核電站環(huán)形起重機電氣控制系統(tǒng)解析

【摘 要】環(huán)形起重機是核電站最關(guān)鍵的吊裝設(shè)備，主要用于吊裝反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器，以及供反應(yīng)堆機組大修和每年一次更換反應(yīng)堆燃料時使用。其設(shè)計要求特殊，技術(shù)含量高，制造工藝復(fù)雜，對吊裝定位的精確度、可靠性和安全性都有很高的要求。本文將重點對福建省福清核電1號機組環(huán)形起重機（設(shè)備型號：205/10+205+10t，以下簡稱環(huán)吊）電氣控制的特點以及雙小車聯(lián)合起吊的同步運行原理做較為詳細的解析。

【關(guān)鍵詞】環(huán)形起重機 電氣控制系統(tǒng) 雙小車聯(lián)合起吊

一、主要機構(gòu)介紹

環(huán)吊主要機構(gòu)有：205t運行小車的主起升、偏移機構(gòu)和運行機構(gòu)，10t副鉤起升、偏移機構(gòu)；205t安裝小車起升和運行機構(gòu)；5tXY葫蘆起升機構(gòu)、X向和Y向運行機構(gòu)；6.3t檢修葫蘆的起升和運行機構(gòu)；大車在圓環(huán)形軌道上的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。其中，205t安裝小車在完成吊裝蒸汽發(fā)生器后將從環(huán)吊上移除。

二、電氣控制特點介紹

環(huán)吊采用了siemens S7-400 PLC、ABB變頻器、SimaticTP270觸摸屏等高性能配置，應(yīng)用了先進的Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)、帶編碼器反饋的直接轉(zhuǎn)距控制方式、及先進的人機界面系統(tǒng)。.因主起升機構(gòu)在起重機應(yīng)用上最為典型，控制也最為復(fù)雜，故本部分以205t運行小車主起升為例介紹其控制方式。

（一）PLC控制系統(tǒng)

整個系統(tǒng)以S7-400 PLC作為電控核心，主要有電源模塊、CPU、輸入輸出模塊及接口模塊等組成。輸入模塊采集由限位開關(guān)、熱敏電阻、變頻器故障反饋等設(shè)備的信號狀態(tài)；接收主令控制器、按鈕開關(guān)發(fā)出的控制指令，集中在CPU中進行運算，并將程序運算結(jié)果通過輸出模塊和Profibus現(xiàn)場總線傳送給接觸器和變頻器等執(zhí)行設(shè)備，從而驅(qū)動電動機、液壓抱閘裝置、冷卻風(fēng)機等完成各種生產(chǎn)任務(wù)。

（二）Profibus串行通訊現(xiàn)場總線系統(tǒng)

Profibus是一種開放式串行通訊標(biāo)準(zhǔn)。與其他現(xiàn)場總線系統(tǒng)相比，Profibus的最大優(yōu)點在于具有穩(wěn)定的國際標(biāo)準(zhǔn)EN50170作保證，并經(jīng)實際應(yīng)用驗證具有普遍性。該標(biāo)準(zhǔn)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在各類自動化元件之間互相交換。它由三個兼容的部分組成：

（1）Profibus-DP：用于通訊設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/0的通訊，使用Profibus-DP可取代24VDC或4—20mA信號傳輸。

（2）Profibus-PA：專為過程自動化設(shè)計，可使傳感器和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。

（3）Profibus-FMS：用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個令牌結(jié)構(gòu)，實時多主網(wǎng)絡(luò)。

在本系統(tǒng)中以S7-400作為主站，以各機構(gòu)變頻器作為從站，通過DP接口模塊和RS485屏蔽雙絞線進行數(shù)據(jù)快速實時交換，穩(wěn)定通訊距離可到1200m。

在Profibus總線系統(tǒng)中，可根據(jù)實際工況對激活通迅模塊、現(xiàn)場總線類型、變頻器地址、通訊傳輸速率、數(shù)據(jù)傳輸類型等參數(shù)進行設(shè)置。

作為主站的PLC中央處理器從從站讀取各種輸入狀態(tài)信息，即從變頻器讀出主升狀態(tài)字和實際值，包括變頻器準(zhǔn)備好、上電應(yīng)答、運行、轉(zhuǎn)矩驗證、變頻器故障、電動機實際轉(zhuǎn)速等信息；并將各種輸出信息寫入從站，即將控制字和速度給定、轉(zhuǎn)矩給定寫入變頻器。包括通訊檢測位、來自現(xiàn)場總線的PLC系統(tǒng)的啟動信號、來自上位機系統(tǒng)的啟動信號、故障復(fù)位信號及實際頻率給定等。使復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)換、監(jiān)控、反饋過程全部通過Profibus鏈的數(shù)據(jù)傳輸、和CPU的快速集中處理輕松實現(xiàn)。

（三）人機界面系統(tǒng)

