乏燃料溶解器傳動控制系統(tǒng)的研究設(shè)計

摘 要 分析乏燃料溶解器傳動控制的原理，設(shè)計了一套由PLC、伺服驅(qū)動器、編碼器構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。對溶解器運行的速度控制方法進行了比選計算，結(jié)合運行要求設(shè)計核心控制功能并用ST語言實現(xiàn)了控制程序的技術(shù)儲備。試驗結(jié)果表明：系統(tǒng)運行流暢、精度滿足要求，運行良好。

關(guān)鍵詞 伺服控制 S形曲線速度控制法 乏燃料后處理 溶解器 PLC

中圖分類號 TP273 " 文獻標志碼 A " 文章編號 1000-3932（2024）04-0638-06

乏燃料溶解工藝是乏燃料后處理工藝過程中條件最為極端也最為重要的過程，該過程能否順利進行會直接影響后續(xù)流程的正常運行［1］。溶解器是乏燃料后處理溶解工藝過程的核心設(shè)備，由于存在溶解尾氣峰值較高、尾氣處理系統(tǒng)設(shè)備龐大、溶解器筒體和吊籃直徑受限、溶解處理能力小等情況，難以滿足大型后處理廠的處理要

求［2］，因此對溶解器進行持續(xù)改進研究具有重要意義。對于乏燃料溶解器，由于其特殊的運行方式，以往多以手動操作方式為主。為滿足后處理廠自動化、智能化的發(fā)展需求，對溶解器的自動控制提出了新的、更高的要求。筆者以乏燃料溶解器為研究對象，對其傳動控制系統(tǒng)進行研究設(shè)計，以期實現(xiàn)乏燃料溶解過程的全自動控制與調(diào)節(jié)，確保乏燃料在預定時間內(nèi)完全溶解。

1 溶解器傳動控制需求分析

溶解器由固定部件和活動部件組成，固定部件是溶解的反應(yīng)容器，盛裝溶解液，實現(xiàn)溶解反應(yīng)?；顒硬考饕ㄟ\動輪、軸承和驅(qū)動機構(gòu)，運動輪是溶解器的主要部件，負責承載燃料包殼與溶解液接觸進行溶解；軸承為運動輪提供支撐的同時引導運動輪運動；驅(qū)動機構(gòu)包括傳動和定位兩部分，給運動輪的運行及定位提供動力。

溶解器運行過程中，需同時控制運動輪的運動速度和位置精度，保證運動輪的“鏟斗”［3］準確到達裝填位置，因此傳動機構(gòu)和定位機構(gòu)須密切配合并按一定程序執(zhí)行，才能實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠運行。在運行過程中，傳動機構(gòu)通過電機、聯(lián)軸器、減速機等驅(qū)動運動輪沿設(shè)定方向轉(zhuǎn)動，當運動輪達到目標位置時停止；此時，定位機構(gòu)的定位銷插入運動輪的定位孔內(nèi)鎖定，確保運動輪準確停在目標位置裝填物料；裝填完畢后，定位銷移出定位孔，傳動機構(gòu)驅(qū)動運動輪運行至下一個目標位，定位銷再次插入定位孔鎖定，以此類推。

受放射性環(huán)境影響，溶解器安裝在設(shè)備室［4］，傳動與定位機構(gòu)的驅(qū)動電機均須布置在設(shè)備室外，以傳動機構(gòu)為例，布置如圖1所示。整個過程需對運動輪的移動速度和位移實現(xiàn)精準控制，確保傳動與定位機構(gòu)正確動作；系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)無人值守、全自動連續(xù)運行。

2 溶解器傳動控制系統(tǒng)

溶解器傳動控制系統(tǒng)整體設(shè)計采用伺服控制，以運動輪和定位銷的位置、方向、速度等為控制量，跟蹤輸入給定值的任意變化為目標，利用伺服電機的編碼器反饋實際運行位置及速度，通過編碼器計算出實際位置，實現(xiàn)運動和定位的閉環(huán)控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

