CN116825411A - 一种核反应堆堆芯探测器卷出装置工作轴驱动与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于核电站反应堆检修技术领域，具体涉及一种核反应堆堆芯探测器卷出装置工作轴驱动与控制方法。采用交流伺服驱动电机实现对工作轴的驱动；采用伺服驱动编码器实现工作轴在初始位置、加载位置和缠绕位置的精准定位；工作轴尾端增加3个非接触式位置开关，分别对应工作轴三个位置：初始位置，加载位置和缠绕位置。本发明实现对取出装置工作轴的精准定位和控制，从而提高设备的安全性和可靠性，降低人员作业时间和受照射剂量。

Description

一种核反应堆堆芯探测器卷出装置工作轴驱动与控制方法

技术领域

本发明属于核电站反应堆检修技术领域，具体涉及一种核反应堆堆芯探测器卷出装置工作轴驱动与控制方法。

背景技术

田湾核电站VVER机组在反应堆堆芯中安装有54根中子温度测量通道，用于测量中子通量、燃料组件入口处和出口处冷却剂温度、反应堆顶盖下冷却剂温度和事故工况下堆芯冷却剂液位。中子温度测量通道长约13m，上部直径为24mm，下部直径为7.5mm，下部长期在反应堆堆芯工作，带有极大的放射性，其活化段接触剂量率达数百希弗级别。根据维修大纲要求，2个换料周期就需对所有中子温度测量通道进行更换，因此需要将废旧的中子温度测量通道取出。

废中子温度测量通道取出装置(以下简称取出装置)为取出中子温度测量通道的专用工具，主要由设备壳体、缠绕装置、导向装置、闸阀、捋直装置、控制系统、视频监控系统、吊具等部分组成；其中缠绕装置主要包括电动头、伺服电机、工作轴及接近开关、电磁离合器，电动头和伺服电机为动力源，通过驱动工作轴，从而实现加载、缠绕、脱离等一系列操作，电磁离合器实现工作轴轴向运动和旋转运动的转换。

工作轴一共有三个工作位置：初始位置时，工作轴完全收进取出装置内部，工作轴头部缺口朝上；加载位置时，工作轴应处于整个装置的中间位置，方便中子温度测量通道杆从下方穿入；缠绕位置时，工作轴向左推进至最底部，带动中子温度测量通道杆旋转，从而将中子温度测量通道取出。目前该工具在使用过程中，工作轴存在反转、定位精度偏差大、工作轴复位过程中螺纹咬死等问题，由于废中子测量通道取出工作存在高辐射、对设备可靠性要求高的特点，因此该工具一直无法成功应用至现场。为解决这一难点，重新设计了工作轴的驱动与控制方法，通过利用伺服电机和可编程伺服驱动编码器，同时在工作轴尾部增加三位非接触式接近开关，通过以上方式，来实现对工作轴的驱动、精准定位及控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种核反应堆堆芯探测器卷出装置工作轴驱动与控制方法，来实现对取出装置工作轴的精准定位和控制，从而提高设备的安全性和可靠性，降低人员作业时间和受照射剂量。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种核反应堆堆芯探测器卷出装置工作轴驱动与控制方法，采用交流伺服驱动电机实现对工作轴的驱动；采用伺服驱动编码器实现工作轴在初始位置、加载位置和缠绕位置的精准定位；工作轴尾端增加3个非接触式位置开关，分别对应工作轴三个位置：初始位置，加载位置和缠绕位置。

1)伺服驱动电机与电动执行器连接，电动执行器与工作轴连接；

2)初始状态确认：包括伺服驱动编码器处于零位，工作轴尾端极右接近开关处于触发状态，工作轴初始位置信号、抽屉关闭限位信号、电源信号以及各限位开关信号均正常且能显示在人机交互界面上；以上信号均正常才能电动操作，否则无法电动操作；每一步骤下的限位开关状态应与操作系统有逻辑连锁，若限位开关状态不符，将触发逻辑保护，无法电动操作，同时手动操作时能够在操作界面显示报错；

