装卸料机编码器交叉比较分析 本文关键词：编码器，装卸，交叉，分析，料机
装卸料机编码器交叉比较分析 本文简介：摘要：为提高福清核电１、２、３、４号机组核燃料操作与贮存系统绝对值编码器设备单体运行的可靠性，降低设备运行故障率，需要设计一种编码器调试专用工具，用于现场编码器的测试与比较，提前识别缺陷设备以便于及时进行干预。根据核电厂装卸料系统绝对值编码器工作原理和调试维护的经验，提出装卸料机编码器交叉比较调试专
装卸料机编码器交叉比较分析 本文内容：
摘要：为提高福清核电１、２、３、４号机组核燃料操作与贮存系统绝对值编码器设备单体运行的可靠性，降低设备运行故障率，需要设计一种编码器调试专用工具，用于现场编码器的测试与比较，提前识别缺陷设备以便于及时进行干预。根据核电厂装卸料系统绝对值编码器工作原理和调试维护的经验，提出装卸料机编码器交叉比较调试专用工具（简称调试工具）的研发。文章主要介绍调试工具信号采集、数据处理、信息显示三个部分的设计思路与实现方式。实际调试与应用证明了该调试工具的有效性、可用性。
关键词：编码器；交叉比较；ＰＬＣ；装卸料机；调试专用工具；核电厂
装卸料机是Ｍ３１０核电机组在换料（核燃料组件）大修中的关键设备。装卸料机编码器是将装卸料机各执行机构的直线位移量通过齿轮及齿条先转换为角位移量，再经过编码器内部光码盘转化成电信号的位移传感器。编码器的光栅是否完好、通信是否正常，直接影响着装卸料机堆芯定位功能。核燃料能否准确安全地插入反应堆压力容器取决于编码器的设备可靠性。福清核电１０２大修前，换料大修过程中出现的装卸料机大车、小车编码器比较值故障时，装卸料机维修团队对编码器进行维护的手段仍局限于对编码器的简单更换，无法准确判断故障编码器，现场无有效手段评估编码器功能是否正常。现场更换下的编码器的可用性无法得到有效评估，若盲目报废编码器则可能造成大量浪费。１０２大修后，总结装卸料机编码器在安装、调试、大修维修经验的基础上，根据当时公司对提高装卸料机可靠性的要求，完成了编码器交叉比较装置的设计与实现，通过外部专家的评审，以及经过２０２、３０１、１０３大修的实践检验，得到业内同行的广泛认可。
１设计原理
对编码器校验的传统方法是进行编码器解体，对编码器的光栅或者光码盘进行精度校验，主要采用由多面体和自准直仪组成的检测系统［１］，对编码器旋转轴与安装回转轴同轴要求较高，设备复杂。高精度编码器解体要求在无尘车间中进行，外部粉尘附着在光码盘或光电头上将影响测量结果。在无尘车间解体编码器并对其进行校验的成本较高，现场难以实现。立足于现有厂内资源，在实现编码器功能性评估的同时兼顾研发成本的经济性，选用交叉比较的方式对编码器的功能进行评估，无需对编码器的光码盘进行解体。装卸料机编码器交叉比较装置要求在相同转动角度下，使用两个功能正常、型号相同的编码器的实时读数作为参照数据，与另一个相同型号的被测编码器实时读数进行两两比较，连续读取１０圈数据。根据被测编码器与标准编码器的读数偏差大小，评估被测编码器的可用性。卸料机交叉比较装置由信号采集、数据处理、信息显示三个部分构成，如图１所示。信号采集部分包括三块同轴编码器及其从站ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ通信模块、ＰＬＣ主站Ｄｅｖｉ－ｃｅＮｅｔ通信模块。数据处理由ＰＬＣＣＰＵ模块及其内部的ＰＬＣ程序完成。使用安装ｉｎｔｏｕｃｈ软件的ｘ８６台式机作为信息显示部分。三个部分共同配合实现编码器功能评估。
１．１信号采集
