；大车同步运动；大、小车协调精确自动定位；电视摄像杆的手、自动运行等技术难点。在实现装卸料机各部件精准运动的同时，还提供了全面可靠的联锁保护功能。

Description

应用集成运动控制功能PLC的核电站装卸料机控制系统

技术领域

本发明属于核电站装卸料机的控制领域，具体为一种应用集成运动控制功能PLC的核电站装卸料机控制系统。

背景技术

装卸料机是核电站停堆换料期间完成反应堆换料的关键设备，它们的操作对象是反应堆燃料组件。从国内外核电站的运行经验来看，装卸料机的综合性能对核电站的经济性和燃料组件操作的安全性会产生直接影响。实现装卸料机的全自动数字化控制可以进一步提高换料效率、提高燃料操作的安全性和可靠性。对比国产装卸料机只提供单一手动操作的现状，新型全自动数字化的装卸料机优化提高了各机构的运行速度；提供了半自动和全自动操作模式，实现了大、小车的精确自动定位；并在半自动、全自动操作模式下能够采用偏移法操作，提高了装卸料效率；增强了人机界面的交互功能，减轻操作人员的劳动强度。

实现全自动数字化控制和运行参数的优化，从而提高装卸料机的安全可靠性能和经济性，是当今世界核电站装卸料系统主要发展方向。

缩短装卸料机更换燃料组件时间关键在于：

1)高效、可靠的驱动设备和优化的工艺运行路径；

2)采用快速度自动定位系统；

3)安全、快速度提取及放下核燃料组件控制、检测系统；

4)具有优秀人机界面、高度容错性能控制系统；

5)一个简化操作，又能自动远距离操作程序及简化维护、维修程序。

发明内容

本发明的目的是提供一套全新的控制系统解决装卸料机的全自动数字化控制的技术问题，在提高装卸料机运行效率的同时进一步增强其自身的安全可靠性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种应用集成运动控制功能PLC的核电站装卸料机控制系统，包括操作控制台、具有人机界面的触摸屏计算机和PLC控制器，所述的PLC控制器为运行PLC和安全PLC组成的双PLC系统。其中运行PLC为集成运动控制功能的PLC控制器，负责装卸料机的数据采集、逻辑控制、联锁保护、运动解算和伺服驱动等方面的功能；安全PLC为通用型PLC，负责装卸料机的安全保护系统功能。操作台上的各操作按钮、显示信号灯和数显表与运行PLC控制器连接，触摸屏计算机与运行PLC控制器通过总线连接；集成运动控制功能的PLC控制器通过接口模块采集现场设备的数字I/O信号、编码器和载荷传感器的信息，进行计算处理后，再通过接口模块将控制指令发送给伺服驱动器，使其完成对伺服电机的精准控制；集成运动控制功能的PLC控制器与接口模块之间采用高速总线连接，组成分布式的运动控制系统。装卸料机的安全保护系统信号与安全PLC相联。

进一步，如上所述的应用集成运动控制功能的PLC的核电站装卸料机控制系统，其中，运行PLC为集成运动控制功能的PLC，将工艺技术与运动控制集成在一起，使用成熟的工艺模块，实现复杂的控制任务；集成运动控制功能的PLC与伺服驱动器之间通过接口模块联接，运行PLC与接口模块之间通过DP(Drive)总线通信，DP(Drive)具有时钟同步特性，确保定时向伺服驱动器发送控制指令，实现定周期控制；同时通过接口模块，可以实现不同厂家驱动器，即可以连接伺服驱动器(控制伺服电机)，连接变频驱动器(控制异步电机)，连接步进电机(控制步进电机)。既可实现速度控制，也可以实现精确的位置控制，具有良好的可扩展性。

进一步，如上所述的应用运动型PLC的核电站装卸料机控制系统，其中，所述的集成运动控制功能的PLC控制器的控制功能模块包括：

a)循环调用模块，实现子程序模块的调用；

b)固定周期调用模块，为保证对大小车、主提升的实时控制，运行PLC控制器与伺服驱动的接口模块之间通过DP(DRIVE)总线通信，DP(DRIVE)具有时钟同步特性，确保定时向伺服驱动器发送控制指令，实现定周期控制；