環(huán)吊的人機界面采用TP270觸摸屏系統(tǒng)。它和PLC之間也采用Profibus總線進行數(shù)據(jù)傳輸與交換，實時地顯示和監(jiān)控各機構(gòu)的運行狀態(tài)及電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、速度等運行參數(shù)，并能利用自身故障實時診斷系統(tǒng)對故障現(xiàn)象進行判斷，記錄故障時的各種參數(shù)，這樣，操作人員和檢修人員就可以全面及時地了解系統(tǒng)的狀態(tài)，并可按提示的故障信息去檢查和維修，達到準(zhǔn)確、快速排除故障的效果，真正實現(xiàn)了人機智能化。同時，通過位置編碼器，CPU對大車的位置、小車位置、吊鉤位置進行解讀，通過Profibus總線并將處理結(jié)果呈現(xiàn)于顯示屏上，建立起整個環(huán)吊主要機構(gòu)位置的三維坐標(biāo)，進一步優(yōu)化了人機界面的效果。

（四）變頻調(diào)速系統(tǒng)

1.起升工況及要求

起升機構(gòu)要求較大的調(diào)速比和較硬的機械特性，以適應(yīng)重物的精確吊裝要求；要求有大的起動轉(zhuǎn)矩，優(yōu)異的動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力，以適應(yīng)負載突變，保證重載二次起升的能力；必須解決好再生制動狀態(tài)的能量回饋與處理，以縮短減速停車時間；必須解決好溜鉤問題。

2.變頻功能應(yīng)用

根據(jù)起升機構(gòu)特性和技術(shù)要求，變頻器采用帶測速反饋接口的800系列變頻器（運行小車采用ACC800，安裝小車采用ACS800），配合ACC7.2、ACS7.1專用提升軟件，形成閉環(huán)直接轉(zhuǎn)矩控制，通過預(yù)勵磁功能和啟動轉(zhuǎn)矩設(shè)定使電機啟動瞬間力矩最高可達300%，實現(xiàn)了優(yōu)異的啟動特性。內(nèi)置制動斬波器，外接制動電阻，使制動過程中的產(chǎn)生的再生能量通過制動電阻得到釋放，達到快速制動的目的。使用機械制動控制功能，使電機轉(zhuǎn)矩釋放和制動器緊密配合，更好地提高了設(shè)備的安全性，承受頻繁起動沖擊的能力及可靠性也大為增加。

3.主要功能介紹

（1）轉(zhuǎn)距驗證

轉(zhuǎn)矩驗證用于確認(rèn)在松開抱閘和開始提升運行之前傳動能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，抱閘沒有打滑。它是將機械抱閘被施加時給一個正的轉(zhuǎn)矩給定值來完成的。如果轉(zhuǎn)矩驗證成功，則表示轉(zhuǎn)矩達到了正確的等級，才能執(zhí)行啟動序列中的下一步驟.當(dāng)變頻器啟動信號有效時，轉(zhuǎn)矩驗證程序就開始了，完成之后，轉(zhuǎn)矩驗證OK被置1。如果在轉(zhuǎn)矩驗證期間檢測到了任何故障，則轉(zhuǎn)矩驗證失敗，且傳動跳閘停車，并在監(jiān)控系統(tǒng)中給出故障指示，大大增加了起重機的安全性。

（2）機械制動控制

變頻器內(nèi)置了制動邏輯控制器，用來控制抱閘接觸器的動作。當(dāng)接收到啟動命令時，變頻器首先對電動機進行預(yù)勵磁，然后釋放速度和轉(zhuǎn)矩控制器，如果轉(zhuǎn)矩驗證通過，制動器將抬起，電動機將按照正常的加速時間運行。如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有接收到制動應(yīng)答信號，傳動將故障跳閘并指示制動器故障。啟動命令撤去之后，傳動將按減速時間減速到相對零速，當(dāng)接到零速信號反饋后，制動抬起命令被關(guān)閉，在制動施加時間內(nèi)傳動將保持勵磁和轉(zhuǎn)矩輸出，直至制動器閉合完畢，有效地預(yù)防了溜鉤事故的發(fā)生。

（3）再生能量的處理

重載下降時電動機處于再生制動狀態(tài)，對于再生電能，必須能夠妥善處理，以保證能使減速停車時間盡量縮短。通過關(guān)閉直流過電壓控制器、激活制動斬波器的控制，選擇合理的減速時間。當(dāng)重物下降減速時，所產(chǎn)生的再生電能將通過和逆變管所并聯(lián)的二極管全波整流后反饋到中間直流電路，這一過程將產(chǎn)生泵升電壓，當(dāng)此電壓超過門限值，制動斬波器（IGBT回路）就會被激活，把多余的電能通過制動電阻快速得到釋放，保證了在短時間內(nèi)快速減速或停車。