１．１．１编码器工作原理编码器的型号为ＧＥＭＭＨＲ２０８Ｐ２３，是西屋公司向堡盟为装卸料机系统专门定制的基于ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ通信协议的绝对值编码器。编码器的光码盘由高精度的光栅构成，光码盘上的光栅是以多位格雷码或二进制码进行排列，任意一个机械位置是唯一的。增量式编码器（左）和绝对值编码器（右）光码盘对比如图２所示。ＧＥＭＭＨＲ２０８Ｐ２３的光码盘由１３位二进制码排列组成，单圈分辨率为８１９２线每周。当绝对值编码器旋转到某一角度时，光电头读取该时刻的光码，经过换算后得到该时刻的机械位置。绝对值编码器内置电池用于记录编码器的设置参数、旋转圈数，当外部电源丢失时，仍能保持绝对值编码器的数据。绝对值编码器的误差不会随着转动圈数的增加而逐渐扩大，而是随转动呈周期性波动。１．１．２编码器同轴设计装卸料机大小车以及主提升机构编码器的通孔直径为１４ｍｍ。编码器交叉比较装置将三块编码器用一个长轴串接。轴的可选材料有橡胶和不锈钢两种。工业生产中常用橡胶作为联轴器的材料，橡胶材料的弹性高，对橡胶轴直径加工时可以适当降低精度要求。橡胶为非刚性材料，橡胶轴在角度传递时具有一定的滞后和轴系晃动［２］。不锈钢力学性能好，具有较高的强度、硬度，常作为电机、风机、泵等设备轴材料，能较好地传递动能。１．１．３编码器信号传输原理ＧＥＭＭＨＲ２０８Ｐ２３编码器的光电头读取到光码盘上的１３位二进制码，经过内部德州仪器的Ｍ４３０Ｆ１２３芯片（数字型号处理器）处理后以ＲＳ－２３２串口通信的方式，发往编码器自带的ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ通信模块。ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ网络内的设备有主从站之分，３个编码器的ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ通信模块为从站，与之对应的ＩＣ６９３ＤＮＭ２００ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ通信卡件为主站。常用的ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ通信网络有星形网和环网两种形式。环网的冗余度较高，但是结构复杂，链路上的数据负荷大。星型网的结构简单传输数据量小，适用于安全要求低的网络。装卸料机编码器交叉比较装置属于离线专用工具，不直接参与现场装料工作，对装置的安全等级没有要求，所以选用相对简单可靠的星型网络的ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ作为编码器与ＰＬＣ之间的通信协议。
１．２数据处理
１．２．１软件设计装卸料机编码器交叉比较装置的程序框图如图３所示。绝对值编码器上电后会读取当前位置，各编码器的读数均不一致。程序开始后需操作人员在上位机界面点击“清零”按钮。待编码器的数值被置零后，操作人员点击“复位报警”按钮复位偏差报警，开始手动顺时针旋转编码器的连接轴，装置读取各编码器实时数据。装置循环扫描编码器读数并进行两两比较，若任一偏差大于阈值，则触发编码器偏差报警，需执行“清零”、“复位报警”，可重新进行编码器交叉比较工作。若所有偏差均小于阈值，则继续进行编码器读数判断。若编码器的累积读数小于１０周（每周２１３＝８１９２线），即８１９２０线，则操作人继续进行交叉比较；若编码器的累积读数达到８１９２线，则试验结果合格。１．２．２偏差阈值的确定以装卸料机大车为例，其有一个主编码器，一个冗余编码器。装卸料机要求堆芯坐标的误差小于３ｍｍ，大车编码器轴向连接有一个周长为３１４ｍｍ的齿轮。假设主编码器与冗余编码器同时超差，一个编码器正偏差１．５ｍｍ，一个编码器负偏差１．５ｍｍ，换算为编码器的分辨率为１．５ｍｍ／３１４ｍｍ×８１９２＝３９．１３，即只允许编码器光栅上每周的连续坏道不超过３９线。按仪表校验的要求，标准仪表的精度必须高于被校仪表精度的三倍，因此要求标准编码器之间的差值小于１３线。