3)加载阶段：电磁离合器吸合，伺服驱动电机带动工作轴向前运动，当工作轴尾端的定位轴凸台到达加载位置时，触发加载位置接近开关信号，或者伺服驱动编码器计数到达设定值后，PLC控制系统控制伺服驱动电机断电停止工作，工作轴到达加载位置；操作人员打开卷出装置底部的防脱装置，将废中子测量通道管束送至工作轴前端的U型槽内，完成加载工作，此时加载通道触发有杆穿入的限位信号；加载完后必须将捋直装置摇回低位，触发低位限位信号，否则PLC控制系统将禁止继续操作；

4)缠绕阶段：首先电磁离合器吸合，工作轴继续向前做轴向运动，当工作轴到达左极限后，工作轴在设计时设定了轴向物理行程，此时无法继续做轴向运动，触发极左位置接近开关信号，或者伺服驱动编码器计数达到设定值后，PLC控制系统控制电磁离合器断电，工作轴进行旋转运动，进行废中子测量通道缠绕工作，同时操作人员操作导向环来控制缠绕的均匀性；在此过程中，极左位置接近开关信号必须时刻保持，以防止工作轴出现退轴现象；当废中子测量通道加载限位信号触发后，继续延时缠绕，保证废中子测量通道全部取出，缠绕工作结束，通过电视监控系统确认缠绕工作是否完成；

5)脱落阶段：首先将导向环完全收回，触发限位信号，为脱落提供通道；然后电磁离合器吸合，伺服驱动电机带动工作轴进行退轴运动，当工作轴退至尾端极右位置接近开关触发后，伺服驱动电机断电停止工作，卷好的堆芯探测器落入空腔中，此时伺服驱动电机的位置编码器初始化，便于下一个流程的开始；

6)返回初始位置阶段：导向环返回至中间位置，触发限位信号，电磁离合器断电，手动操作电动执行器手轮，使机械离合插入到电磁离合器凹槽内，此时工作轴前端U型槽方向垂直向上，其他限位信号正常，此时完成位置初始化工作。

电动执行器通过螺纹与工作轴连接。

当废中子测量通道加载限位信号触发后，继续延时缠绕20s，保证废中子测量通道全部取出。

采用两套力矩保护，一级力矩保护使用电动头内部的力矩保护开关，二级采用伺服驱动电机的力矩保护，数值设置比一级低，当超力矩时先是二级保护力矩报警，伺服驱动电机停止工作，当二级力矩保护失效后，到达一级力矩保护数值时，启动一级力矩保护，伺服驱动电机停止工作并切断电源。

本发明所取得的有益效果为：

1)采用交流伺服电机来驱动工作轴，采用伺服驱动编码器来控制工作轴的定位精度；

2)在工作轴尾端设计新的机械结构，增加三个非接触式限位开关，用于对工作轴三个工作位置的精准控制和显示；

3)采取电动头力矩保护开关和伺服电机力矩保护两套力矩保护设计；

4)采用伺服驱动编码器和接近开关共同控制工作轴各工作位置的停止动作，同时用于工作轴的位置监测；

5)多重保护逻辑，保障设备的安全性和可靠性：增加两重位置保护逻辑，即当伺服编码器数值到达设定值，且接近开关触发后，才能进行下一步操作，防止工作轴误动作；

6)智能可视化人机交互系统：根据伺服驱动编码器信号和接近开关位置信号，实现动态监控装置各执行机构的运行状况，增加故障诊断功能。

附图说明

图1为一种核反应堆堆芯探测器卷出装置工作轴驱动与控制方法示意图A；

图2为一种核反应堆堆芯探测器卷出装置工作轴驱动与控制方法示意图B；

图中：1-工作轴；2-极左接近开关；3-加载位置接近开关；4-极右接近开关。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