安裝小車起升機構(gòu)的電氣控制思路與運行小車是一致的，但是實現(xiàn)的方法不一樣。運行小車的起升機構(gòu)電力拖動方式是通過IGBT供電模塊整流，再通過逆變器ACC800連接到電動機，控制電動機運行，電能回饋吸收和釋放也在IGBT供電模塊進行；安裝小車則直接通過變頻器ACS800外接制動單元（制動斬波器）和制動電阻實現(xiàn)。

三、雙小車聯(lián)合起吊的同步運行原理介紹

環(huán)形起重機最主要的作用是為了吊裝396t的蒸汽發(fā)生器。由于投產(chǎn)后機組檢修、燃料吊運的最大起重量都不會超過200t，如果將主起升的額定起重量設(shè)置為400t，必將造成設(shè)備利用不充分。所以，現(xiàn)在核島環(huán)吊吊裝蒸汽發(fā)生器的方案都采用雙小車聯(lián)合起吊的方式，例如：福建寧德核電采用的是（217t+190t），福建福清核電采用的是（205t+205t）的方案。雙小車同步聯(lián)合起吊是環(huán)吊電氣控制部分比較重要和復(fù)雜的一環(huán)，要求在同步起升的整個行程中（約28m），兩吊鉤中心位置的高度差不能超過50mm，允許誤差率為0.18%。

聯(lián)合起吊過程中兩吊鉤中心位置出現(xiàn)偏差是必然的。主要由以下兩個原因：①兩吊鉤鋼絲繩受力不可能完全一致，即負載的載荷特性不全相同；②機械傳動的誤差，造成雙鉤起升、下降速度的差異。

根據(jù)以上分析，雙小車起升機構(gòu)的速度控制采用開環(huán)控制系統(tǒng)是不可能達到控制要求，必須引入速度負反饋進行閉環(huán)控制。但單純的速度反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)只能是“讓速度快的變慢，接近另一方的值”，或者“讓速度慢的變快，接近另一方的值”，存在速度調(diào)整過程中，高度誤差值累積現(xiàn)象，依然無法滿足控制精度要求。因此，還必須引入兩吊鉤位置比較的反饋，通過兩吊鉤速度、實際位置比較的雙反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)對位置自動糾偏的功能?？刂圃韴D如圖1所示：

速度給定后，該系統(tǒng)以205t安裝小車的起升機構(gòu)的實際速度為基準(zhǔn)點，工作小車的實際速度為反饋信號，通過速度比例積分微分調(diào)節(jié)器（PID），調(diào)整轉(zhuǎn)矩給定值選擇器的輸入速度值；同時通過兩小車吊鉤中心位置的位置編碼器獲取高度差，調(diào)整轉(zhuǎn)矩給定值選擇器的地址偏差輸入值；后經(jīng)轉(zhuǎn)矩給定值控制器，對運行小車起升機構(gòu)原有的轉(zhuǎn)矩給定值做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并作為控制信號輸入該機構(gòu)的變頻控制器，改變電動機的轉(zhuǎn)速，從而達到控制要求。

本系統(tǒng)的精度取決于反饋檢驗裝置的精度。位置編碼器的精度比較容易保證，但是測速發(fā)電機的誤差較難克服。如果測速發(fā)電機的勵磁發(fā)生變化，會使反饋電壓失真，從而使閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速偏離應(yīng)有數(shù)值。而測速發(fā)電機電壓中的換向紋波，制造或安裝不良造成轉(zhuǎn)子偏心等問題都會給系統(tǒng)帶來周期性的干擾。環(huán)吊的測速發(fā)電機采用了德國Thaiheim測速發(fā)電機，它應(yīng)用光電編碼盤數(shù)字測速，測速精度達到0.5%，大大提高了調(diào)速系統(tǒng)的精度。

四、總結(jié)

環(huán)形起重機的電氣系統(tǒng)采用PLC程序控制，使外部硬接線簡單明了，整個系統(tǒng)電網(wǎng)適應(yīng)性強。起動轉(zhuǎn)矩和低速轉(zhuǎn)矩高，速度響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬，各檔位速度可任意設(shè)置，加減速時間可調(diào)，尤其是變頻器兩個提升專用軟件，使該起重機具備了提升機應(yīng)用所需的全部控制和安全功能，確保了安全可靠地運行。

該系統(tǒng)調(diào)速性能優(yōu)異、定位準(zhǔn)確、操作簡單、維護方便，大大地提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，有著廣泛的推廣價值，必將成為起重設(shè)備電控系統(tǒng)的發(fā)展方向。同時，智能人機界面系統(tǒng)具備了完善的保護及監(jiān)控功能，使操作者隨時掌握整個系統(tǒng)的狀態(tài)，故障處理也更加簡便快捷。

參考文獻：

[1]趙國主編《起重機械電氣安全技術(shù)檢驗》 大連理工大學(xué)出版社 2008.

[2]王福錦主編《起重機械技術(shù)檢驗》 學(xué)苑出版社2000.