１．３信息显示
装卸料机编码器比较装置选用ｉｎｔｏｕｃｈ作为编码器实时读数的上位机画面，包括三块编码器的实时读数、三块编码器两两比较后的偏差显示，以及编码器读数清零按钮、比较偏差报警指示及报警复位按钮。
２实现过程
２．１信号采集
２．１．１编码器同轴布置将三块编码器用一个长为２００ｍｍ、直径为１４±０．０２ｍｍ的轴进行串接，如图４所示。为了实现所有参与交叉比较的编码器处于同一转速、转角，轴的材料必须具备一定的刚性，避免在轴转动起步或停止的瞬间，三个编码器之间产生差速，影响测量结果，为此，选用了３０４不锈钢棒材。２．１．２编码器信号传输实现主站的默认地址为１。三个编码器从站的地址为８、９、１０，ＰＬＣＤｅｖｉｃｅＮｅｔ通信卡件在理论上可以挂载６４个从站。在编码器本体的ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ模块背板两个旋钮拨码开关上和ＰＬＣ程序里的硬件组态定义中均要对编码器进行通信地址设定。编码器从站ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ通信模块共８个接口，一对直流２４Ｖ供电接口、两对冗余的ＣＡＮ＿Ｈ／ＣＡＮ＿Ｌ信号接口、两个屏蔽线接口。ＣＡＮ＿Ｈ、ＣＡＮ＿Ｌ为ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ的信号口，所传输的实时数据相同，两路信号的相位一致，电平相反。装卸料机编码器交叉比较装置的通信方式及参数参照装卸料机现场设备进行设定，采用Ｐｏｌｌ询问的方式进行通信，除清零操作外不涉及编码器的其他控制，ＰＬＣ只从编码器读取实时数据。编码器交叉比较装置ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ网络的波特率与ＰＭＣ系统的ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ网络的波特率一致，均为２５０Ｋ，需要在编码器本体及ＰＬＣ程序里的硬件组态定义中进行设定。ＧＥＭＭＨＲ２０８Ｐ２３编码器可以在其自带的ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ模块背板的拨码开关进行设定。ＰＬＣ中，在ＰｒｏｆｉｃｙＭａｃｈｉｎｅＥｄｉｔｉｏｎ软件的Ｎａｖｉｇａｔｏｒ框的ＨａｒｄｗａｒｅＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ页面下，找到对应的编码器进行网络设置，如图５所示。
２．２数据处理
２．２．１ＣＰＵ设置按照上述程序框图对ＣＰＵ进行编程。在编程前需要进行ＣＰＵ的初始化及ＰＬＣ其他硬件的组态。ＣＰＵ模块采用ＧＥ－９０３０系列，型号为ＩＣ６９３ＣＰＵ３７４－ＧＵ，内存容量２４０ｋＢ，搭载１３３ＭＨｚ、多通道的高速处理器，支持布尔型和整形型、浮点型等逻辑运算，满足编码器交叉比较装置数据处理的需求。ＰＬＣ电源模块、ＩＣ６９３ＤＮＭ２００Ｄｅｖｉ－ｃｅＮｅｔ通信模块、三个参与交叉比较的编码器以及ＣＰＵ模块都需要在ＰｒｏｆｉｃｙＭａｃｈｉｎｅＥｄｉｔｉｏｎ软件中预先进行硬件组态及设置。２．２．２交叉比较程序实现信号处理直接影响着编码器比较结果，信号处理过程中必须确保数据不发生丢失或者溢出，必须合理分配寄存器空间。三块编码器的实时读数传输到ＰＬＣ后以ＤＩＮＴ（双整形）格式储存在预先分配好的％ＡＩ寄存器内。交叉比较的ＰＬＣ软件有ＥＮＣ＿ＳＥＴ、ＥＮＣ＿ＣＰ两个程序块。在ＥＮＣ＿ＳＥＴ程序段内预先进行编码器每周线数ＥＮ＿ＣＰＲ、量程ＥＮ＿ＭＸ、转动方向ＥＮ＿ＤＩＲ参数的设定。