秦二厂1/2号装卸料机操作台与模拟机对接的可行性研究

吴斌荣，王 远

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

自2014 年秦山第二核电厂1/2#机组装卸料机完成升级改造工作后，秦二厂所有4 台机组装卸料机已经全部采用美国PaR 公司装卸料机控制系统，然而，由于1/2#机组未配置模拟机，造成1/2#机组操作台只能在大修期间将操作台安装至现场后，才可进行功能检查，无法在大修前利用模拟机进行功能检查，占用了部分大修时间。

为使1/2#机组操作台能够连接至3/4#机组模拟机，本文从1/2#机组与3/4#机组装卸料机电气设计文件和PLC控制程序入手，分析二者在硬件和软件上的差异，并探究如何消除差异，实现1/2#机组操作台与3/4#模拟机的连接。

1 装卸料机操作台及模拟机系统简介

1.1 装卸料机操作台

装卸料机操作台是RX 厂房装卸料机系统的大脑，它由装卸料机大车、小车、主提升以及与其相配套控制部件组成，是核电站停堆换料期间完成反应堆换料的关键设备。装卸料机控制系统采用双处理器控制，其主要构成包括：PLC 系统、上位机、载荷系统、伺服电机驱动系统。

1.2 模拟机系统

3/4#机组模拟机系统为一个独立操作柜，能够为装卸料机提供运行过程中可能遇到的开关量及模拟量信息，同时接收来自操作台的信号，可以近乎真实地模拟装卸料机运行过程。其内部组成包括：电源、PLC、一台带有专用模拟画面的触摸屏工控机、4 台伺服电机、编码器、控制柜接口。

由模拟机系统组成可知，模拟机中并没有配备与现场完全一致的硬件设备，因此需要对装卸料机程序进行适配后，才可与模拟机连接。

2 硬件差异可行性研究

2.1 硬件差异分析

2.1.1 PLC硬件组态差异分析

1/2#机组装卸料机与3/4#机组装卸料控制系统均采用GE 公司90-30 系列PLC，二者使用的CPU 卡件型号均为IC693CPU374。PLC 组态包括：输电源卡件、 DeviceNet 扫描卡件、模拟量输入卡件、开关量输入卡件、开关量输出卡件、继电器输出模块、32 点逻辑输出模块。整体架构由PLC1 和PLC2 两部分组成，其中PLC1 主要负责采集运行过程中安全级别较低的开关量、模拟量信号，同时负责对装卸料机3 个方向电机进行控制；PLC2 主要负责高级别安全保护信号的监视工作。

通过分析二者PLC 硬件组态结构[1]可知，二者差异表现在：

1）3/4# 组 态 在PLC1/MainRack/slot3 位 置，相 比 于1/2#机组多1 块DeviceNet 扫描模块。

2）1/2#机组在PLC1/Rack1/slot9、slot10 位置，相比于3/4#机组多2 块4mA ～20mA 输入模块。

研究二者原理图可知，二者在PLC 硬件组态上的差异由载荷系统数据采集方式差异造成：

a）1/2#机组载荷系统采用载荷元件信号经载荷放大器后以4mA ～20mA 标准模拟量方式输入PLC 进行采集，主、冗余载荷信号分别接入不同模拟量卡件。

b）3/4#机组采用载荷元件信号经载荷放大器后以DeviceNet 通讯方式进行采集，主、冗余载荷信号分别接入不同DeviceNet 节点方式。

2.1.2 驱动系统硬件差异分析

2.1.2.1 伺服驱动器差异

1/2#机组装卸料机驱动系统与3/4#机组装卸料机驱动系统均采用伺服电机驱动方式，但二者在伺服驱动系统组成上存在差异。其中，1/2#机组采用施耐德公司Altivar 71-383 型伺服驱动器，3/4#机组采用GE 公司S2K 型伺服驱动器。

2.1.2.2 电机差异

通过核实模拟机电机发现，模拟机中主提升、大车、小车所使用电机与1/2#机组完全一致，主提升电机型号为：BALDOR 300V 5.77kW 2000rpm，大车/小车电机型号为：BALDOR 300V 3.27kW 4000rpm，不存在差异。

2.1.3 控制柜接口差异分析

2.1.3.1 PLC I/O通道差异

PLC I/O 通道用于接收来自现场设备的信号输入或将PLC 计算结果输出至现场执行机构。

分析1/2#机组装卸料机原理图及3/4#机组装卸料机原理图可知：

1）1/2#机组与3/4#机组装卸料机在PLC1 组态及I/O 接口存在差异，二者差异表现在：①1/2#机组装卸料机载荷信号采用4mA ～20mA 信号形式，使用地址为：主载荷%AI00006，冗余载荷%AI00011；②3/4#机组装卸料机载荷信号采用DeviceNet 通讯方式，使用节点为：主载荷DeviceNet1（node2），冗余载荷DeviceNet2（node2）。

