主从双向驱动的燃料传输驱动装置研究

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(中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041)

Design of the Fuel Transfer System Driving Device Based on Two-way Master/Slave Drive

WENG Songfeng, CHEN Shuhua, LUO Ying, HUANG Xindong, DONG Daili，MU Wei，HUANG Zongren

(Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory，Nuclear Power Institute

of China，Chengdu 610041，China)

主从双向驱动的燃料传输驱动装置研究

瓮松峰，陈书华，罗英，黄新东，董岱林，穆伟，黄宗仁

(中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041)

Design of the Fuel Transfer System Driving Device Based on Two-way Master/Slave Drive

WENG Songfeng, CHEN Shuhua, LUO Ying, HUANG Xindong, DONG Daili，MU Wei，HUANG Zongren

(Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory，Nuclear Power Institute

of China，Chengdu 610041，China)

摘要：提出了一种基于主从双向驱动的燃料传输驱动装置，采用双电机主从驱动和挠性驱动部件，可以适应燃料组件长距离传输要求，并可简化传输系统。

关键词：燃料传输系统；驱动装置；主从驱动；长距离传输

收稿日期：2015-05-28

中图分类号：TL353.3

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)10-0023-03

Abstract：This paper presents a fuel transfer driving device based on double motor master/slave drive method to solve fuel long distance transfer, and simplify the transfer system.

作者简介：瓮松峰(1976-)，男，河南南阳人，高级工程师，硕士，研究方向为换料工艺及专用设备；陈书华(1984-)，男，江苏涟水人，工程师，研究方向为换料工艺及专用设备。

Key words：fuel transfer system；driving equipment；master/slave servo drive；long-distance transfer

0引言

目前，国内在役和在建的轻水压水堆核电厂，其反应堆厂房和燃料厂房(或辅助厂房)相邻且间距很小，燃料传输距离也较短，其燃料传输系统采用电机驱动的齿轮齿条传动机构，将电机的回转运动转化为运输小车的直线运动，并通过变换电机转向改变运输小车运动方向，实现燃料组件在两个厂房间传输。

1问题提出

某些堆型，如地下核电站，反应堆厂房与燃料厂房分别位于地下不同洞室，由于土建施工限制，洞室间距长达几十米，若燃料传输系统采用齿轮齿条刚性传动和单电机驱动，驱动齿条和容纳齿条的传输通道长度将超过洞室间距，不仅会对设备制造、安装和维护带来困难，也会给土建施工带来困难。

对于燃料组件需要长距离转运的传输系统，驱动装置是整个系统变化最大部分，也是传输系统需要解决的关键问题之一，是核燃料装卸与贮存系统可行性的决定因素之一。

结合中国工程院咨询项目“核电站反应堆及带放射性的辅助厂房置于地下的可行性研究”，研究设计了一种主从双向驱动的燃料传输驱动装置，采用可变主从的双电机驱动和挠性钢丝绳传动，解决燃料组件长距离厂房间水下传输问题，该装置简化了燃料传输系统。驱动装置由2套传输卷扬系统构成，分别布置在燃料厂房和反应堆厂房。

2技术方案

传输驱动装置驱动燃料组件容器在反应堆厂房和燃料厂房间往复运动，从而实现燃料组件在两个厂房间转运，装置不仅要保证工作行程满足转运要求，而且还要运动平稳，定位精确，确保转运物项的安全。

2.1　传输驱动装置构成

传输驱动装置结构如图1所示，燃料组件容器通过前后2根传动钢丝绳分别与反应堆厂房和燃料厂房的传输卷扬系统连接。

图1　传输驱动装

传输驱动装置包括2套卷扬装置，分别布置在反应堆厂房和燃料厂房，每套卷扬装置包括驱动部件、传动部件、卷扬部件、张力检测器件等，燃料组件容器通过前后2根传动钢丝绳分别与反应堆厂房和燃料厂房的卷扬装置连接。

工作时，主动电机通过传动部件拖动燃料运输容器运动，而从动电机根据速度和张力反馈被动跟踪，保持钢丝绳张力恒定，克服钢丝绳挠曲，同时提高系统刚度，抑制震荡，可以保证装载燃料运行平稳，防止过冲或滑出轨道。

此外，系统设计还采取了必要的安全措施，安全离合器可以避免由于系统过载造成设备损坏；手动操作机构在设备失电状态可以操纵拖动容器运动；钢丝绳不仅具有张力检测，还有破断检测功能，多股钢丝绳还能有效防止传动失效。

