CN205328476U - 装卸料机起升机构高低速轴传动比保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种装卸料机起升机构高低速轴传动比保护装置，本实用新型所述的起升机构传动比保护装置，可利用核电站装卸料机通常拥有的自身硬件条件，实现高低速轴传动比保护。本实用新型不需要额外增加硬件设施，且保护的实时性和精度较好。与此同时，当带载的起升机构向下运行至燃料组件就位，系统发生松缆时，若称重系统出现故障，起升电机控制其继续向下运行时，由于低速轴的编码器值不再变化，系统将检测到传动比与实际不一致，从而触发传动比联锁保护。故系统实际上额外增加了一重下限位保护。

Description

装卸料机起升机构高低速轴传动比保护装置

技术领域

本实用新型涉及核电站装卸料机电气联锁保护技术，尤其涉及到装卸料机起升机构高低速轴传动比保护功能。

背景技术

装卸料机是核电站停堆换料期间完成反应堆换料的关键设备，其主要功能是在反应堆堆芯和燃料转动装置倾翻机之间装卸、转动燃料组件。压水堆装卸料机一般采用桥式起重机的结构，主要包括桥架、小车和起升机构，其中桥架和小车用于实现水平方向的运动，起升机构用于实现竖直方向的运动。由于燃料组件本身的特殊性，必须确保其转运过程万无一失，因此起升机构需要设置严格的联锁保护，防止其发生冲顶、超速、断轴等事故。

高低速轴传动比保护，常用于比较重要的起重机起升机构传动轴保护。一般采用电气控制的手段实时监测起升机构传动比，若发现其与实际值不一致，则说明起升机构可能发生断轴事故，须立刻停止运行进行检查。

目前，国内外核电站的装卸料机起升机构，有些没有设置起高低速轴传动比保护功能；有些采用监测高低速轴速度比的方法来实现此保护；有些则在高速轴和低速轴上专门设置绝对值编码器，通过监测位移值比来实现此保护。若不设置高低速轴传动比保护功能，起升机构的运行会存在一定的安全隐患；对于采用监测高低速轴速度比的方法，由于速度检测的实时性和精度较差，为防止误触发需要设置较大的保护阈值，保护效果较差；对于上述专门设置编码器以监测位移值的方法，虽然保护效果较好，但需要专门增加硬件设置，导致成本增大，系统更加复杂。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种装卸料机起升机构高低速轴传动比保护装置，能够利用核电站装卸料机通常拥有的自身原有硬件条件，实现起升机构的高低速轴传动比保护功能。

为解决上述问题，本实用新型提供一种装卸料机起升机构高低速轴传动比保护装置，包括：

带总线接口和以太网接口的PLC，用于通过以太网与工业平板电脑进行通讯，同时通过工业控制总线与带总线接口的拉线式绝对值编码器、带总线控制功能的电机驱动器进行通讯，PLC通过工业控制总线读取带反馈编码器的起升电机和带总线接口的拉线式绝对值编码器的脉冲数值，并通过程序中预先设定的公式转化为当前理论和实际的低速轴位移值，若此时起升电机刚开始使能，或者接受到清除错误命令，则以当前的理论和实际低速轴位移值分别作为初始化时初始的理论和实际低速轴位移值，用初如化后的当前的理论和实际低速轴位移值分别分别减去初始的理论和实际低速轴位移值，得到理论和实际的低速轴相对位移值，通过比较理论和实际的低速轴相对位移值，确定当前传动比是否正常，其中，理论低速轴位移值为起升电机转动圈数除以高低速轴传动比，实际低速轴位移值为带总线接口的拉线式绝对值编码器的输出值乘以预先设定的系数；

带触摸屏功能的工业平板电脑，用于收用户的输入和显示相应的提示和警告信息；

带反馈编码器的起升电机，所述反馈编码器，用于实时反馈起升电机转过的脉冲数；

带总线控制功能的电机驱动器，用于向工业控制输出所述反馈编码器的当前位移值，以及所述起升电机当前的使能状态；

带总线接口的拉线式绝对值编码器，用于测量起升机构的低速轴位移值。

根据本实用新型的另一面，提供一种装卸料机起升机构高低速轴传动比保护方法，采用上述装卸料机起升机构高低速轴传动比保护装置，所述方法包括：

步骤一，带总线接口和以太网接口的PLC从工业总线上读取起升电机当前运行状态，确定起升电机是否开始使能；

步骤二，带总线接口和以太网接口的PLC从工业总线上读取带总线控制功能的电机驱动器输出的反馈编码器的位移值，其中，所述反馈编码器位移值即为带总线控制功能的电机驱动器上电后，起升电机已转过的编码器脉冲数；

