環吊控制系統故障安全及冗余功能研究

馬文 胡亞東

（1 廈門大學電子科學與技術學院，福建 廈門，361000；2 大連華銳重工集團股份有限公司，遼寧 大連，116013）

1 概述

核電站環行起重機（簡稱環吊）作為核電站反應堆廠房內唯一的大型吊裝設備，工程建設期間一回路主設備的安裝以及廠房內其它所有設備的安裝作業、核電站投運后大修換料期間核反應堆壓力容器開蓋、堆內部件吊裝、檢修、各種工機具的吊運等均依靠環吊來完成。由于其獨特的位置和功能要求，尤其是涉及核反應堆堆芯吊裝作業任務，都對環吊的穩定性能、安全性能、定位精度等方面都有極高的要求。

2 環吊運行要求

環吊設置主起升機構、副起升機構、大車旋轉機構、小車運行機構、輔助小車起升機構、輔助小車運行機構等。

安全性能要求：環吊下方就是核反應堆以及其它一回路重要設備，任何載荷的跌落有可能導致嚴重損失甚至引起核泄漏，因此，環吊從結構設計、機構配置等方面均有效提高了設計安全系數，控制系統更是按照采用單一故障保護原則進行設計，對各種運行故障發生原因以及將會引起的后果進行系統的分析、歸類，從而制定相應的檢測手段和一系列的保護措施，即使在最為不利的工況下也能夠有效的保持載荷，避免產生進一步的危害。

圖1 環吊總體構成圖

穩定性能要求：在反應堆大修換料期間，核島反應堆廠房的獨特條件以及運行要求對核環吊的性能提出了苛刻的要求：在核電站正常發電運行期間（12～18個月），反應堆廠房處于完全封閉狀態，核環吊處于整機斷電隔離狀態，核環吊無法得到必要的性能檢測、維護保養；同時反應堆廠房內的高溫輻射環境對電氣儀控設備的性能和壽命影響顯著； 核電站進行停堆換料時，要求核環吊立即進入運行狀態（幾乎無保養維修時間），如果環吊因故障不能按時投入運行，將導致整個大修換料工作無法進行， 直接影響關鍵路徑和換料大修周期。因此，環吊的穩定性能直接關系到核電站運行的經濟效益。環吊運行的主要參數見表1。

表1 環吊運行主要參數

3 控制系統構成

鑒于環吊運行的安全性能以及穩定性能要求， 環吊控制系統按照單一故障保護原則、冗余原則、多樣性原則進行了系統設計，采用先進成熟的控制技術和調速技術，提供先進的故障診斷系統和友好的人機界面，確保環吊運行安全、穩定、操作舒適、維護便捷，環吊整機控制系統網絡拓撲圖見圖2。

環吊采用 IGBT 多傳動交流變頻調速驅動系統，能量回饋模式，能夠將機構在回饋制動狀態下產生的能量回饋給電網，有效降低發熱，能源利用率得到有效提高。各機構采用 DTC 控制模式，能夠對電機實現精確的速度和轉矩控制， 靜態速度控制精度能夠達到 0.01% ， 動態速度控制精度能夠達到0.1%sec，轉矩響應時間小于 5ms。

除了PLC邏輯聯鎖以及數據計算處理提供的“軟保護”系統外，系統還設置了安全急停控制回路、過運行限位、超載檢測、手動釋放檢測限位、門開關等作為環吊的硬線保護回路，參與保護及聯鎖，確保環吊運行安全。

同時系統還對對主要電氣產品的電氣壽命進行科學的統計和歸檔，為環吊的運行和維護提供十分有效的數據參考。

4 冗余切換功能

PLC 作為環吊控制系統的核心，除了常規的信號采集、邏輯控制、數據運算以及處理、實現對配電系統的啟動/停止控制、整車聯鎖控制、各機構運 行的啟動/速度給定/停止等指令控制、HMI 系統數據傳送等一系列功能外，其冗余容錯及故障切換功能是保障環吊安全性能和穩定性能的一項顯著設計方案體現。

