秦二廠裝卸料機(jī)控制系統(tǒng)關(guān)鍵算法分析及控制邏輯缺陷處理

王 遠(yuǎn)，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(jī)系統(tǒng)大車、小車、主提升和與其相配套控制系統(tǒng)，是核電站停堆換料期間完成反應(yīng)堆換料的關(guān)鍵設(shè)備，它不僅事關(guān)反應(yīng)堆與燃料組件的安全，同時它的可靠性、穩(wěn)定性和操控性對核電站的經(jīng)濟(jì)性和燃料組件操作的安全性會產(chǎn)生直接影響，對核電站停堆換料工作的順利進(jìn)行也起到了關(guān)鍵的作用。

自2014 年，秦山第二核電廠1/2#機(jī)組裝卸料機(jī)完成升級改造工作后，秦二廠所有4 臺機(jī)組裝卸料機(jī)已經(jīng)全部采用美國PaR 公司裝卸料機(jī)控制系統(tǒng)，此套控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的控制算法，使裝卸料機(jī)運行效率得到了極大提高，平均能夠?qū)⒀b料或卸料時間壓縮至33h 左右。

新裝卸料機(jī)控制系統(tǒng)，采用雙處理器控制系統(tǒng)，其主要構(gòu)成包括：PLC 系統(tǒng)、上位機(jī)、載荷系統(tǒng)、伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。

PaR 公司裝卸料機(jī)采用可編程控制器PLC 作為裝卸料機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的“梯形圖”作為編程語言，實現(xiàn)裝卸料機(jī)在整個裝/卸料過程中的運動控制和安全保障。Intouch 軟件進(jìn)行人機(jī)交互界面組態(tài)，PLC 通過CPU 上的以太網(wǎng)口與上位機(jī)進(jìn)行通訊，實現(xiàn)人機(jī)數(shù)據(jù)交換。裝卸料機(jī)控制系統(tǒng)核心包括：堆芯地圖算法、大小車運動控制系統(tǒng)及定位、主提升運動控制系統(tǒng)及定位、抓具控制系統(tǒng)、電子稱重系統(tǒng)、攝像監(jiān)控系統(tǒng)[1]。本文通過對裝卸料機(jī)控制程序的深入分析，充分研究控制程序中關(guān)鍵算法，為裝卸料機(jī)運行維護(hù)人員提供了參考。

1 裝卸料機(jī)控制程序分析

1.1 堆芯地圖算法

堆芯地圖是裝卸料機(jī)控制系統(tǒng)中的核心關(guān)鍵程序，用于追蹤堆芯在裝/卸料過程中的動態(tài)變化情況，為裝卸料機(jī)自動運行、偏移運行提供數(shù)據(jù)支持。程序中為每一個燃料組件位置配置一個“位”，當(dāng)相應(yīng)的“位”被放入或提出燃料組件時，相應(yīng)的“位”將被置“1”或“0”。為保證在上位機(jī)出現(xiàn)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(jī)程序。PLC 程序基于堆芯中心點坐標(biāo)和燃料組件中心距，應(yīng)用數(shù)學(xué)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(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jù)60 萬千瓦核電機(jī)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(shù)列，每一行燃料使用2 個16 位寄存器即32 位進(jìn)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(dāng)燃料組件插入堆芯后，數(shù)列中相應(yīng)的“位”將被置“1”；同理，當(dāng)燃料組件被移出后，數(shù)列中相應(yīng)的位將被置“0”。由于秦二廠最大橫向或豎向組件數(shù)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(jù)二進(jìn)制與十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化方法，16 位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)的最大值為65535，即堆芯全部為裝載情況。當(dāng)堆芯為全空載狀態(tài)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(yīng)16 位寄存器數(shù)值如圖3所示。

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

為使裝卸料機(jī)始終能夠準(zhǔn)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(shù)據(jù)支持，控制程序使用CPI（Core Pointer Index）作為數(shù)列指針，用于指示表示堆芯裝載情況的寄存器中哪一個數(shù)位發(fā)生變化，并將其置為相應(yīng)數(shù)值。

CPI 基于大/小車坐標(biāo)進(jìn)行計算。當(dāng)程序判斷堆芯出現(xiàn)裝載或卸載情況后，PLC 程序?qū)F(xiàn)有大車/小車坐標(biāo)數(shù)據(jù)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(biāo)：15580mm；小車堆心坐標(biāo)：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(jìn)行有效性判斷，控制程序?qū)⑻幱诙研具吔缥恢玫娜剂辖M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(shù)組，見表2。

表2 組件CPI寄存地址轉(zhuǎn)化數(shù)組表Table 2 Component CPI register address conversion array table