步骤三，带总线接口和以太网接口的PLC从工业总线上读取带总线接口的拉线式绝对值编码器的输出值；

步骤四，带总线接口和以太网接口的PLC求取理论和实际上的低速轴位移值，即将所述反馈编码器的脉冲数转化为起升电机已转动圈数，再除以高低速轴传动比得到理论的低速轴位移值，并将带总线接口的拉线式绝对值编码器的输出值转化为实际的低速轴位移值；

步骤五，带总线接口和以太网接口的PLC确定是否需要重新初始化：若操作员在触摸屏是按下清除错误的按键，或者起升电机初次或者重新开始使能，则进行初始化，其中，初始化的方法是分别取当前的理论、实际低速轴位移值作为初始的理论、实际低速轴位移值；

步骤六，带总线接口和以太网接口的PLC计算低速轴的理论和实际的相对位移值：用初始化后的当前的理论和实际的低速轴绝对位移值，减去步骤五中得到初始的理论、实际低速轴位移值，从而得到低速轴的理论和实际相对位移值；

步骤七，带总线接口和以太网接口的PLC求取步骤六中得到的理论和实际相对位移值的差值，并取绝对值后与预先设定的阈值进行比较，若大于阈值则说明系统传动比检测发现异常，进入步骤八，否则说明系统传动比检测结果正常，重新回到步骤一点进入下一轮检测；

步骤八，系统检测到起升机构高低速轴传动比出现异常，由带总线接口和以太网接口的PLC控制起升电机立即停止运行，制动器抱闸，触摸屏上显示相应的错误信息，操作员应在排除所有故障后，点击触摸屏上的清除错误按键，复位错误信息，重新开始检测。

与现有技术相比，本实用新型所述的起升机构传动比保护装置，可利用核电站装卸料机通常拥有的自身硬件条件，实现高低速轴传动比保护。本实用新型不需要额外增加硬件设施，且保护的实时性和精度较好。与此同时，当带载的起升机构向下运行至燃料组件就位，系统发生松缆时，若称重系统出现故障，起升电机控制其继续向下运行时，由于低速轴的编码器值不再变化，系统将检测到传动比与实际不一致，从而触发传动比联锁保护。故系统实际上额外增加了一重下限位保护。

附图说明

图1是本实用新型一实施例的装卸料机起升机构高低速轴传动比保护装置的结构框图；

图2是本实用新型一实施例的装卸料机起升机构高低速轴传动比保护方法的PLC控制程序流程图；

图3是本实用新型一实施例的装卸料机起升机构高低速轴传动比保护方法的电机驱动器控制程序流程图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型提供一种装卸料机起升机构高低速轴传动比保护装置，包括：

带总线接口和以太网接口的PLC11，用于通过以太网与工业平板电脑进行通讯，同时通过工业控制总线与带总线接口的拉线式绝对值编码器、带总线控制功能的电机驱动器进行通讯，PLC11通过工业控制总线读取带反馈编码器的起升电机14和带总线接口的拉线式绝对值编码器15的脉冲数值，并通过程序中预先设定的公式转化为当前理论和实际的低速轴位移值，若此时起升电机刚开始使能，或者接受到清除错误命令，则以当前的理论和实际低速轴位移值分别作为初始化时初始的理论和实际低速轴位移值，用初如化后的当前的理论和实际低速轴位移值分别分别减去初始的理论和实际低速轴位移值，得到理论和实际的低速轴相对位移值，通过比较理论和实际的低速轴相对位移值，确定当前传动比是否正常，其中，理论低速轴位移值为起升电机转动圈数除以高低速轴传动比，实际低速轴位移值为带总线接口的拉线式绝对值编码器15的输出值乘以预先设定的系数；具体的，PLC为本保护装置的控制核心，通常为装卸料机自带的必要硬件设施，其通过必要的接口模块，应可通过以太网与工业平板电脑进行通讯，同时能通过工业控制总线(比如Profibus-DP,或者DeviceNet等)与带总线接口的拉线式绝对值编码器、带总线控制功能的电机驱动器进行通讯；