c)编码器、伺服驱动器初始值设置模块，用于对系统进行初始化设置；d)堆芯栅格维护管理模块，实现堆芯栅格装卸料记录和管理；

e)大车行走、速度控制模块，用于根据实时的大车位置，判断允许大车向前、向后运行条件，根据不同的操作模式，对大车运行的方向和速度进行控制；

f)小车行走、速度控制模块，用于根据实时的小车位置，判断允许小车向左、向右运行条件，根据不同的操作模式，对小车运行的方向和速度进行控制；

g)主提升升降、速度控制模块，用于根据实时的主提升位置，判断允许主提升向上、向下运行条件，根据不同的操作模式，对主提升运行的方向和速度进行控制；

h)电视杆升降、速度控制模块，用于根据实时的电视杆位置，判断允许电视杆上升、下降运行条件，根据不同的操作模式，对电视杆运行的方向和速度进行控制；

i)大车驱动模块，接收大车行走、速度控制模块的指令，进行伺服驱动器驱动指令的解算，对驱动器进行控制；

j)小车驱动模块，接收小车行走、速度控制模块的指令，进行伺服驱动器驱动指令的解算，对驱动器进行控制；

k)主提升驱动模块，接收主提升行走、速度控制模块的指令，进行伺服驱动器驱动指令的解算，对驱动器进行控制；

l)电视杆驱动模块，接收电视杆行走、速度控制模块的指令，进行伺服驱动器驱动指令的解算，对驱动器进行控制；

m)抓具啮合和脱扣控制模块，用于判断允许抓具啮合和脱扣的条件，对抓具的啮合和脱扣操作进行控制；

n)故障处理模块，用于故障检测以及故障复位；

o)保护系统模块，用于系统的安全保护功能；

p)显示模块，用于显示大、小车、主提升的位置坐标以及载荷重量；

q)自动、半自动模块，实现装卸料机的自动、半自动操作；

r)偏移法换料模块，实现在选择偏移法换料时，控制系统根据当前堆芯燃料组件的排列情况，自动计算大小车正确的偏移位置，不需要操作员人工计算和干预

进一步，如上所述的应用集成运动控制功能PLC的核电站装卸料机控制系统，其中，该系统通过PLC控制器的自动、半自动模块实现半自动操作模式和全自动操作模式；通过PLC控制器的保护系统模块在对设备运动进行实时监控的同时执行安全运动保护联锁功能。

进一步，如上所述的应用集成运动控制功能的PLC的核电站装卸料机控制系统，其中，控制系统在半自动操作模式和全自动操作模式下，能够采用偏移法换料操作，显著提高主提升在全运动行程的速度，同时避免燃料组件之间的摩擦和碰撞，实现快速装卸料操作。

本发明的有益效果如下：本发明通过集成运动控制功能的PLC控制器的逻辑处理单元实时地采集和监测由现场级设备反馈来的位移和重量等信息，加以计算实时地得到运动控制指令并发送至PLC控制器的工艺功能模块，使其对驱动器进行控制。集成运动控制功能的PLC控制器可以根据操作员的操作变化做出超快速响应，提高了装卸料机动作的精准性。

本发明完全实现了装卸料机的半、全自动操作；大车同步运动；大、小车协调精确自动定位；电视摄像杆的手、自动运行等技术难点。在实现装卸料机各部件精准运动的同时，还提供了全面可靠的联锁保护功能。

附图说明

图1为本发明控制系统组成结构框图；

图2为大、小车自动运行控制程序流程图；

图3为大、小车协调运动程序流程图；

图4为凸轮传动程序流程图；

图5为电视杆的程序流程图；

图6为电视杆驱动程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示，本发明所提供的装卸料机控制系统包括操作控制台、具有人机界面的触摸屏计算机和PLC控制器，所述的PLC控制器为运行PLC和安全PLC组成的双PLC系统。其中，运行PLC为集成运动控制功能的PLC控制器，负责装卸料机的数据采集、逻辑控制、联锁保护、运动解算和伺服驱动等方面的功能；安全PLC为通用型PLC，负责装卸料机的安全保护系统功能。操作台上的各操作按钮、显示信号灯和数显表与运行PLC控制器连接，触摸屏计算机与运行PLC控制器通过总线连接；集成运动控制功能的PLC控制器通过接口模块采集现场设备的数字I/O信号、编码器和载荷传感器的信息，进行计算处理后，再通过接口模块将控制指令发送给伺服驱动器，使其完成对伺服电机的精准控制；集成运动控制功能的PLC控制器与接口模块之间采用高速总线连接，组成分布式的运动控制系统。装卸料机的安全保护系统信号与安全PLC相联。