控制程序通過目標(biāo)組件位置大車坐標(biāo)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(nèi)。若在范圍內(nèi)，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(jī)進(jìn)行偏移運動，需要一種算法計算出目標(biāo)燃料組件位置周圍的組件情況，控制程序?qū)⒛繕?biāo)組件位置周圍8 個組件分別設(shè)置為序號為1～8 的組件位如圖6 所示。

圖6 目標(biāo)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(biāo)組件位置CPI 為基準(zhǔn)，計算出目標(biāo)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(yīng)組件位置燃料置位情況，同時也對目標(biāo)位本身組件情況進(jìn)行判斷。若目標(biāo)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(biāo)組件位置是開放水域，允許裝卸料機(jī)進(jìn)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(jī)工作效率，通常在裝/卸料過程中采用偏移法進(jìn)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(biāo)組件位置的大車、小車坐標(biāo)為基準(zhǔn)，計算出目標(biāo)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(biāo)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(jù)開放水域方位，以目標(biāo)大車/小車位置分別偏移90mm 位置為偏移運動的目標(biāo)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?qū)⒋筌?、小車?dāng)前位置坐標(biāo)作為CPI 計算依據(jù)，并判斷當(dāng)前位置是否存在開放水域，計算出大、小車可以進(jìn)行偏移運動的目標(biāo)位置。

下面結(jié)合秦二廠常用裝/卸方式，以第4 種開放水域情況進(jìn)行說明如圖8 所示。

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

大車偏移位置=大車目標(biāo)位置-90mm

小車偏移位置=小車目標(biāo)位置+90mm

程序?qū)⒀b卸料機(jī)大、小車偏移位置周圍±92.5mm 范圍作為“偏移臨時區(qū)域”，在此區(qū)域內(nèi)，允許操作大、小車運動（圖8 紅色虛線框）。

組件目標(biāo)位置±6.4mm 范圍內(nèi)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(qū)（圖9 大綠框）：

大車坐標(biāo)-76.2mm，大車坐標(biāo)+1.3mm

小車坐標(biāo)-1.3mm，大車坐標(biāo)+76.2mm

1.4 主提升控制

主提升控制在裝卸料機(jī)控制系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用，其控制算法安全與否，直接關(guān)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(qū)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(tài)分為脫口與嚙合兩種，控制程序?qū)煞N抓具狀態(tài)進(jìn)行了嚴(yán)格的邏輯判斷，以保證燃料組件安全。

1.4.2 運動區(qū)域控制

為保證燃料組件安全并提升裝卸料機(jī)工作效率，根據(jù)裝卸料機(jī)運行中的不同工況，控制系統(tǒng)對主提升運行區(qū)域進(jìn)行了明確劃分。這些區(qū)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(qū)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(jù)主提升所在區(qū)域，對其運動速度進(jìn)行限制。

1）主提升在堆芯區(qū)

主提升在堆芯區(qū)控制較為復(fù)雜，根據(jù)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(jù)主提升與堆芯位置關(guān)系，將主提升運動高度范圍分成不同區(qū)間，并對區(qū)間內(nèi)運行速度進(jìn)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(qū)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(qū)

主提升在傾翻區(qū)內(nèi)動作情況簡單，典型動作是將燃料組件放入承載器或?qū)⑷剂辖M件從承載器中提出，不存在偏移運動情況。通過對主題升區(qū)域程序進(jìn)行分析，可以形成主提升在傾翻區(qū)內(nèi)區(qū)域分布情況如圖11 所示。

圖11 傾翻區(qū)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(jī)作為直接操作燃料組件的關(guān)鍵設(shè)備，對其可靠性提出了更高的要求。當(dāng)前秦山二廠4 臺機(jī)組使用的PaR 公司裝卸料機(jī)控制系統(tǒng)，經(jīng)過多重試驗驗證以及多年現(xiàn)場運行，其運行效率高、穩(wěn)定、可靠。

然而，在現(xiàn)場使用過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題。

2.1 海南昌江核電傾翻機(jī)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(jìn)行202大修裝料過程中，執(zhí)行第101 步裝料，將第101 步組件從RX 側(cè)傾翻機(jī)提出過程中，抓具嚙合燈異常熄滅，傾翻機(jī)與裝卸料機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)信號消失（正常情況下聯(lián)鎖保護(hù)信號消失后，允許轉(zhuǎn)運裝置操作員下放傾翻機(jī)）。稍后，操作員操作傾翻機(jī)下降，傾翻機(jī)立即報“欠載”自動停止，懷疑組件與傾翻機(jī)承載器有異常接觸，隨后該組組件運回KX 廠房進(jìn)行水下電視檢查，確認(rèn)組件無異常。同時對裝卸料機(jī)故障進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)裝卸料機(jī)脫扣限位擋塊位置異常，重新調(diào)整限位擋塊位置后，故障消失，隨后用假組件驗證裝卸料機(jī)功能正常。