带触摸屏功能的工业平板电脑12，用于收用户的输入和显示相应的提示和警告信息；具体的，带触摸屏功能的工业平板电脑，可由触摸屏和工控机组合而成，通常也为装卸料机自带的必要硬件设施，其功能主要是用于人机交互，即接收用户的输入和显示相应的提示和警告信息；

带反馈编码器的起升电机14，所述反馈编码器，用于实时反馈起升电机转过的脉冲数；具体的，所述反馈编码器也可换成旋转变压器等反馈传感器件，也是装卸料机自带的必要的硬件设施；

带总线控制功能的电机驱动器13，用于向工业控制输出所述反馈编码器的当前位移值，以及所述起升电机当前的使能状态；具体的，带总线控制功能的电机驱动器，通常为直流电机调速器或者交流伺服电机驱动器，能向工业控制输出所述反馈编码器的当前位移值，以及所述起升电机当前的使能状态，也为装卸料机自带的必要硬件设施，电机反馈编码器14通常为相对值型，电机驱动器13能将其脉冲累计，转化为以上电时位置为零点的位移值，其单位通常为脉冲数；若起升行程过长，则电机累计位移值可能会溢出，此时需要根据溢出的方向的次数，计算其实际的位移值；

带总线接口的拉线式绝对值编码器15，用于测量起升机构的低速轴位移值，通常也是装卸料机自带的必要硬件设施。

详细的，图1示出了本实用新型一种应用于核电厂装卸料机的起升机构高低速轴传动比保护装置硬件组成结构框图，主要包括带总线接口和以太网接口的PLC11，带触摸屏功能的工业平板电脑12，带反馈编码器的起升电机14，带总线控制功能的电机驱动器13，以及带总线接口的拉线式绝对值编码器15。PLC11与工业平板电脑12通过以太网连接，并通过工业总线与电机驱动器13及低速轴绝对值编码器15连接，带总线控制功能的电机驱动器13与电机及其带反馈编码器的起升电机4连接，带总线接口的拉线式绝对值编码器15通过拉线卷筒能直接测量低速轴的位移。

在实际应用过程中，应根据装卸料机上相应器件型号的性能参数，对照上述要求确定其是否能应用此保护方法。比如，PLC可采用西门子公司的S7315-2PN/DP，自带以太网和Profibus-DP接口；带触摸屏功能的工业平板电脑可采用研华公司的PPC-177T-BARE-TE，带电阻式触摸屏功能；带总线控制功能的电机驱动器可采用Baldor公司的Motiflexe100系列，加配Profibus-DP总线插卡；带反馈编码器的起升电机可采用Baldor公司的BSM100C系列伺服电机，自带相对值型编码器及霍尔传感器，或者旋转变压器反馈；带总线接口的拉线式绝对值编码器可采用Baumer公司的IVO绝对值型编码器，选用Profibus-DP接口，并另外配备相应的拉线卷筒。

如图2所示，本实用新型还提供一种装卸料机起升机构高低速轴传动比保护方法，采用上述装卸料机起升机构高低速轴传动比保护装置，以PLC为控制核心，其控制程序流程除了原有的程序段以外，应包括以下步骤：

步骤一，带总线接口和以太网接口的PLC从工业总线上读取起升电机当前运行状态，确定起升电机是否开始使能；

步骤二，带总线接口和以太网接口的PLC从工业总线上读取带总线控制功能的电机驱动器输出的反馈编码器的位移值，其中，所述反馈编码器位移值即为带总线控制功能的电机驱动器上电后，起升电机已转过的编码器脉冲数；