操作人员利用操作控制台和人机界面触摸屏按钮对装卸料机进行操作，集成运动控制功能的PLC控制器接收控制台和触摸屏的控制指令信息，经过逻辑和控制运算处理后发送运动指令控制大小车、主提升、电视杆伺服驱动器和抓具动作，并将大小车、主提升、电视杆和抓具等运动状态反馈到控制台、触摸屏画页上显示。小车的平台上设置控制台对装卸料机进行操作。控制台上设有一个倾斜操纵面板和一个垂直的显示面板。操纵面板设有控制操作按钮，电源开关，抓具开关和抓具指示灯，燃料选择开关。垂直面板上设有指示灯，按钮，报警，起升载荷高度，电脑监控器，位置显示器，载荷单元开关，边界旁路按钮，关键互锁开关，切断电源开关等。

在实际的应用中，可以采用的集成运动控制功能的PLC控制器，如西门子的CPU315T-2DP，MICROBOX420等，接口模块如西门子的IM174接口模块或其他同类型接口模块。

集成运动控制功能的PLC控制器通过接口模块采集编码器和载荷传感器等现场设备的信息进行计算处理后，再通过接口模块将控制指令发送给伺服驱动器，使其完成对电机的精准控制。集成运动控制功能PLC与接口模块之间采用高速总线连接，组成了分布式的运动控制系统。集成运动控制功能PLC在对设备运动进行实时监控的同时还负责执行安全运动保护联锁功能，其控制功能模块包括：

a)循环调用模块，实现子程序模块的调用；

b)固定周期调用模块，为保证对大小车、主提升的实时控制，运行PLC控制器与伺服驱动的接口模块之间通过DP(DRIVE)总线通信，DP(DRIVE)具有时钟同步特性，确保定时向伺服驱动器发送控制指令，实现定周期控制；

c)编码器、伺服驱动器初始值设置模块，用于对系统进行初始化设置；

d)堆芯栅格维护管理模块，实现堆芯栅格装卸料记录和管理；

e)大车行走、速度控制模块，用于根据实时的大车位置，判断允许大车向前、向后运行条件，根据不同的操作模式，对大车运行的方向和速度进行控制；

f)小车行走、速度控制模块，用于根据实时的小车位置，判断允许小车向左、向右运行条件，根据不同的操作模式，对小车运行的方向和速度进行控制；

g)主提升升降、速度控制模块，用于根据实时的主提升位置，判断允许主提升向上、向下运行条件，根据不同的操作模式，对主提升运行的方向和速度进行控制；

h)电视杆升降、速度控制模块，用于根据实时的电视杆位置，判断允许电视杆上升、下降运行条件，根据不同的操作模式，对电视杆运行的方向和速度进行控制；

i)大车驱动模块，接收大车行走、速度控制模块的指令，进行伺服驱动器驱动指令的解算，对驱动器进行控制；

j)小车驱动模块，接收小车行走、速度控制模块的指令，进行伺服驱动器驱动指令的解算，对驱动器进行控制；

k)主提升驱动模块，接收主提升行走、速度控制模块的指令，进行伺服驱动器驱动指令的解算，对驱动器进行控制；

l)电视杆驱动模块，接收电视杆行走、速度控制模块的指令，进行伺服驱动器驱动指令的解算，对驱动器进行控制；

m)抓具啮合和脱扣控制模块，用于判断允许抓具啮合和脱扣的条件，对抓具得啮合和脱扣操作进行控制；

n)故障处理模块，用于故障检测以及故障复位；

o)保护系统模块，用于系统的安全保护功能；

p)显示模块，用于显示大、小车、主提升的位置坐标以及载荷重量；

q)自动、半自动模块，实现装卸料机的自动、半自动操作；

r)偏移法换料模块，控制系统根据当前堆芯燃料组件的排列情况，自动计算大小车正确的偏移位置，不需要操作员人工计算和干预

控制系统为装卸料机设置了半自动操作模式和全自动操作模式。半自动操作：在半自动模式下，操作员手动输入目标坐标的位置(堆芯区、倾翻区、或可以选择的区域(一般为试验状态的位置)。半自动模式下，可以同时移动大小车，提高换料的速度。主起升的运动可以根据特定的情况选择手动、半自动或全自动模式操作。但是抓具的闭合、释放，初始起升操作，最终的装载操作都必须手动运行。自动和半自动操作减少了启动和定位时间，装卸料机大小车、主起升的加减速控制，速度平滑控制都是根据集成运动控制功能PLC设定值进行自动控制。全自动操作：在大小车自动定位控制上，自动模式和半自动模式相似。但是自动模式增加了从工控机读取换料数据库文件的功能。换料数据库文件描述了每个燃料组件的信息，如序号、燃料类型、步数、方向等。此燃料数据库文件可以在触摸屏上显示。操作员仅需要根据燃料组件的移动顺序选择“确认”或“自动运行”，装卸料机自动定位在堆芯或倾翻架区域等。

