環(huán)吊控制系統(tǒng)故障安全及冗余功能研究

馬文 胡亞東

（1 廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門，361000；2 大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司，遼寧 大連，116013）

1 概述

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

2 環(huán)吊運(yùn)行要求

環(huán)吊設(shè)置主起升機(jī)構(gòu)、副起升機(jī)構(gòu)、大車旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、輔助小車起升機(jī)構(gòu)、輔助小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)等。

安全性能要求：環(huán)吊下方就是核反應(yīng)堆以及其它一回路重要設(shè)備，任何載荷的跌落有可能導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p失甚至引起核泄漏，因此，環(huán)吊從結(jié)構(gòu)設(shè)計、機(jī)構(gòu)配置等方面均有效提高了設(shè)計安全系數(shù)，控制系統(tǒng)更是按照采用單一故障保護(hù)原則進(jìn)行設(shè)計，對各種運(yùn)行故障發(fā)生原因以及將會引起的后果進(jìn)行系統(tǒng)的分析、歸類，從而制定相應(yīng)的檢測手段和一系列的保護(hù)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(chǎn)生進(jìn)一步的危害。

圖1 環(huán)吊總體構(gòu)成圖

穩(wěn)定性能要求：在反應(yīng)堆大修換料期間，核島反應(yīng)堆廠房的獨(dú)特條件以及運(yùn)行要求對核環(huán)吊的性能提出了苛刻的要求：在核電站正常發(fā)電運(yùn)行期間（12～18個月），反應(yīng)堆廠房處于完全封閉狀態(tài)，核環(huán)吊處于整機(jī)斷電隔離狀態(tài)，核環(huán)吊無法得到必要的性能檢測、維護(hù)保養(yǎng)；同時反應(yīng)堆廠房內(nèi)的高溫輻射環(huán)境對電氣儀控設(shè)備的性能和壽命影響顯著； 核電站進(jìn)行停堆換料時，要求核環(huán)吊立即進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)（幾乎無保養(yǎng)維修時間），如果環(huán)吊因故障不能按時投入運(yùn)行，將導(dǎo)致整個大修換料工作無法進(jìn)行， 直接影響關(guān)鍵路徑和換料大修周期。因此，環(huán)吊的穩(wěn)定性能直接關(guān)系到核電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。環(huán)吊運(yùn)行的主要參數(shù)見表1。

表1 環(huán)吊運(yùn)行主要參數(shù)

3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

鑒于環(huán)吊運(yùn)行的安全性能以及穩(wěn)定性能要求， 環(huán)吊控制系統(tǒng)按照單一故障保護(hù)原則、冗余原則、多樣性原則進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計，采用先進(jìn)成熟的控制技術(shù)和調(diào)速技術(shù)，提供先進(jìn)的故障診斷系統(tǒng)和友好的人機(jī)界面，確保環(huán)吊運(yùn)行安全、穩(wěn)定、操作舒適、維護(hù)便捷，環(huán)吊整機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖2。

環(huán)吊采用 IGBT 多傳動交流變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，能量回饋模式，能夠?qū)C(jī)構(gòu)在回饋制動狀態(tài)下產(chǎn)生的能量回饋給電網(wǎng)，有效降低發(fā)熱，能源利用率得到有效提高。各機(jī)構(gòu)采用 DTC 控制模式，能夠?qū)﹄姍C(jī)實現(xiàn)精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制， 靜態(tài)速度控制精度能夠達(dá)到 0.01% ， 動態(tài)速度控制精度能夠達(dá)到0.1%sec，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間小于 5ms。

除了PLC邏輯聯(lián)鎖以及數(shù)據(jù)計算處理提供的“軟保護(hù)”系統(tǒng)外，系統(tǒng)還設(shè)置了安全急?？刂苹芈?、過運(yùn)行限位、超載檢測、手動釋放檢測限位、門開關(guān)等作為環(huán)吊的硬線保護(hù)回路，參與保護(hù)及聯(lián)鎖，確保環(huán)吊運(yùn)行安全。

同時系統(tǒng)還對對主要電氣產(chǎn)品的電氣壽命進(jìn)行科學(xué)的統(tǒng)計和歸檔，為環(huán)吊的運(yùn)行和維護(hù)提供十分有效的數(shù)據(jù)參考。

4 冗余切換功能

PLC 作為環(huán)吊控制系統(tǒng)的核心，除了常規(guī)的信號采集、邏輯控制、數(shù)據(jù)運(yùn)算以及處理、實現(xiàn)對配電系統(tǒng)的啟動/停止控制、整車聯(lián)鎖控制、各機(jī)構(gòu)運(yùn) 行的啟動/速度給定/停止等指令控制、HMI 系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(huán)吊安全性能和穩(wěn)定性能的一項顯著設(shè)計方案體現(xiàn)。

環(huán)吊設(shè)置了冗余的 PLC 系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖詳見圖3。

CPU 冗余：雙 CPU 均處于工作模式，主機(jī)和從機(jī)角色隨機(jī)分配，通過 RCU 專用連接電纜實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳送映射；

