孫 煒,余銀輝
(中廣核研究院有限公司,廣東 深圳 518120)
環(huán)形吊車(chē)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“環(huán)吊”)位于核反應(yīng)堆廠房?jī)?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(guó)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(guó)內(nèi)環(huán)吊廠家,開(kāi)展了環(huán)吊動(dòng)態(tài)監(jiān)控和保護(hù)裝置的研制工作。
環(huán)吊原配置過(guò)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(mǎn)足吊車(chē)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(guó)產(chǎn)化環(huán)吊動(dòng)態(tài)監(jiān)控和保護(hù)裝置通過(guò)直接采集主吊車(chē)卷筒側(cè)和電機(jī)側(cè)的速度以及吊車(chē)司機(jī)的控制指令,監(jiān)測(cè)主吊車(chē)運(yùn)行狀態(tài);再經(jīng)過(guò)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(chē)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(jiàn)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(chē)的各類(lèi)操作指令和運(yùn)行信息,對(duì)吊車(chē)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(chē)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(chē)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(cè)功能。
(3) 與吊車(chē)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(chē)運(yùn)行速度曲線(xiàn)、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(chē)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)。
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(guò)來(lái)的指令信號(hào)、外圍檢測(cè)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(chē)盤(pán)上設(shè)置子站用來(lái)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(xiàn)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(chē)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(chē)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(duì)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(chē)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(chē)的運(yùn)行速度信息,就能對(duì)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??蓪?shí)現(xiàn)吊車(chē)運(yùn)行速度曲線(xiàn)、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(chē)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(guò)程的高度安全。
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。
通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)主吊車(chē)主起升機(jī)構(gòu)高速軸和低速軸的轉(zhuǎn)速,經(jīng)過(guò)PLC控制系統(tǒng)的處理,如果電機(jī)軸、聯(lián)軸器、減速機(jī)、開(kāi)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。
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(cè)靜態(tài)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象,通過(guò)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(guò)觸摸屏設(shè)定。
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(guò)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(wèn)題,將導(dǎo)致吊車(chē)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(cè)動(dòng)態(tài)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象,通過(guò)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。
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(guò)簡(jiǎn)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(chē)起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)顯示、故障檢測(cè)、報(bào)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)歸檔等功能。
通過(guò)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(chē)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(chē)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(chǎng)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。