关于大、小车的自动运行问题。在半自动及自动模式下，由装换料数据库根据燃料组件的类型提供要装卸料的堆芯目标位置，偏移换料子程序根据堆芯位置计算其偏移位置，装卸料机可在安全区域的任何位置，按一定地插补轨迹曲线，协调运动到指定位置。具体流程如图2所示。自动控制子程序开始后，先对大小车协调运动子程序中的相关参数进行初始化以及生成插补点表数据块，然后判断是装料过程还是卸料过程，是否有偏移操作，以及是向堆芯方向移动还是向倾翻区位置移动，待移动条件满足后，调用大小车协调运动子程序进行大小车协调运动(给定Move2D的速度、方向和启动信号)，并返回运动已完成信号。

关于大、小车协调运动的问题。大小车协调运动控制命令开始后，调用相应工艺功能删除原凸轮(运行轨迹)所定义的插补点，为生成新的凸轮做准备，根据工艺对象所要求的运动轨迹，产生插补点，并将插补点添加到凸轮中去，以及通过相应工艺功能块指定插补类型并填补凸轮插补点之间的间隙，完成凸轮的生成，并可开始凸轮传动。如图3所示。在大小车协调运动子程序中，当完成凸轮的生成后，大小车已具备完成其运动的运动轨迹和运动条件，此时调用凸轮传动子程序(轴同步和插补运动功能块)，并返回凸轮传动已完成信号。凸轮传动开始后，当主从轴的同步已建立后，调用绝对定位工艺功能块，移动主轴(大车)，从轴(小车)跟随主轴运动，在大小车运动到目标位置后，返回变量值，以示凸轮传动已结束，并复位相应子程序块。如果运动过程中，轴故障报警，则将大小车协调运动停止。程序流程如图4所示。将T-CPU的工艺对象应用到装卸料机的运动控制中，并通过采用轴控制的工艺功能块，以实现大小车在一平面内沿X、Y方向上协调运动，并完成堆芯或倾翻处的准确定位。

关于电视杆的手、自动运行问题。基于集成运动控制功能PLC的工作特性，根据控制功能的不同，将电视杆程序分为电视杆控制子程序、电视杆载荷和高度控制子程序、电视杆超速监测子程序、电视杆运行区域子程序、电视杆超速监测子程序电视杆驱动子程序，具体程序流程如图5所示。电视杆控制子程序是整个程序框架的中间枢纽，其主要功能是根据来自其他子程序的联锁条件信号，进行全面的逻辑判断处理，最终发出控制指令给驱动子程序。驱动子程序采用了全新的组织结构，利用集成运动控制功能PLC的工艺控制模块对驱动器进行控制，程序流程图如图6所示。首先是电视杆的使能，在驱动子程序中定义了轴使能的概念，即电视杆运动称之为一个轴运动，任何运动功能块的操作都必须以轴使能这个条件为前提。轴使能的Enable信号对应控制子程序的使能信号。使能信号实现的全部联锁均是通过这个功能块来操作驱动器动作。在使能状态为1且其他功能模块均没有故障的情况下，可以进入到运行暂停模块的判断过程。这个模块与下面要用的速度控制模块和位置控制模块相互使用。在手动命令发来时通过暂停模块和速度控制模块实现速度控制；在自动命令发出时通过暂停模块和位置控制模块实现定位控制。手、自动操作之间的切换是通过暂停模块完成的，即先暂停原有的动作再触发新的动作。当手动或者自动命令消失后，也将自动触发暂停模块停止电视杆运动。当速度和位置控制模块运行故障时会立即触发运动故障模块，禁止电视杆运动，在故障复位后，方可继续运行。编码器复位模块的使用是为编码器数值的调整所用。在使能状态为1的前提下，可以实现对编码器数值的设定。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种应用集成运动控制功能PLC的核电站装卸料机控制系统，包括操作控制台、具有人机界面的触摸屏计算机和PLC控制器，其特征在于：所述的PLC控制器为运行PLC和安全PLC组成的双PLC系统;其中运行PLC为集成运动控制功能的PLC控制器，负责装卸料机的数据采集、逻辑控制、联锁保护、运动解算和伺服驱动方面的功能；安全PLC为通用型PLC，负责装卸料机的安全保护系统功能;操作台上的各操作按钮、显示信号灯和数显表与运行PLC连接，触摸屏计算机与运行PLC通过总线连接；集成运动控制功能的PLC控制器通过接口模块采集现场设备的数字I/O信号、编码器和载荷传感器的信息，进行计算处理后，再通过接口模块将控制指令发送给伺服驱动器，使其完成对伺服电机的精准控制；集成运动控制功能的PLC控制器与接口模块之间采用高速总线连接，组成分布式的运动控制系统;装卸料机的安全保护系统信号与安全PLC相联；集成运动控制功能的PLC控制器与伺服驱动器之间通过接口模块联接，集成运动控制功能的PLC控制器与接口模块之间通过DP Drive总线通信，DP Drive具有时钟同步特性，确保定时向伺服驱动器发送控制指令，实现定周期控制；同时通过接口模块控制伺服电机、控制异步电机、控制步进电机,既可实现速度控制，也可以实现精确的位置控制，具有良好的可扩展性；