2.2　控制系统构成

在反应堆厂房和燃料厂房分别设置有控制台，用于设备操作、通信和人机交互；以西门子S7-317 PLC作为主控制器，控制器配置专门的PROFIBUS-DP接口并具有较强的浮点计算能力，通过CP 343通信模块连接到工业以太网；伺服控制系统选用施耐德Lexium通用型伺服驱动器和BSH伺服电机，伺服驱动器集成有PROFIBUS-DP总线接口模块，以普通的双绞线作为通信介质；ET 200是基于PROFIBUS-DP的现场总线式分布I/O，可以实现与PLC毫秒级的高速通信，并能适应恶劣的环境条件。

控制系统以可编程序控制器(PLC)为核心，采用分层分布式的网络结构如图2所示。2台工控机作为操作员工作站，与PLC进行通讯，并将数据存入数据库，用于设备状态监视、系统故障诊断、报表数据生成以及操作指导等；PLC用于完成系统逻辑控制、运动控制、数据处理和通信联网；PROFIBUS-DP总线负责对系统的伺服控制器、分布I/O进行管理，包括速度、力矩、位置等参数的命令传送与设置，现场数据采集及设备控制；分布I/O将控制台控制信号和现场输入输出信号进行采集并传送到PLC，同时执行PLC的控制指令，驱动现场设备工作。

图2　控制系统网络结构

3工作原理

3.1　工作步骤

以燃料组件从燃料厂房进入反应堆厂房为例，简要介绍燃料传输系统工作原理。

a.因为运输小车位于燃料厂房，故控制系统将反应堆厂房侧驱动电机设置为主动电机，燃料厂房侧驱动电机作为从动电机。

b.反应堆厂房侧驱动电机工作，通过卷筒回转带动运输小车从燃料厂房向反应堆厂房运动，从动电机根据张力检测反馈信息修正速度指令，实现速度跟随、张力恒定工作状态。

c.行程开关指示运输小车到达反应堆厂房翻转位置，两侧电机停止运动，制动器工作，抱紧传动轴，将运输小车锁定在固定位置，翻转架有水平状态翻转为竖直状态，即可进行燃料组件运输容器装料操作，完成后翻转架恢复为水平状态。

燃料组件从反应堆厂房进入到燃料厂房，工作步骤与上述布置类似，只需要将燃料厂房侧驱动电机设置为主动电机，而反应堆厂房侧驱动电机为从动电机。

3.2　控制原理

主从控制技术是指以需要同步驱动的几个驱动单元中的一个驱动单元相关参数作为对象供其他驱动单元跟踪，并达到同步状态。大型机床主从驱动多采用刚性连接形式进行驱动，采用速度/转矩耦合控制方法，即通过机械耦合产生的变形应力作为反馈进行调节；此外，驱动系统主动电机和从动电机在系统设计时大多已经固化，传动方向固定，不需要在工作过程中调整主从设置[2-]3]。

而燃料传输驱动装置采用柔性钢丝绳连接，在工作过程，不仅需要保持主从电机的速度同步，还要保持作为保持缆的传动钢丝绳处于一定的张紧状态，因此两台电机功率不平衡；此外，传动方向还需要发生变化，因系统采用柔性传动，只能通过改变电机主从角色的方式实现传动方向变化。

研究根据燃料传输驱动装置工作特殊要求，提出一种主从角色可互换的同步驱动方式，主动电机和从动电机角色并不固定，而是根据传动方向转换；因为采用柔性连接，主从电机允许存在瞬时微量的速度偏差，因此在功能上，主动电机负责控制系统的位置和速度，而从动电机负责跟随和张力保持。

控制系统的工作原理如图3所示。主动电机和从动电机均采用位置控制模式，控制器同时向主动电机和从动电机给出位置给定值，主动电机根据位置反馈调节速度，保持实际速度与给定速度一致，此过程张力反馈环节无效；而从动电机则根据张力反馈，修正位置脉冲频率，调节从动电机速度。

图3　控制系统原理

无论主动电机和从动电机，在系统启动状态，得到的相同指令信息，若出现不同步状态，则张力传感器反馈值与张力设定值会产生偏差，通过位置修正用控制器进行校正，则可保持速度同步的前提下，传动钢丝绳处于恒张力状态。

控制系统的主动电机和从动电机根据传动方向变化而变换，控制系统根据燃料组件容器的位置，重新分配主从电机，并同时改变电机旋转方向。

4结束语

随着核电技术的发展，安全性、经济性和适用性更好的新型核电厂必将出现，研究的一种主从双向驱动的燃料传输驱动装置，使燃料组件传输距离大大增加，采用PLC、现场总线技术和伺服控制等先进技术，简化了燃料传输系统驱动装置，且能满足燃料长距离传输的要求。

参考文献：

廖常初.S7-300/400 PLC应用技术.北京：机械工业出版社，2006.

郭庆鼎，孙宜标，王丽梅.现代永磁电动机交流伺服系统.北京：中国电力出版社，2006.

张秀印.主从控制主驱动在数控铣床上的应用.金属加工，2013(14)，55-56.