溶解器傳動控制系統(tǒng)由伺服傳動單元、控制器和監(jiān)控管理后臺3部分組成，其中伺服傳動單元包括伺服驅(qū)動器、伺服電機和編碼器?？刂葡到y(tǒng)硬件選用S7-1200系列PLC，通過Profinet連接V90伺服驅(qū)動器（圖3）搭配進行控制。Profinet以優(yōu)異的抗干擾性與極大的數(shù)據(jù)吞吐量從底層保證了驅(qū)動與PLC通信的穩(wěn)定可靠，且Profinet接口中所用的等時同步（IRT）模式進一步保證了驅(qū)動與PLC信息傳遞的等時性，同時將顯示通信設(shè)備與驅(qū)動控制設(shè)備分隔在兩個物理網(wǎng)絡(luò)層，保證驅(qū)動層網(wǎng)絡(luò)不會受到其他設(shè)備通信數(shù)據(jù)的影響，增強了系統(tǒng)的魯棒性。

在S7-1200軟件中組態(tài)軸工藝對象，V90使用標準報文3，通過MC_Power、MC_Home、MC_Reset、MC_Halt、MC_MoveAbsolute等PLC Open標準程序塊進行控制。需要特別注意的是：必須對編碼器參數(shù)進行設(shè)定，且TO（工藝對象）中的編碼器設(shè)定值必須與驅(qū)動器中的值保持一致。

2.1 速度控制方法

在保證精度的前提下提高溶解器的運行效率是本控制系統(tǒng)設(shè)計的重點。運動控制系統(tǒng)常用的算法有梯形速度控制法、指數(shù)速度控制法、S形曲線速度控制法等。

梯形速度控制法采用恒定加速度，響應(yīng)快、效率高、易實現(xiàn)，但變速和勻速轉(zhuǎn)折點的穩(wěn)定性較差。

指數(shù)速度控制法指在加速和減速運動過程中加速度以指數(shù)方式變化，克服了梯形加/減速時速度不平穩(wěn)的問題，運動精度較高，但初始加速度大，在運動輪加/減速的起點存在突變現(xiàn)象。

S形曲線速度控制法是在梯形速度曲線和指數(shù)速度曲線的基礎(chǔ)上引入二階加速度進行速度調(diào)節(jié)控制，其表達式為：

2.2 核心控制功能

控制模式設(shè)計。從運行安全角度考慮，溶解器的控制系統(tǒng)不僅要保證正常工況的穩(wěn)定運行，異常條件下還需具備通過手動控制解除異常以及防止誤操作等功能。因此，系統(tǒng)設(shè)計本地/遠程狀態(tài)下的手動/自動控制模式。其中，遠程模式可實現(xiàn)手動、自動切換；而本地模式僅設(shè)計手動控制，用于系統(tǒng)調(diào)試、檢維修。

指令互鎖設(shè)計。系統(tǒng)運行過程中，傳動和定位須密切配合，防止出現(xiàn)指令錯誤引發(fā)安全事故。因此，在驅(qū)動指令的執(zhí)行層將定位指令轉(zhuǎn)化為插、拔銷位置指令，將傳動指令轉(zhuǎn)化為絕對位置指令和jog點動指令，3個指令進行互鎖，同一時間只能運行一條指令，否則報錯。

自動歸零設(shè)計。本系統(tǒng)運行工況下，采用絕對值型編碼器會超出最大記錄范圍，無法滿足長期運行要求，因此選用增量型編碼器，可無限檢測旋轉(zhuǎn)量。但增量型編碼器在設(shè)備停電后需重新確定基準位置，因此筆者設(shè)計了自動歸零程序，實現(xiàn)一鍵歸零。自動歸零程序運行時，當定位銷插入定位孔時，記錄當前位置為新的零位并存儲。同樣，為確保系統(tǒng)運行的安全性，自動歸零程序運行前應(yīng)自動清除所有運行指令。

急停保護設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計急停保護程序?qū)崿F(xiàn)對電機的使能控制，當發(fā)生異常情況時，可通過急停按鈕觸發(fā)保護程序的禁用電機使能功能，實現(xiàn)安全保護功能。