2）1/2#机组与3/4#机组装卸料机在PLC2 组态及I/O接口完全一致，各接口名称及地址完全一致。

2.1.3.2 控制柜电缆接口差异

装卸料机控制柜接口[2]包括：就地设备I/O 接口、控制电源接口、电机电源接口、电机反馈信号接口、以太网接口、摄像机接口等。控制柜电缆接口是否匹配，决定着1/2#机组控制柜是否能够连接至3/4#机组模拟机。

由于功能硬件存在不同，1/2#机组控制柜相比于3/4#机组控制柜存在部分接口差异。差异可分为两类：

1）功能减少：相比于3/4#机组，1/2#机组减少了水下灯电源接口（P4A），减少了套筒摄像头（P26E）。

2）设计不同：①1/2#机组与3/4#机组载荷系统信号采集方式造成的不同（P8G、P24C）；②1/2#机组设计中未配置模拟机，因此相比于3/4#机组减少了模拟机通讯接口以太网（P25B）。

2.2 硬件差异可行性研究

2.2.1 PLC硬件组态差异可行性研究

模拟机内未设计硬件载荷系统。3/4#机组装卸料机操作台与模拟机连接后，操作台上载荷信息来源于模拟机上位机画面中的设定值，模拟机将设定值通过EGD（Ethernet Global Data）通讯方式传输至操作台。因此，只需建立1/2#机组操作台与模拟机间EGD 通讯，即可完成载荷信号传输。PLC 硬件组态差异不会对1/2#机组操作台连接模拟机造成影响。

2.2.2 驱动系统差异可行性研究

1/2#机组及3/4#机组在驱动器电源供应、方向控制、运动使能、电机反馈及控制等接线上完全一致，无需修改即可适配模拟机接口。

1/2#机组与3/4#机组模拟机使用的主提升、大/小车电机完全一致，1/2#机组已经完成电机适配，只需在驱动器上进行电机自动匹配，即可直接连接至模拟机。

综上，驱动器系统差异不会对2#机组操作台连接模拟机造成影响。

2.2.3 接口差异可行性研究

P4A（水下灯电源）、P26E（套筒摄像头）均不参与控制，不影响操作台连接模拟机。

P8G（模拟量输出）与P24C（DEVICENET2 TRUNK1）为二者载荷信号采集差异造成，由2.2.1 分析可知，二者差异不影响操作台连接模拟机。

P25B（模拟机）接口为操作台与模拟机专用EGD 通讯接口，1/2#机组均已预制模拟机接口。

综上所述，1/2#机组与3/4#机组间硬件系统的差异，不影响1/2#机组连接至模拟机。

3 控制程序差异分析及适应性修改

3.1 控制程序差异分析

1/2#机组装卸料机是以3/4#机组装卸料机为蓝本设计优化而来，二者具有相同的控制程序架构。分析1/2#机组正式程序与3/4#机组模拟机程序[3]可知，1/2#机组控制程序中缺少部分适配模拟机所需内容，包括：

1）未定义用于模拟主提升、大/小车编码器比较故障的位置偏置变量%R03050、%R03054、%R03058。

2）未配置用于接收模拟机数据的以太网ConsExch13 模块，以及用于发送数据给模拟机的以太网ProdExch14 模块。

3）未对大/小车、主提升编码器分辨率“Counts Per Revolution”及编码器旋转方向进行适应性设置。

4）未编写用于模拟编码器比较故障的主提升、大/小车位置偏置参数赋值程序。

5）未适应性修改主提升、大/小车超速报警限值。

6）缺少模拟载荷比较故障相关程序。

3.2 控制程序适应性修改

为使1/2#机组装卸料机操作台能够在不改变3/4#机组模拟机前提下与模拟机对接，本文决定采用保持模拟机软件及硬件系统不变，以1/2#机组装卸料机程序为基础，对1/2#机组程序进行适应性修改，完成1/2#机组控制台与模拟机对接。修改内容包括：

3.2.1 定义新增变量

定义EGD 以太网传输变量，如主提升偏置、大/小车偏置以及通讯状态字。通过比对1/2#机组程序与3/4#机组装卸料机专用程序可知，1/2#机组程序中需增加变量H_OFF（主提升偏置）、B_OFF（大车偏置）、T_OFF（小车偏置）、SIM_RCV_ST_WRD（Sim Receive Status Word）、SIMLDERR（Simulator Load Compare Error）。