圖2 環(huán)吊控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

通訊模塊冗余：主站和各從站之間采用PROFIBUS- DP 進(jìn)行通訊。主機(jī)架上設(shè)置冗余的CI854A 通訊處理單元；

接口模塊冗余：司機(jī)室、電氣室、MCC 機(jī)柜、小車盤遠(yuǎn)程控制站等均設(shè)置了冗余的 CI840A 通訊接口模塊；

電源冗余：CPU 主機(jī)架、各遠(yuǎn)程控制站等均設(shè)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(fā)生短路或接地故障能夠迅速切換；

圖3 PLC 系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)圖

通訊介質(zhì)冗余：工業(yè)以太網(wǎng)鏈路、現(xiàn)場總線網(wǎng)路均設(shè)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(zhì)，最大限度避免干擾。

當(dāng)上述任一硬件或回路發(fā)生錯誤或故障時，PLC系統(tǒng)能夠立即進(jìn)行無擾動自動切換，切換時間小于10ms，切換過程無任何數(shù)據(jù)丟失，從而保障環(huán)吊即使在故障狀態(tài)下也可以實現(xiàn)不停機(jī)運(yùn)行，保障運(yùn)行安全。

同時，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或錯誤切換時，系統(tǒng)能夠第一時間將錯誤或故障信息發(fā)送到環(huán)吊 HMI 系統(tǒng)，提示維護(hù)人員及時進(jìn)行故障排除，將系統(tǒng)修復(fù)到完整的冗余狀態(tài)，保障環(huán)吊運(yùn)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(huán)吊運(yùn)行期間設(shè)備及人身安全，在環(huán)吊關(guān)鍵部位和路徑上設(shè)置了多個急停開關(guān)，急?；芈凡捎萌哂嚯娐泛碗娮与娐?，控制邏輯詳見圖4，通過專用鑰匙開關(guān)進(jìn)行復(fù)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(tǒng)

環(huán)吊 PLC 系統(tǒng)帶本質(zhì)安全功能，確保對驅(qū)動裝置以及制動器進(jìn)行安全有效的控制，最大限度的避免安全事故的發(fā)生。安全特性如下：

2）編程時根據(jù)故障危害程度可以對 I/O模塊的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)定義，當(dāng)發(fā)生故障時能夠立即切換到安全模式；

3）可對故障點(diǎn)位或模塊進(jìn)行電氣隔離，不影響其它點(diǎn)位或模塊的運(yùn)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(diào)整系統(tǒng)配置而不用停機(jī)。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生致命錯誤或檢測到預(yù)制定義故障時，PLC 系統(tǒng)將立即進(jìn)入一個安全狀態(tài)或保持為安全模式，確保人身、機(jī)器、環(huán)境、過程的高度安全。

5.3 安全制動系統(tǒng)

環(huán)吊起升機(jī)構(gòu)設(shè)置了 3 套獨(dú)立的制動器，分別為工作制動器、緊急制動器、安全制動器。環(huán)吊控制系統(tǒng)設(shè)立了一套 PTMS 系統(tǒng)以實現(xiàn)對各級制動器的有序安全控制。

PTMS 系統(tǒng)為一個獨(dú)立的 task，執(zhí)行完全獨(dú)立的掃描周期，程序掃描周期為 10ms。其結(jié)構(gòu)圖見圖5。PTMS系統(tǒng)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(yīng)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(yī)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(dāng)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(jiān)測（空載弱磁、帶載狀態(tài)）；

3）傳動鏈完整性檢測；

4）電機(jī)響應(yīng)失效檢測及保護(hù)；

5）靜態(tài)反轉(zhuǎn)監(jiān)測及保護(hù)；

6）動態(tài)反轉(zhuǎn)監(jiān)測及保護(hù)；

7）運(yùn)行行程檢測及安全保護(hù)；

8）機(jī)構(gòu)響應(yīng)故障監(jiān)測；

9）系統(tǒng)故障檢測。

當(dāng)系統(tǒng)檢測到上述故障時，能夠?qū)崿F(xiàn)及時安全停機(jī)，同時通過控制卷筒側(cè)的安全制動器動作，最終實現(xiàn)對載荷的安全控制。

5.4 安全校驗功能

系統(tǒng)對設(shè)備各機(jī)構(gòu)運(yùn)行位置坐標(biāo)、當(dāng)前載荷量、操作給定速度、響應(yīng)速度及方向、機(jī)構(gòu)運(yùn)行條件等進(jìn)行充分的校驗和聯(lián)鎖，確保操作和運(yùn)行安全。

工控機(jī)、HMI 操作界面分別按照不同的操作級別進(jìn)行授權(quán)，各級操作者只有經(jīng)過合格培訓(xùn)并取得相應(yīng)授權(quán)，通過不同用戶名以及相應(yīng)密碼登陸后方可進(jìn)行操作；采用工業(yè)安全級無線遙控裝置，自動頻率管理技術(shù)（AFM），同頻不干擾。全雙工通訊，帶 LED顯示屏，用于故障、狀態(tài)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

6 總結(jié)

安全保障性能是環(huán)吊設(shè)備的首要需求，該項研究分析了環(huán)吊實際運(yùn)行特性及要求，并有針對性的提出了應(yīng)對措施和解決方案，能夠較好的解決環(huán)吊運(yùn)行安全性能、穩(wěn)定性能的需求，方案采用了許多當(dāng)前較為先進(jìn)的工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品，也充分考慮了系統(tǒng)組成的性價比，具有一定的實際應(yīng)用水準(zhǔn)。