核电厂水泥固化线全自动控制系统设计

朱 皓，吕 宁，段天英，张喜梅

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

核电站放射性废物的处理是关系到核电站运行的重要环节，TES水泥固化线是采用水泥固化工艺将核电厂运行过程中的放射性固体废物（废树脂、浓缩液和废过滤器芯子）进行预处理、整备并形成稳定的废物货包，以便于运输、暂存和处置的生产线。主要工艺流程包括金属桶的传输、金属桶的开盖和封盖、废物的计量和预处理、废物的装桶、废物的固化或固定、废物桶的养护等。主要设备由辊道传输线、搅拌装置、自动开封盖装置、干混料输送装置、废滤芯装桶装置等组成，水泥固化线的控制系统用于控制工艺系统高效、可靠运行。

1 总体控制需求

水泥固化线共包括电动和气动执行机构180余个，传感器300余个。各执行机构均为运动负载，相对于风机水泵等静负载存在控制要求高、控制过程复杂等特点。

由于固化线处理废物具有放射性，应尽量减少人员进入现场的频次和时间，特别是要防止装桶废物未封盖前发生故障导致的设备停运，控制系统需在设计上采取措施，提高生产线的可靠性及可监控性。

为提高生产线的废物处理效率，生产线上需同时对多个金属桶进行操作，包括转移、开封盖、装桶、搅拌、暂存养护等动作，需提高控制系统的集成度和自动化程度，实现多设备紧密协同运作，提高整条生产线的工作效率。

2 控制系统的总体设计

针对水泥固化生产线的工艺特点和控制需求，控制系统的总体设计主要考虑以下两个方面：一是保证系统可靠性及可监控性，通过合理地设置传感器，并针对关键监控设备进行冗余设计，同时利用现场总线技术简化系统架构，提高系统的可靠性及可监控性；二是提高控制系统的自动化程度，合理优化自动控制流程，减少人员操作，降低人因失误，提高处理效率。

2.1 硬件总体设计

控制系统的结构图如图1所示。

上层为组态监控系统，通过操作员站实现操作人员和控制系统的人机对话。通过监控界面可实时监控工艺流程的进展，调整系统的工作参数，对系统的故障进行诊断，通过数据采集的结果可以了解设备的工作状况。

中间层为主控PLC以及输入输出模块[1]，实现信息的采集、逻辑运算和控制指令的下传，控制系统的核心控制逻辑均由主控PLC实现。自带控制器的搅拌装置及取封盖装置通过总线与主控PLC通讯。

下层为电气驱动设备，包括常规断路器加接触器的控制驱动回路，以及辊道的变频驱动回路，变频器通过总线与主控PLC通讯，实现信息反馈及定位控制[2,3]。

2.2 软件总体设计

2.2.1 控制模式

为同时保证工艺系统运行过程中的自动化程度及可操作的灵活性，水泥固化线的控制模式分为手动、半自动和全自动3种。

手动：可单独操作任一设备动作。

半自动：按预定程序实现工艺流程中某一部分功能的控制流程，每个半自动的控制流程在本系统中设置为一个子任务。半自动的划分要根据涉及到的设备以及任务的相对独立性合理划分。

全自动：启动后可自动完成某一完整工艺流程，如指定废物类型的搅拌固化全流程。

2.2.2 控制任务块划分及设计

任务块的设置充分考虑处理不同废物时，不同工况下对设备的操作要求，既要减少人为操作，提高自动化程度，同时要增加操控灵活性，以及对于异常情况的处理。本系统通过合理设置半自动子任务流程，全自动流程全部由已有半自动直接组合的控制逻辑实现。根据工艺处理流程以及设备的协调参与，本系统设置4大类共32个半自动子任务，通过对子任务的顺序控制组合出7个全自动。

3 单机设备的驱动控制设计

3.1 辊道驱动控制设计

辊道的主要功能是实现金属桶的双向传输，所有的辊道都有传输功能。根据不同的定位点所需进行的处理工艺，不同的辊道附加了一些辅助功能。水泥固化线共由14段辊道组成，共分为5类，分别是固定辊道、平移辊道、侧移辊道、顶升辊道和顶升振动辊道。

辊道的双向传输既要保证5m/min的传输速度，又要保证5mm以内的定位误差，定位准确才能保证金属桶在相应工位进行工艺处理。为保证辊道在放射环境运行的可靠性，每段辊道均设计了冗余的双电机驱动，可迅速切除故障电机，由备用电机驱动辊道运行。为实现辊道的高速运行及精准定位，辊道的控制信号由光电开关反馈，同时采用变频调速加电机抱闸的控制方案。接收启动指令后，同时释放抱闸并通过变频器启动高速运行，监测到低速光电开关信号时切换运行速度，监测到到位光电开关信号时迅速停车并抱闸，防止设备惯性漂移。辊道的电气控制原理图如图2所示。

3.2 搅拌控制设计

搅拌桨为双螺旋行星搅拌装置，两根螺旋式的自转桨安装在圆形的转盘上，螺旋桨自转的同时，转盘在进行公转，从而达到更均匀的搅拌效果。搅拌完成后自转桨可振动，使残留在桨上的废物落入金属桶中，搅拌桨不需要工作时可提升至顶部，以免干涉金属桶的传输。