1)采用交流伺服电机来实现对工作轴的驱动；采用伺服驱动编码器来实现工作轴在初始位置、加载位置和缠绕位置的精准定位，伺服驱动编码器能有效提高位置控制精度；

2)在工作轴尾端增加3个非接触式位置开关，分别对应工作轴三个位置：初始位置，加载位置和缠绕位置；从机械方面来实现工作轴的位置控制和监测；

3)优化操作流程，设计电气控制系统，增加伺服编码器和接近开关的连锁保护逻辑，提高系统的控制精度和可靠性；增加可视化人机交互系统，实现动态监控装置各执行机构的运行状况，增加故障诊断功能，同时保留手动操作功能；

4)力矩保护：采用两套力矩保护，一级力矩保护使用电动头内部的力矩保护开关，二级采用伺服电机的力矩保护，数值设置比一级低，当超力矩时先是二级保护力矩报警，电机停止工作，当二级力矩保护失效后，到达一级力矩保护数值时，启动一级力矩保护，电机停止工作并切断电源；

5)位置保护设计：位置编码器设定工作范围，超出工作范围后，驱动电机停机保护；

6)可视化人机交互系统：根据伺服电机位置编码器信号和位置开关信号，模拟工作轴的位置信号，仿真工作轴的工作过程并显示到显示面板中，伺服位置编码器提供位置信息依据。

1)伺服驱动电机与电动执行器连接，电动执行器通过螺纹与工作轴连接；

2)初始状态确认：包括伺服驱动编码器处于零位，工作轴尾端极右接近开关处于触发状态，工作轴初始位置信号、抽屉关闭限位信号、电源信号以及各限位开关信号均正常且能显示在人机交互界面上；以上信号均正常才能电动操作，否则无法电动操作；每一步骤下的限位开关状态应与操作系统有逻辑连锁，若限位开关状态不符，将触发逻辑保护，无法电动操作，同时手动操作时能够在操作界面显示报错；

3)加载阶段：电磁离合器吸合，伺服驱动电机带动工作轴向前运动，当工作轴尾端的定位轴凸台到达加载位置时，触发加载位置接近开关信号，或者伺服驱动编码器计数到达设定值后，PLC控制系统控制伺服驱动电机断电停止工作，工作轴到达加载位置。操作人员打开卷出装置底部的防脱装置，将废中子测量通道管束送至工作轴前端的U型槽内，完成加载工作，此时加载通道触发有杆穿入的限位信号；加载完后必须将捋直装置摇回低位，触发低位限位信号，否则PLC控制系统将禁止继续操作；

4)缠绕阶段：首先电磁离合器吸合，工作轴继续向前做轴向运动，当工作轴到达左极限后，由于工作轴在设计时设定了轴向物理行程，此时无法继续做轴向运动，触发极左位置接近开关信号，或者伺服驱动编码器计数达到设定值后，PLC控制系统控制电磁离合器断电，工作轴进行旋转运动，进行废中子测量通道缠绕工作，同时操作人员操作导向环来控制缠绕的均匀性；在此过程中，极左位置接近开关信号必须时刻保持，以防止工作轴出现退轴现象。当废中子测量通道加载限位信号触发后，继续延时缠绕20s，保证废中子测量通道全部取出，缠绕工作结束，通过电视监控系统确认缠绕工作是否完成；

5)脱落阶段：首先将导向环完全收回，触发限位信号，为脱落提供通道；然后电磁离合器吸合，伺服驱动电机带动工作轴进行退轴运动，当工作轴退至尾端极右位置接近开关触发后，伺服驱动电机断电停止工作，卷好的堆芯探测器落入空腔中，此时伺服驱动电机的位置编码器初始化，便于下一个流程的开始；

6)返回初始位置阶段：导向环返回至中间位置，触发限位信号，电磁离合器断电，手动操作电动执行器手轮，使机械离合插入到电磁离合器凹槽内，此时工作轴前端U型槽方向垂直向上，其他限位信号正常，此时完成位置初始化工作。

Claims (5)