为确保装置比较结果能够覆盖光码盘上的每一条光栅，三块编码器的每周线数ＥＮ１＿ＣＰＲ、ＥＮ２＿ＣＰＲ、ＥＮ３＿ＣＰＲ均参照ＧＥＭＭＨＲ２０８Ｐ２３编码器的最高单圈线数进行设置，即８１９２。为尽量避免随机误差，对编码器连续测量十组数据，设编码器量程ＥＮ１＿ＭＸ、ＥＮ２＿ＭＸ、ＥＮ３＿ＭＸ为８１９２０。绝对值编码器可以识别运动方向，编码器的运动方向ＥＮ＿ＤＩＲ为布尔量，设置为１时，编码器顺时针旋转计数增加；设置为０时，计数减少。三个编码器的运动方向一致，ＥＮ１＿ＤＩＲ、ＥＮ２＿ＤＩＲ、ＥＮ３＿ＤＩＲ均设置为１。编码器１的参数设定如图６所示。在ＥＮＣ＿ＣＰ的程序段内使用减法块（ＳＵＢ块）对编码器的读数进行两两相减，得出编码器偏差。设参照编码器１和参照编码器２的实时读数为ＥＮ＿１、ＥＮ＿２，设被测编码器的实时读数为ＥＮ＿３，设ＤＩＦ１２、ＤＩＦ２３、ＤＩＦ３１为三个编码器两两相减后的差值，即ＤＩＦ１２＝ＥＮ＿１－ＥＮ＿２，ＤＩＦ２３＝ＥＮ＿２－ＥＮ＿３，ＤＩＦ３１＝ＥＮ＿３－ＥＮ＿１。编码器１和编码器２的比较程序如图７所示。编码器偏差送往范围限制块（ＲＡＮＧＥ块）进行判断，当编码器偏差结果大于范围限制块的上下限制时，范围限制块输出一个信号将编码器偏差故障（ＤＩＦ＿ＣＥ）置１。若两个参考编码器之间的读数差值ＤＩＦ１２的绝对值大于３９，则参考编码器不可信，操作人员需更换参考编码器。若参考编码器与被测编码器之间的读数差值ＤＩＦ２３、ＤＩＦ３１任意一个读数的绝对值大于１３，则被测编码器不可信。
２．３信息显示
２．３．１上位机画面实现上位机画面如图８所示，使用人员可以直观地监视编码器的实时动态。当交叉比较工作开始时，需在上位机屏幕上点击“清零”按钮，此时ＥＮＣ＿ＣＬＲ程序段内执行读数清零程序。清零后，操作者手动转动编码器的连接轴，带动编码器转动，从上位机画面中读取并记录编码器量程范围内均匀分布的１０个点的读数。若无超差报警产生则证明被测编码器合格；若在校验过程中出现超差报警，则被测编码器不合格，可能存在光码盘坏道现象，被测编码器不允许安装到现场。２．３．２上位机与ＰＬＣ的连接实现在上位机上安装ＰＬＣ自带的与第三方软件通信的ＧＥ－ＨＣＳ软件，如图９所示，该软件可实现ＧＥ９０３０系列ＰＬＣ与ｉｎｔｏｕｃｈ之间的ＴＣＰ／ＩＰ通信。使用交换机连接ＰＬＣ的ＣＰＵ模块及上位机的网口，并将ＣＰＵ和工控机的ＩＰ地址设在同一网段内。在该软件上预先设置好目标ＩＰ地址、通信速率等参数，并与ｉｎｔｏｕｃｈ都设置为开机自动启动。当ＰＬＣ、上位机上电时，便可正常使用装卸料机编码器交叉比较装置。
３实践应用
平台建成后，一系列的应用证明其性能良好、可靠。福清核电２０２、３０１、１０３大修前利用该平台对１、２、３号机组ＰＭＣ系统共计１８块编码器进行测试后应用到现场，在使用过程中表现良好，历次大修期间均未发生装卸料机编码器故障。２０２大修期间大车两块编码器读数发生波动，现场未使用更换编码器的方式进行故障排查，现场维修人员快速定位问题根本原因为大车导向轮间隙不当，证明装卸料机交叉比较装置可以帮助现场维修人员提高检修效率。
４结语
装卸料机编码器交叉比较装置作为福清核电完全自主知识产权的维修工具平台，满足所有ＰＡＲ公司装卸料机编码器用户的要求［３］。该装置创新地采用了交叉比较的方式评估编码器的可用性。大量的实践应用证明，该装置性能优异，大幅提升了核电大修装卸料工作效率。
参考文献
［１］佘琳．两步法测量编码器测角误差［Ｊ］．光学精密工程，２００４，２（１）：６６－７０．
［２］于海．小型绝对式光电轴角编码器动态误差分析［Ｊ］．中国激光，２０１３，４０（８）：１－８．
［３］王君．大亚湾核电站反应堆堆芯定位系统改进研究［Ｊ］．电力设备，２００８，９（１２）：６０－６２．
作者：黄鸿 黄宇航 刘政 单位：福建福清核电有限公司
装卸料机编码器交叉比较分析 来源：网络整理
免责声明：本文仅限学习分享，如产生版权问题，请联系我们及时删除。