搅拌桨的控制是水泥固化效果的关键环节。搅拌桨装置设置独立的控制器，通过独立控制器固化搅拌工艺及参数，主控PLC仅需下发启动搅拌指令，并实时接收搅拌状态参数反馈，根据搅拌状态控制干混料装置进行送料。

搅拌装置的执行机构共5个电机，分别控制公转、自转、提升以及振动，振动为双电机，公转和自转为调速控制。自转和公转的转速调节通过变频器进行控制。

在搅拌桨控制器中，对搅拌工艺流程进行控制。控制方案采用顺序逻辑控制，从接收到上游搅拌启动指令开始，进行搅拌桨的下降，下降到一定位置后开始自转，以及后续的分阶段的自转和公转的匹配组合，期间通过总线通讯反馈搅拌阶段和状态参数，由主控PLC控制垂直及水平干混料输送装置匹配干混料的输送，搅拌过程包括4次自动加料和5个阶段的搅拌。针对不同废物的搅拌，各阶段的搅拌时间以及搅拌转速均不相同。

4 自动控制设计

4.1 水泥固化线的控制特点

控制方式及自动控制的设计需结合生产线自身的控制特点。本系统不同于核电常规的流体系统，主要是通过动设备的协作完成特定的工艺处理。水泥固化线主要有如下几个特点：

1）设备执行机构多，驱动形式多样。

2）设备之间的闭锁关系复杂。

3）多设备协作的顺序控制，对批次及时序有较高要求。

4）异常工况有较高的自动化干预处理能力，紧急工况下的报警、急停及退出机制。

4.2 半自动控制流程设计

子任务的设置，需充分满足不同工艺流程、不同工况下对设备操作的要求，同时要考虑子任务在不同工艺流程中的公用性。根据任务类型可将半自动的子任务分为4大类，包括金属桶定位流程子任务、装料搅拌流程子任务、清洗流程子任务、取封盖流程子任务。以金属桶定位子任务为例，说明子任务控制流程的设计。

1）金属桶定位功能子任务设置原则

金属桶定位子任务设置时要充分考虑不同工况下金属桶转移的需求，在运动尽量简化的前提下，保证金属桶的安全，主要设置原则包括如下几条：

① 满足所有工况下对不同起终点的金属桶定位需求。

② 同时设备运动尽量精简。

③ 保障金属桶在不同辊道过度地平稳。

④ 兼顾部分辊道故障时金属桶的应急处理。

2）金属桶定位光电传感器的设置

金属桶的定位主要依靠辊道上设计的光电传感器来实现，且定位的过程中辊道的运动还需要光电传感器的信号来调节速度。对于搅拌固化操作流程还需考虑8个桶在辊道上的堆栈，由于辊道长度有限，需根据光电传感器的设置来控制桶之间的间距，所以光电传感器的合理设置对于金属桶的定位至关重要，要在实现功能的情况下尽可能地减少传感器的设置，恶劣环境下传感器容易损坏，传感器损坏将直接导致工艺流程无法进行。辊道光电开关布置图如图3所示。

根据控制需求，分析光电开关主要实现如下几类功能：

① 靠近金属桶定位点时控制辊道减速。

② 到达定位点时控制辊道停止。

③ 进入屏蔽门里面辊道上金属桶计数。

④ 金属桶在辊道上堆栈暂存时的间距控制。

⑤ 自动控制任务执行过程中设备启停的衔接。

3）金属桶定位子任务控制流程

根据工艺流程控制功能需求，结合子任务划分的合理性，最终对于金属桶不同起点和终点定位的子任务共划分了24个。

以子任务2为例，子任务2的控制流程图如图4所示，起点A2点，终点E点。运动过程中涉及到的设备包括：辊道2、4、6、9、10、11、12、辊道2锁定装置、辊道2和4止挡装置、夹紧装置。整个子任务在接受到启动信号后，自动按流程图中的功能块根据传感器的信号反馈依次执行，部分设备存在同时并行的情况以缩短任务执行时间。

4.3 全自动控制流程设计

为减少编程量，提高程序利用效率，同时提高程序的可靠性和后期的调试工作量，全自动流程实现采用半自动子任务流程组合的形式来实现。编程时直接通过启动和完成信号按序驱动各子任务程序块执行即可。所以半自动程序在设计时需按功能块进行封装，并合理地设置使能端和输入输出端。

全自动的控制流程由半自动的子任务流程组合而成，图5所示是全自动任务3浓缩液处理的全自动控制流程。

5 结束语

水泥固化线控制系统的设计，充分结合系统设备多、工艺流程复杂的特点，通过灵活地设置子任务流程并对子任务进行组合的方式实现了废物处理流程的全自动控制，使操作员能够通过简单的操作实现复杂的工艺处理过程，系统的自动化程序达到较高的水平。该控制流程的设计已在多个核电站的水泥固化中应用，很好地实现了水泥固化线全部工艺流程高效、可靠的自动处理。