核電廠環(huán)形吊車動(dòng)態(tài)監(jiān)控和保護(hù)裝置的研制

孫 煒，余銀輝

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518120)

0 引言

環(huán)形吊車(以下簡稱“環(huán)吊”)位于核反應(yīng)堆廠房內(nèi)頂部，在核電站建設(shè)階段用于吊裝重型設(shè)備，如蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆壓力容器、穩(wěn)壓器等；在運(yùn)行階段用于反應(yīng)堆換料和設(shè)備維修工作。某核電站環(huán)吊為全套法國進(jìn)口設(shè)備，在2005年的控制系統(tǒng)改造中新增了原廠家研制的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和保護(hù)裝置，為環(huán)吊提供了獨(dú)立的后備保護(hù)。保護(hù)裝置安裝調(diào)試后一直存在誤報(bào)警和誤跳閘現(xiàn)象，影響環(huán)吊的正常使用及大修工作。為此，該核電站聯(lián)合國內(nèi)環(huán)吊廠家，開展了環(huán)吊動(dòng)態(tài)監(jiān)控和保護(hù)裝置的研制工作。

1 環(huán)吊動(dòng)態(tài)監(jiān)控和保護(hù)裝置介紹

環(huán)吊原配置過載保護(hù)、超速保護(hù)、溜鉤保護(hù)和限位保護(hù)，每個(gè)提升機(jī)構(gòu)均配有工作制動(dòng)器、應(yīng)急制動(dòng)器和安全制動(dòng)器。上述設(shè)備可基本滿足吊車的安全運(yùn)行，但也存在安全隱患。某核電廠曾發(fā)生環(huán)吊PLC控制系統(tǒng)死機(jī)導(dǎo)致環(huán)吊溜鉤現(xiàn)象，若事故擴(kuò)大，將導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

新研制的國產(chǎn)化環(huán)吊動(dòng)態(tài)監(jiān)控和保護(hù)裝置通過直接采集主吊車卷筒側(cè)和電機(jī)側(cè)的速度以及吊車司機(jī)的控制指令，監(jiān)測主吊車運(yùn)行狀態(tài)；再經(jīng)過PLC控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和邏輯判斷，集成多種保護(hù)判斷邏輯，實(shí)時(shí)判斷吊車是否處于安全運(yùn)行狀態(tài)，并輸出相應(yīng)的報(bào)警或跳閘信號(hào)(見圖1)。裝置具有如下幾個(gè)特點(diǎn)。

(1) 采用PLC控制系統(tǒng)綜合吊車的各類操作指令和運(yùn)行信息，對吊車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能及時(shí)有效地判斷吊車是否處于安全運(yùn)行狀態(tài)，并輸出報(bào)警或動(dòng)作信號(hào)。

圖1 吊車動(dòng)態(tài)監(jiān)控和保護(hù)裝置系統(tǒng)

(2) 設(shè)置了動(dòng)態(tài)反轉(zhuǎn)、靜態(tài)反轉(zhuǎn)、傳動(dòng)鏈破損、系統(tǒng)故障等故障監(jiān)測功能。

(3) 與吊車控制系統(tǒng)的保護(hù)實(shí)現(xiàn)了物理隔離，同時(shí)提供多樣化、冗余的后備電氣保護(hù)，提高了可靠性。

(4) 可實(shí)現(xiàn)吊車運(yùn)行速度曲線、指令信息的存儲(chǔ)和調(diào)閱，并提供相應(yīng)的時(shí)間序列，可為吊車運(yùn)行監(jiān)控以及故障后的事故分析提供大量的有效數(shù)據(jù)。

2 動(dòng)態(tài)監(jiān)控和保護(hù)裝置設(shè)計(jì)特點(diǎn)

裝置內(nèi)置高性能PLC控制系統(tǒng)，包括CPU、電源模塊、通信模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸出模塊、斷路器等電氣設(shè)備，用于接收環(huán)吊控制系統(tǒng)發(fā)送過來的指令信號(hào)、外圍檢測裝置反饋信號(hào)，輸出環(huán)吊起升系統(tǒng)安全控制信號(hào)，確保系統(tǒng)安全。此外，還采用以下特殊設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)可靠性。

(1) 編碼器信號(hào)傳輸抗干擾設(shè)計(jì)。在小車盤上設(shè)置子站用來采集數(shù)據(jù)，并將編碼器信號(hào)傳輸距離控制在最短，利用新型PROFIBUS母線進(jìn)行信號(hào)傳輸，同時(shí)設(shè)計(jì)脈沖分頻、反相差分以及軟件濾波算法濾除干擾信號(hào)。

(2) 吊車動(dòng)態(tài)保護(hù)功能、邏輯及定值優(yōu)化設(shè)計(jì)。環(huán)吊位于反應(yīng)堆堆芯正上方，若保護(hù)不全面或失效將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。裝置在集成了吊車現(xiàn)有的超速、欠速等重要保護(hù)功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)反轉(zhuǎn)、靜態(tài)反轉(zhuǎn)保護(hù)等多種保護(hù)功能，同時(shí)對保護(hù)功能邏輯進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，防止保護(hù)的誤報(bào)和漏報(bào)。

(3) 與吊車控制系統(tǒng)的保護(hù)實(shí)現(xiàn)了全物理隔離，提高了保護(hù)的可靠性。裝置只需采集司機(jī)的操作指令、吊車的運(yùn)行速度信息，就能對環(huán)吊的運(yùn)行狀態(tài)是否異常作出獨(dú)立的判斷。其速度信息的采集獨(dú)立于控制系統(tǒng)的速度采集系統(tǒng)。