步骤三，带总线接口和以太网接口的PLC从工业总线上读取带总线接口的拉线式绝对值编码器的输出值，通常也是带总线接口的拉线式绝对值编码器相对于零点的已转过的脉冲数；

步骤四，带总线接口和以太网接口的PLC求取理论和实际上的低速轴位移值，即将所述反馈编码器的脉冲数转化为起升电机已转动圈数，再除以高低速轴传动比得到理论的低速轴位移值，并将带总线接口的拉线式绝对值编码器的输出值转化为实际的低速轴位移值；

步骤五，带总线接口和以太网接口的PLC确定是否需要重新初始化：若操作员在触摸屏是按下清除错误的按键，或者起升电机初次或者重新开始使能，则进行初始化，其中，初始化的方法是分别取当前的理论、实际低速轴位移值作为初始的理论、实际低速轴位移值；

步骤六，带总线接口和以太网接口的PLC计算低速轴的理论和实际的相对位移值：用初始化后的当前的理论和实际的低速轴绝对位移值(高速轴的绝对位移值以最后一次上电时电机的位置为零点，低速轴的绝对位移值则是根据需要由用户预先设定的零点)，减去步骤五中得到初始的理论、实际低速轴位移值，从而得到低速轴的理论和实际相对位移值；

步骤七，带总线接口和以太网接口的PLC求取步骤六中得到的理论和实际相对位移值的差值，并取绝对值后与预先设定的阈值进行比较，若大于阈值则说明系统传动比检测发现异常，进入步骤八，否则说明系统传动比检测结果正常，重新回到步骤一点进入下一轮检测；

步骤八，系统检测到起升机构高低速轴传动比出现异常，由带总线接口和以太网接口的PLC控制起升电机立即停止运行，制动器抱闸，触摸屏上显示相应的错误信息，操作员应在排除所有故障后，点击触摸屏上的清除错误按键，复位错误信息，重新开始检测。

进一步，如上所述的一种装卸料机起升机构高低速轴传动比保护方法，采用装卸料机自带的电机驱动器，其控制程序流程除了原有的程序段以外，还应在每个循环周期执行如下步骤：

带总线控制功能的电机驱动器向工业控制总线输出起升电机当前的反馈编码器的位移值。电机的反馈设备可为相对值编码器和霍尔传感器，电机反馈编码器位移值即为电机驱动器上电后，电机已转过的编码器脉冲数。注意若行程过长，其脉冲数可能溢出，这时就须根据溢出的方向和次数，计算实际的位移值；

带总线控制功能的电机驱动器向工业控制总线输出电机当前的使能状态。

详细的，图2示出了基于图1保护装置的一种应用于装卸料机起升机构高低速轴传动比保护方法的PLC程序流程图。采用装卸料机自带的PLC为控制核心，其控制程序流程除了原有的程序段以外，应包括以下步骤：

步骤S21：从工业总线上读取电机14当前运行状态，确定电机14是否开始使能；

步骤S22：从工业总线上读取电机驱动器13输出的电机位移值。电机位移值为将其编码器14输出的脉冲数进行累计，伺服驱动器初上电时为0，运行一段时间后则为电机向某方向转过的脉冲数；

步骤S23：从工业总线上读取低速轴的拉线式绝对值编码器15输出值，通常也是绝对值编码器15相对于预设定零点，已转过的脉冲数；

步骤S24：求取理论和实际上的低速轴位移值：将电机编码器脉冲数转化为电机已转动圈数，再除以高低速轴传动比得到理论低速轴位移值；将绝对值编码器15输出值乘以预设定的系数，转化为实际低速轴位移值；

步骤S25：确定是否需要重新初始化：若操作员在工业平板电脑12的触摸屏上是按下清除错误的按键(注意，此时电机应处于停止状态，否则禁止执行此功能。)，或者电机初次或者重新开始使能时，则进行初始化，以消除高速轴和低速轴位移的累计误差。初始化的方法是：分别取当前理论、实际低速轴位移值作为起始的理论、实际低速轴位移值；

步骤S26：计算低速轴的理论和实际的相对位移值：用当前的理论和实际的低速轴位移值(高速轴的位移值以最后一次上电时电机的位置为零点，低速轴的位移值则是根据需要由用户预先设定的零点)，减去步骤S25确定的理论、实际的低速轴起始位移值，从而得到低速轴的理论和实际相对位移值；