表1 ENC_SET子程序修改清单Table 1 ENC_SET Subprogram modification list

3.2.2 配置用于接收模拟机数据的EGD以太网模块

在Consumed Exchanges 中新建ConsExch13 模块，设置通讯IP 地址为：129.0.0.6。配置接收数据存储地址，包括：主载荷信号HLP_SIM，冗余载荷信号HLR_SIM，主提升位置偏置H_POS、大车位置偏置B_POS、小车位置偏置T_POS，以及模拟机状态信号字SRB。

3.2.3 配置用于发送数据给模拟机的EGD以太网模块

在Produced Exchanges 中新建PeodExch14 模块，设置通讯IP 地址为：129.0.0.6。配置的发送数包括：大/小车、主提升坐标以及装卸料机状态信号。

3.2.4 修改编码器分辨率及旋转方向

由于模拟机系统仅用于模拟现场设备动作，未进行实际移动，因而可以适当提高坐标移动速度，缩短装卸料机动作时间。在模拟机控制程序中，通过改变编码器分辨率“Counts Per Revolution”数值，即可改变编码器虚拟齿轮盘周长，从而改变电机输出轴至编码器减速比，实现提高速度运行。同时，由于模拟机中编码器旋转方向与现场存在差别，需要修改编码器方向设置。通过分析装卸料机程序可知，编码器设置子程序为“ENC_SET”，表1 为子程序修改内容。

3.2.5 编写主提升、大/小车位置偏置参数赋值运算程序“SIM1”

主提升、大/小车位置偏置参数用于模拟装卸料机运行过程中各X、Y、Z 方向上主、冗余编码器比较故障，由于1/2#机组装卸料机正式程序中未进行相应配置，需要对其进行适配。

1）经核实分析，在2#机组PLC 程序中已经存在用于模拟大/小车、主提升比较故障用的变量（BRSE、TRSE、HRSE），编写SIM1 子程序将从模拟机通讯而来的冗余偏置数据赋值给相应变量。

2）核实模拟比较计算模块

因1/2#机组模拟比较计算PLC 子程序设定有查看密码，无法直接查看相应程序块，本文利用Proficy 中参数搜索功能，将搜索结果中出现的算法与3/4#机组模拟机程序中相应模块进行比对，用以确认二者是否一致。

以参数HRSE 为例，搜索结果指示HRSE 应用在3#机组模拟机程序H_ENCOD 子程序第4 行，使用模块为“ADD DINT”，计算公式为：HPOUT+HRSE=HROUT。

在2#机组正式程序中搜索“HRSE”，其在2#机组中使用情况与3#机组模拟机程序中完全一致。

重复上述方法检查TRSE、BRSE 可知，1/2#机组程序中已存在模拟比较计算模块，并且与3/4#机组模拟机程序完全一致，无需增加。

3.2.6 修改主提升、大/小车超速报警限值

由于模拟机减速盒减速比与现场实际减速箱减速比存在差异，同时虚拟编码器齿轮盘与实际齿轮盘大小存在差异，导致电机轴输出至编码器齿轮盘的线速度发生改变，需要重新设置主提升、大/小车超速限值。根据减速比与线速度关系，可以推导出模拟机超速限值计算公式：

查询装卸料机机械设计图及模拟机图纸可知1/2#机组与模拟机相应编码器周长及减速比数据，同时将原程序中大/小车、主提升超速报警限值代入上述公式，计算出报警 限 值：B_HIGH=2300,T_HIGH=1700,H_HIGH=1200， 将程序中报警限值按照计算结果修改。

3.2.7 添加模拟载荷比较模块

1）在子程序SIM1 中，将从模拟机通讯而来的载荷比较功能启用状态位赋值给变量%M00394（Simulator Load Compare Error）。

2）在子程序H_LOADS 中添加模拟载荷比较计算模块：当模拟机给出“载荷比较错误”信号时，模块将冗余载荷传感器数值+50kg，表达式为：LOAD_R=LOAD_R+50kg，用于产生载荷比较故障。

4 结论

本文通过分析1/2#机组装卸料机与3/4#机组操作台在硬件和控制程序方面差异，并提出针对性解决方法：建立以太网模块、添加必要变量、修改源程序、匹配驱动器与电机等。可以清晰发现，1/2#机组操作台与3/4#机组模拟机之间的对接完全可行。