1.一种核反应堆堆芯探测器卷出装置工作轴驱动与控制方法，其特征在于：采用交流伺服驱动电机实现对工作轴的驱动；采用伺服驱动编码器实现工作轴在初始位置、加载位置和缠绕位置的精准定位；工作轴尾端增加3个非接触式位置开关，分别对应工作轴三个位置：初始位置，加载位置和缠绕位置。

2.根据权利要求1所述的核反应堆堆芯探测器卷出装置工作轴驱动与控制方法，其特征在于：

1)伺服驱动电机与电动执行器连接，电动执行器与工作轴连接；

2)初始状态确认：包括伺服驱动编码器处于零位，工作轴尾端极右接近开关处于触发状态，工作轴初始位置信号、抽屉关闭限位信号、电源信号以及各限位开关信号均正常且能显示在人机交互界面上；以上信号均正常才能电动操作，否则无法电动操作；每一步骤下的限位开关状态应与操作系统有逻辑连锁，若限位开关状态不符，将触发逻辑保护，无法电动操作，同时手动操作时能够在操作界面显示报错；

3)加载阶段：电磁离合器吸合，伺服驱动电机带动工作轴向前运动，当工作轴尾端的定位轴凸台到达加载位置时，触发加载位置接近开关信号，或者伺服驱动编码器计数到达设定值后，PLC控制系统控制伺服驱动电机断电停止工作，工作轴到达加载位置；操作人员打开卷出装置底部的防脱装置，将废中子测量通道管束送至工作轴前端的U型槽内，完成加载工作，此时加载通道触发有杆穿入的限位信号；加载完后必须将捋直装置摇回低位，触发低位限位信号，否则PLC控制系统将禁止继续操作；

4)缠绕阶段：首先电磁离合器吸合，工作轴继续向前做轴向运动，当工作轴到达左极限后，工作轴在设计时设定了轴向物理行程，此时无法继续做轴向运动，触发极左位置接近开关信号，或者伺服驱动编码器计数达到设定值后，PLC控制系统控制电磁离合器断电，工作轴进行旋转运动，进行废中子测量通道缠绕工作，同时操作人员操作导向环来控制缠绕的均匀性；在此过程中，极左位置接近开关信号必须时刻保持，以防止工作轴出现退轴现象；当废中子测量通道加载限位信号触发后，继续延时缠绕，保证废中子测量通道全部取出，缠绕工作结束，通过电视监控系统确认缠绕工作是否完成；

5)脱落阶段：首先将导向环完全收回，触发限位信号，为脱落提供通道；然后电磁离合器吸合，伺服驱动电机带动工作轴进行退轴运动，当工作轴退至尾端极右位置接近开关触发后，伺服驱动电机断电停止工作，卷好的堆芯探测器落入空腔中，此时伺服驱动电机的位置编码器初始化，便于下一个流程的开始；

6)返回初始位置阶段：导向环返回至中间位置，触发限位信号，电磁离合器断电，手动操作电动执行器手轮，使机械离合插入到电磁离合器凹槽内，此时工作轴前端U型槽方向垂直向上，其他限位信号正常，此时完成位置初始化工作。

3.根据权利要求2所述的核反应堆堆芯探测器卷出装置工作轴驱动与控制方法，其特征在于：电动执行器通过螺纹与工作轴连接。

4.根据权利要求2所述的核反应堆堆芯探测器卷出装置工作轴驱动与控制方法，其特征在于：当废中子测量通道加载限位信号触发后，继续延时缠绕20s，保证废中子测量通道全部取出。

5.根据权利要求1所述的核反应堆堆芯探测器卷出装置工作轴驱动与控制方法，其特征在于：采用两套力矩保护，一级力矩保护使用电动头内部的力矩保护开关，二级采用伺服驱动电机的力矩保护，数值设置比一级低，当超力矩时先是二级保护力矩报警，伺服驱动电机停止工作，当二级力矩保护失效后，到达一级力矩保护数值时，启动一级力矩保护，伺服驱动电机停止工作并切断电源。