步骤S27：求取步骤S26确定的理论和实际相对位移值差值，并取绝对值后与预先设定的阈值进行比较，若大于阈值则说明系统传动比检测发现异常，进入步骤S28，否则说明系统传动比检测结果正常，重新回到步骤S21进入下一轮检测；

为了防止正常情况下误触发，同时保证保护效果有较好的实时性和精度，须设置合适的保护阈值；由于起升机构负载重量的影响，起升机构传动链上正常情况并不存在机械间隙，此时理论和实际相对位移差值的大小主要由传动链上钢丝绳的变形导致的；装卸料机起升机构钢丝绳和负载的结构，实际上组成了竖直方向上“弹簧——重物”的振动模型；电机运行时，低速轴的理论和实际相对位移差值会以其共振频率上下波动，波动的幅度与运行速度及负载的强度有关；以此原理为指导，通过试验反复测量最高速度和最高负载下波动幅值的大小，取一个比试验的最大值略大的数作为保护阈值，可以达到较好的保护效果，同时不易发生误触发；

步骤S28：系统检测到起升机构高低速轴传动比出现异常，由PLC11控制电机立即停止运行，制动器抱闸，工业平板电脑12的触摸屏上显示相应的错误信息。操作员应在排除所有故障后，点击触摸屏上的清除错误按键，复位错误信息，重新开始检测。

图3示出了基于图1保护装置的一种应用于装卸料机起升机构高低速轴传动比保护方法的电机驱动器程序流程图。电机驱动器13控制程序流程除了原有的程序段以外，还应包括如下步骤：

步骤S31：向总线输出电机14当前的位移值。电机的反馈设备可为相对值编码器和霍尔传感器，电机位移值为将其编码器14输出的脉冲数进行累计，伺服驱动器初上电时为0，运行一段时间后则为电机向某方向转过的脉冲数；若起升行程过长，则电机累计位移值可能会溢出，此时需要根据溢出的方向的次数，计算其实际的位移值；

步骤S32：向总线输出电机当前的使能状态。

综上所述，本实用新型所述的起升机构传动比保护装置，可利用核电站装卸料机通常拥有的自身硬件条件，实现高低速轴传动比保护。本实用新型不需要额外增加硬件设施，且保护的实时性和精度较好。与此同时，当带载的起升机构向下运行至燃料组件就位，系统发生松缆时，若称重系统出现故障，起升电机控制其继续向下运行时，由于低速轴的编码器值不再变化，系统将检测到传动比与实际不一致，从而触发传动比联锁保护。故系统实际上额外增加了一重下限位保护。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本实用新型的范围。

显然，本领域的技术人员可以对实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.一种装卸料机起升机构高低速轴传动比保护装置，其特征在于，包括：

带总线接口和以太网接口的PLC，用于通过以太网与工业平板电脑进行通讯，同时通过工业控制总线与带总线接口的拉线式绝对值编码器、带总线控制功能的电机驱动器进行通讯，PLC通过工业控制总线读取带反馈编码器的起升电机和带总线接口的拉线式绝对值编码器的脉冲数值，并通过程序中预先设定的公式转化为当前理论和实际的低速轴位移值，若此时起升电机刚开始使能，或者接受到清除错误命令，则以当前的理论和实际低速轴位移值分别作为初始化时初始的理论和实际低速轴位移值，用初始化后的当前的理论和实际低速轴位移值分别减去初始的理论和实际低速轴位移值，得到理论和实际的低速轴相对位移值，通过比较理论和实际的低速轴相对位移值，确定当前传动比是否正常，其中，理论低速轴位移值为起升电机转动圈数除以高低速轴传动比，实际低速轴位移值为带总线接口的拉线式绝对值编码器的输出值乘以预先设定的系数；

带触摸屏功能的工业平板电脑，用于收用户的输入和显示相应的提示和警告信息；

带反馈编码器的起升电机，所述反馈编码器，用于实时反馈起升电机转过的脉冲数；

带总线控制功能的电机驱动器，用于向工业控制输出所述反馈编码器的当前位移值，以及所述起升电机当前的使能状态；

带总线接口的拉线式绝对值编码器，用于测量起升机构的低速轴位移值。