秦山第二核電廠1/2#機(jī)組PMC 系統(tǒng)裝料過程與昌江核電一致，裝卸料機(jī)從傾翻架中提出組件過程中，存在抓具脫扣嚙合限位開關(guān)與裝卸料機(jī)聯(lián)鎖、裝卸料機(jī)與傾翻機(jī)聯(lián)鎖。

針對昌江核電出現(xiàn)的問題，秦二廠對燃料操作過程中裝卸料機(jī)聯(lián)鎖情況進(jìn)行排查，包括：

1）抓具脫扣嚙合限位開關(guān)與裝卸料機(jī)聯(lián)鎖驗證

根據(jù)控制邏輯如圖12 所示，裝卸料機(jī)主提升在帶載起升過程中，若出現(xiàn)嚙合信號丟失，5 s 內(nèi)將出現(xiàn)“GRIPPER HANGUP”信號，同時出現(xiàn)抓具報警聲。因Gripper Hang-Up 信號為大/小車運動聯(lián)鎖條件，出現(xiàn)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(jīng)驗證，抓具脫扣嚙合限位開關(guān)與裝卸料機(jī)聯(lián)鎖滿足邏輯要求。

2）裝卸料機(jī)主提升在傾翻區(qū)域，模擬抓具嚙合限位開關(guān)信號，對傾翻機(jī)進(jìn)行操作，驗證其與傾翻機(jī)是否有聯(lián)鎖關(guān)系。

此驗證分兩種情況進(jìn)行：

◇ 主提升帶載、抓具嚙合信號丟失

驗證結(jié)果：①主題升高度＞4000mm 時，抓具嚙合信號丟失，傾翻機(jī)操作臺上Upender not clear 聯(lián)鎖信號出現(xiàn)，傾翻機(jī)無法動作；②主提升高度≤4000mm 時，抓具嚙合信號丟失，傾翻機(jī)操作臺上Upender not clear 聯(lián)鎖信號未出現(xiàn)，傾翻機(jī)可以動作（危險狀態(tài)，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(jié)果：①主題升高度＞4000mm 時，抓具脫扣信號丟失，傾翻機(jī)操作臺上Upender not clear 聯(lián)鎖信號出現(xiàn)，傾翻機(jī)無法動作；②主提升高度≤4000mm 時，抓具脫扣信號丟失，傾翻機(jī)操作臺上Upender not clear 聯(lián)鎖信號未出現(xiàn)，傾翻機(jī)可以動作。

3）裝卸料機(jī)主提升在傾翻區(qū)域，模擬裝卸料機(jī)“主提升帶載不在上限位”信號，對傾翻機(jī)進(jìn)行操作，驗證其與傾翻機(jī)是否有聯(lián)鎖關(guān)系。

驗證結(jié)果：傾翻機(jī)操作臺上Upender not clear 聯(lián)鎖信號出現(xiàn)，傾翻機(jī)無法動作。

4）裝卸料機(jī)主提升在傾翻區(qū)域，模擬裝卸料機(jī)“主提升不帶載且不在套筒內(nèi)”信號，對傾翻機(jī)進(jìn)行操作，驗證其與傾翻機(jī)是否有聯(lián)鎖關(guān)系。

驗證結(jié)果：傾翻機(jī)操作臺上Upender not clear 聯(lián)鎖信號出現(xiàn)，傾翻機(jī)無法動作。

由以上驗證可知，當(dāng)主提升帶載且高度＜4000mm 時，主提升與傾翻機(jī)聯(lián)鎖信號消失，此時傾翻機(jī)可以動作，通過檢查控制邏輯，發(fā)現(xiàn)邏輯存在缺陷如圖14 所示。

圖14 主提升與傾翻機(jī)邏輯聯(lián)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(dǎo)致抓具脫口聯(lián)鎖失效如圖15 所示。同時，使抓具“允許動作”狀態(tài)異常如圖16 所示，即：在任何小于4000mm 范圍內(nèi)，操作人員可以操作抓具開關(guān)至脫扣位置，如果抓具不存在機(jī)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(lián)鎖失效Fig.15 Disconnect interlock failure of the gripper

圖16 抓具“允許動作”狀態(tài)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(guān)，能夠有效降低故障概率。

3 結(jié)論

PaR 公司裝卸料機(jī)控制系統(tǒng)在保證燃料組件安全前提下，極大地提高了裝卸料機(jī)運行效率。研究控制程序中運用獨特算法，為檢修人員維護(hù)裝卸料機(jī)提供了有力幫助；同時，也為技術(shù)開發(fā)人員提供參考。運行過程中出現(xiàn)的一些程序BUG，也說明了優(yōu)秀控制程序中可能隱藏著一些嚴(yán)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(dǎo)致威脅或損害燃料組件安全的事件出現(xiàn)。