2.3 軟件程序

在軟件編程中，如果將所有程序都寫在主程序中，會導致主程序臃腫、混亂，不利于梳理思路，更不利于調(diào)試。為了使軟件程序最大限度地滿足控制要求，筆者基于系統(tǒng)控制需求設(shè)計程序主體框架，以主程序為主線將程序結(jié)構(gòu)進行梳理，將各控制功能進行模塊化設(shè)計，并通過主程序進行調(diào)用，如圖6所示。此編程方法使程序具有良好的簡潔性、可讀性，同時還簡化了程序代碼并縮短了掃描時間，提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度、實時性和可靠性。本系統(tǒng)設(shè)計的子程序包括：系統(tǒng)使能、模式選擇、運行判斷、驅(qū)動執(zhí)行、零位復位、告警、界面及通信等。

系統(tǒng)程序編程采用ST（Structured Text）語言，具有更強的結(jié)構(gòu)化性能，可處理更復雜的控制邏輯與數(shù)學計算［5］，最重要的是可實現(xiàn)跨平臺移植，無需重復開發(fā)。以運行判斷（RUN_MAIN）程序為例，開發(fā)后可在多平臺直接使用，減少了開發(fā)工作量，具體編程代碼如下：

3 試驗

筆者搭建了試驗驗證臺架，使用SIMOTICS S-1FL6系列伺服電機及V90伺服驅(qū)動系統(tǒng)，配套驅(qū)動器、編碼器、帶鍵槽及抱閘功能等，同時設(shè)置扭矩傳感器、機械角度測量裝置等，對運動輪實際運行情況進行檢驗。

試驗驗證條件：運動輪每次旋轉(zhuǎn)40°，定位銷自動插入定位孔，計時5 min后定位銷自動拔出，運動輪再次旋轉(zhuǎn)40°，以此類推。

要求運動輪定位精度0.2°，最大定位偏差不大于4 mm，運行過程全自動，無人操作。

反復運轉(zhuǎn)540個周期的試驗結(jié)果為：運動輪實際定位精度0.116°，定位銷100%精準且順暢插入定位孔內(nèi)，電機加減速過程平緩，扭矩傳感器數(shù)值正常，運動輪無過沖現(xiàn)象，系統(tǒng)全程自動運行，試驗運行效果良好。

4 結(jié)束語

溶解器傳動控制系統(tǒng)方案合理，所開發(fā)的自動控制程序可作為技術(shù)儲備，為實現(xiàn)乏燃料后處理的自動化、智能化建設(shè)目標奠定扎實的基礎(chǔ)。

參 考 文 獻

［1］ 羅天駿，薛云，周羽，等.乏燃料芯塊連續(xù)溶解動態(tài)模型研究［C］//山東省核學會.山東核科學與技術(shù)——山東省核學會2021年論文匯編Ⅳ.煙臺：黃海數(shù)字出版社，2021：35-42.

［2］ 劉繼連，盧濤，陳勇.轉(zhuǎn)輪式溶解器的相關(guān)信息［C］//中國核學會核化工分會.中國核學會核化工分會成立三十周年慶祝大會暨全國核化工學術(shù)交流年會會議論文集.2010：86-91.

［3］ 嚴壽軍，梁和樂.乏燃料后處理廠溶解器維修技術(shù)與設(shè)備研究［C］//中國核學會.中國核科學技術(shù)進展報告（第七卷）——中國核學會2021年學術(shù)年會論文集第8冊（核情報分卷）.北京：中國原子能出版社，2021：22-41.

［4］ 李海麗.批式溶解器大吊籃到位信號檢測方法的研究與改進［J］.化工自動化及儀表，2016，43（12）：1276-1280；1321.

［5］ 傅磊.PLC結(jié)構(gòu)化文本編程［M］.北京：清華大學出版社，2021.

（收稿日期：2023-11-13，修回日期：2024-01-09）

Driving Control System Design for the Spent Nuclear Fuel Dissolver

WANG Zhi-yong， LI Hai-li， TANG Feng-na， ZHANG Bo

（China Nuclear Power Engineering Co.）

Abstract " The working principle of driving control for the spent nuclear dissolver was analyzed， including designing a closed-loop control system constituted by the PLC， servo driver and the encoder. In addition， having servo control system’s speed control method selected and dissolver’s running requirements considered to design a core control function were implemented， including employing ST language to program control procedures. The test results show that， the system runs smoothly and its precision meets requirements along with a good operation effect.

Key words " servo control， S-curve velocity control method， spent nuclear reprocessing， dissolver， PLC