所述的集成运动控制功能的PLC控制器的控制功能模块包括：

a)循环调用模块，实现子程序模块的调用；

b)固定周期调用模块，为保证对大小车、主提升的实时控制，PLC控制器定时向伺服驱动器发送控制指令，实现定周期控制；

c)编码器、伺服驱动器初始值设置模块，用于对系统进行初始化设置；

d)堆芯栅格维护管理模块，实现堆芯栅格装卸料记录和管理；

e)大车行走、速度控制模块，用于根据实时的大车位置，判断允许大车向前、向后运行条件，根据不同的操作模式，对大车运行的方向和速度进行控制；

f)小车行走、速度控制模块，用于根据实时的小车位置，判断允许小车向左、向右运行条件，根据不同的操作模式，对小车运行的方向和速度进行控制；

g)主提升升降、速度控制模块，用于根据实时的主提升位置，判断允许主提升向上、向下运行条件，根据不同的操作模式，对主提升运行的方向和速度进行控制；

h)电视杆升降、速度控制模块，用于根据实时的电视杆位置，判断允许电视杆上升、下降运行条件，根据不同的操作模式，对电视杆运行的方向和速度进行控制；

i)大车驱动模块，接收大车行走、速度控制模块的指令，进行伺服驱动器驱动指令的解算，对驱动器进行控制；

j)小车驱动模块，接收小车行走、速度控制模块的指令，进行伺服驱动器驱动指令的解算，对驱动器进行控制；

k)主提升驱动模块，接收主提升行走、速度控制模块的指令，进行伺服驱动器驱动指令的解算，对驱动器进行控制；

l)电视杆驱动模块，接收电视杆行走、速度控制模块的指令，进行伺服驱动器驱动指令的解算，对驱动器进行控制；

m)抓具啮合和脱扣控制模块，用于判断允许抓具啮合和脱扣的条件，对抓具得啮合和脱扣操作进行控制；

n)故障处理模块，用于故障检测以及故障复位；

o)保护系统模块，用于系统的安全保护功能；

p)显示模块，用于显示大、小车、主提升的位置坐标以及载荷重量；

q)自动、半自动模块，实现装卸料机的自动、半自动操作；

r)偏移法换料模块，实现在选择偏移法换料时，提供大小车正确的偏移位置。

2.如权利要求1所述的应用集成运动控制功能PLC的核电站装卸料机控制系统，其中，该系统通过集成运动控制功能的PLC控制器的自动、半自动模块实现半自动操作模式和全自动操作模式；通过集成运动控制功能的PLC控制器的保护系统模块在对设备运动进行实时监控的同时执行安全运动保护联锁功能。

3.如权利要求2所述的应用集成运动控制功能PLC的核电站装卸料机控制系统，其特征在于，该系统在半自动操作模式和全自动操作模式下，能够采用偏移法换料操作，显著提高主提升在全运动行程的速度，同时避免燃料组件之间的摩擦和碰撞，实现快速装卸料操作。

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