(4) 提供優(yōu)異的人機(jī)交互操作。可實(shí)現(xiàn)吊車運(yùn)行速度曲線、指令信息的存儲(chǔ)和調(diào)閱，為運(yùn)行維修人員提供優(yōu)異的人機(jī)交互界面，同時(shí)為吊車發(fā)生運(yùn)行故障后的事故分析提供了海量的數(shù)據(jù)支持。

PLC控制系統(tǒng)同時(shí)具有本質(zhì)安全性能，當(dāng)發(fā)生致命錯(cuò)誤時(shí)，CPU立即進(jìn)入一個(gè)安全狀態(tài)或保持為安全模式，確保人身、設(shè)備、環(huán)境、過程的高度安全。

3 動(dòng)態(tài)監(jiān)控和保護(hù)裝置保護(hù)功能設(shè)計(jì)

裝置設(shè)計(jì)了多種保護(hù)功能，包括電機(jī)超速保護(hù)（涵蓋空載運(yùn)行、帶載運(yùn)行2種工況）、卷筒超速保護(hù)(涵蓋空載運(yùn)行、帶載運(yùn)行2種工況)、欠速保護(hù)(涵蓋空載運(yùn)行、帶載運(yùn)行2種工況)、傳動(dòng)鏈破損保護(hù)、靜態(tài)反轉(zhuǎn)/動(dòng)態(tài)反轉(zhuǎn)保護(hù)、可編程故障報(bào)警、操作權(quán)限動(dòng)態(tài)口令保護(hù)、軟極限控制功能、故障報(bào)警歷史查看及歸檔功能。以下選擇其中3種保護(hù)功能作介紹。

3.1 傳動(dòng)鏈破損保護(hù)功能

通過實(shí)時(shí)檢測主吊車主起升機(jī)構(gòu)高速軸和低速軸的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過PLC控制系統(tǒng)的處理，如果電機(jī)軸、聯(lián)軸器、減速機(jī)、開式齒輪、卷筒軸等部位出現(xiàn)斷裂破碎等故障，該裝置會(huì)立即輸出信號(hào)，控制制動(dòng)器安全動(dòng)作，確保載荷安全。傳動(dòng)鏈損壞故障保護(hù)邏輯如圖2所示。

3.2 靜態(tài)反轉(zhuǎn)保護(hù)功能

起升機(jī)構(gòu)在停機(jī)狀態(tài)下，如果出現(xiàn)制動(dòng)器抱閘故障或低速軸斷軸故障等情況，鉤頭將向下產(chǎn)生位移；而且在帶載情況下出現(xiàn)靜態(tài)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象時(shí)，若不及時(shí)采取措施，后果將非常嚴(yán)重。本系統(tǒng)能夠有效檢測靜態(tài)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，通過控制安全制動(dòng)器的動(dòng)作及時(shí)保持住載荷，確保載荷吊裝安全。靜態(tài)旋轉(zhuǎn)角度可通過觸摸屏設(shè)定。

3.3 動(dòng)態(tài)反轉(zhuǎn)保護(hù)功能

圖2 傳動(dòng)鏈損壞故障保護(hù)邏輯

起升機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中，如果電機(jī)出現(xiàn)故障，力矩不足以克服載荷重量，那么鉤頭將迅速下降；如果因?yàn)榭刂菩盘?hào)或電路出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致吊車實(shí)際運(yùn)行方向同操作方向不一致的現(xiàn)象。本系統(tǒng)能夠有效檢測動(dòng)態(tài)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，通過控制安全制動(dòng)器的動(dòng)作及時(shí)保持住載荷，確保載荷吊裝安全。

4 裝置工程應(yīng)用

該裝置已應(yīng)用于大亞灣核電基地等多個(gè)核電站，應(yīng)用情況良好。通過簡單有效的監(jiān)控和保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)了環(huán)吊重要故障的多重保護(hù)，避免了環(huán)吊重大事故的發(fā)生，有效提高了環(huán)吊運(yùn)行可靠性。

觸摸屏智能顯示終端能夠?qū)崿F(xiàn)吊車起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程數(shù)據(jù)顯示、故障檢測、報(bào)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)歸檔等功能。

5 結(jié)論

通過動(dòng)態(tài)監(jiān)控和保護(hù)裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)吊的運(yùn)行狀態(tài)，能及時(shí)準(zhǔn)確地判斷吊車是否處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，并在運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)輸出報(bào)警或相應(yīng)動(dòng)作信號(hào)。裝置在集成了環(huán)吊現(xiàn)有的超速、欠速等重要保護(hù)功能的基礎(chǔ)上，還設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)反轉(zhuǎn)、靜態(tài)反轉(zhuǎn)、傳動(dòng)鏈破損等多種保護(hù)邏輯功能，并與吊車原控制系統(tǒng)的保護(hù)實(shí)現(xiàn)了物理隔離，同時(shí)提供多樣化、冗余的電氣保護(hù)，提高了可靠性，現(xiàn)場運(yùn)行情況良好。該動(dòng)態(tài)監(jiān)控和保護(hù)裝置已應(yīng)用于多個(gè)核電基地的機(jī)組，還可在其他工程領(lǐng)域的起重設(shè)備進(jìn)行推廣。