環吊設置了冗余的 PLC 系統，系統結構圖詳見圖3。

CPU 冗余：雙 CPU 均處于工作模式，主機和從機角色隨機分配，通過 RCU 專用連接電纜實現數據的實時傳送映射；

圖2 環吊控制系統網絡拓撲圖

通訊模塊冗余：主站和各從站之間采用PROFIBUS- DP 進行通訊。主機架上設置冗余的CI854A 通訊處理單元；

接口模塊冗余：司機室、電氣室、MCC 機柜、小車盤遠程控制站等均設置了冗余的 CI840A 通訊接口模塊；

電源冗余：CPU 主機架、各遠程控制站等均設置了冗余的 DC24V 電源模塊，防止因為電源模塊突然損壞或外部電路發生短路或接地故障能夠迅速切換；

圖3 PLC 系統冗余結構圖

通訊介質冗余：工業以太網鏈路、現場總線網路均設置用了冗余回路。并且電氣室和小車盤之間采用冗余的光纖鏈路作為通訊傳送介質，最大限度避免干擾。

當上述任一硬件或回路發生錯誤或故障時，PLC系統能夠立即進行無擾動自動切換，切換時間小于10ms，切換過程無任何數據丟失，從而保障環吊即使在故障狀態下也可以實現不停機運行，保障運行安全。

同時，當系統發生故障或錯誤切換時，系統能夠第一時間將錯誤或故障信息發送到環吊 HMI 系統，提示維護人員及時進行故障排除，將系統修復到完整的冗余狀態，保障環吊運行的安全裕量。

5 安全控制功能

5.1 安全繼電器

為了保障環吊運行期間設備及人身安全，在環吊關鍵部位和路徑上設置了多個急停開關，急停回路采用冗余電路和電子電路，控制邏輯詳見圖4，通過專用鑰匙開關進行復位，確保操作安全。安全繼電器安全等級為 Catlog 4。

5.2 故障安全型 PLC系統

環吊 PLC 系統帶本質安全功能，確保對驅動裝置以及制動器進行安全有效的控制，最大限度的避免安全事故的發生。安全特性如下：

2）編程時根據故障危害程度可以對 I/O模塊的狀態進行預定義，當發生故障時能夠立即切換到安全模式；

3）可對故障點位或模塊進行電氣隔離，不影響其它點位或模塊的運行；

4）模塊底座帶硬件鎖件；

5）所有模塊可以帶電插拔；

6）在線調整系統配置而不用停機。

當系統發生致命錯誤或檢測到預制定義故障時，PLC 系統將立即進入一個安全狀態或保持為安全模式，確保人身、機器、環境、過程的高度安全。

5.3 安全制動系統

環吊起升機構設置了 3 套獨立的制動器，分別為工作制動器、緊急制動器、安全制動器。環吊控制系統設立了一套 PTMS 系統以實現對各級制動器的有序安全控制。

PTMS 系統為一個獨立的 task，執行完全獨立的掃描周期，程序掃描周期為 10ms。其結構圖見圖5。PTMS系統的主要功能為：

可就在這時候，李倩倩喊媽了，她喊肚子餓了，媽應了一聲，說：“誒，我的小祖宗誒，來了！”媽偷偷帶李倩倩去熟人的私立醫院做了B超，她懷的是個“帶把的”，把媽高興死了，李倩倩的一切召喚，她都當是長孫孫的召喚，易家的血脈、易家未來的接班人啊，所以媽一口一個“小祖宗”的叫著，把易非惡心死了。

1）安全有效控制制動器動作，采用零速制動功能，減少磨損和沖擊；

圖4 安全繼電器邏輯控制圖

2）高速軸、低速軸各種工況下的超速/欠速監測（空載弱磁、帶載狀態）；

3）傳動鏈完整性檢測；

4）電機響應失效檢測及保護；

5）靜態反轉監測及保護；

6）動態反轉監測及保護；

7）運行行程檢測及安全保護；

8）機構響應故障監測；

9）系統故障檢測。

當系統檢測到上述故障時，能夠實現及時安全停機，同時通過控制卷筒側的安全制動器動作，最終實現對載荷的安全控制。

5.4 安全校驗功能

系統對設備各機構運行位置坐標、當前載荷量、操作給定速度、響應速度及方向、機構運行條件等進行充分的校驗和聯鎖，確保操作和運行安全。

工控機、HMI 操作界面分別按照不同的操作級別進行授權，各級操作者只有經過合格培訓并取得相應授權，通過不同用戶名以及相應密碼登陸后方可進行操作；采用工業安全級無線遙控裝置，自動頻率管理技術（AFM），同頻不干擾。全雙工通訊，帶 LED顯示屏，用于故障、狀態信息顯示，每條指令含 16 位地址碼校驗碼，雙 CPU 解碼，確保操作安全。

圖5 PTMS 系統結構圖

6 總結

安全保障性能是環吊設備的首要需求，該項研究分析了環吊實際運行特性及要求，并有針對性的提出了應對措施和解決方案，能夠較好的解決環吊運行安全性能、穩定性能的需求，方案采用了許多當前較為先進的工業技術和產品，也充分考慮了系統組成的性價比，具有一定的實際應用水準。