核電廠環形吊車動態監控和保護裝置的研制

孫 煒，余銀輝

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518120)

0 引言

環形吊車(以下簡稱“環吊”)位于核反應堆廠房內頂部，在核電站建設階段用于吊裝重型設備，如蒸汽發生器、反應堆壓力容器、穩壓器等；在運行階段用于反應堆換料和設備維修工作。某核電站環吊為全套法國進口設備，在2005年的控制系統改造中新增了原廠家研制的動態監控和保護裝置，為環吊提供了獨立的后備保護。保護裝置安裝調試后一直存在誤報警和誤跳閘現象，影響環吊的正常使用及大修工作。為此，該核電站聯合國內環吊廠家，開展了環吊動態監控和保護裝置的研制工作。

1 環吊動態監控和保護裝置介紹

環吊原配置過載保護、超速保護、溜鉤保護和限位保護，每個提升機構均配有工作制動器、應急制動器和安全制動器。上述設備可基本滿足吊車的安全運行，但也存在安全隱患。某核電廠曾發生環吊PLC控制系統死機導致環吊溜鉤現象，若事故擴大，將導致嚴重后果。

新研制的國產化環吊動態監控和保護裝置通過直接采集主吊車卷筒側和電機側的速度以及吊車司機的控制指令，監測主吊車運行狀態；再經過PLC控制系統的數據處理和邏輯判斷，集成多種保護判斷邏輯，實時判斷吊車是否處于安全運行狀態，并輸出相應的報警或跳閘信號(見圖1)。裝置具有如下幾個特點。

(1) 采用PLC控制系統綜合吊車的各類操作指令和運行信息，對吊車運行狀態進行實時監控，能及時有效地判斷吊車是否處于安全運行狀態，并輸出報警或動作信號。

圖1 吊車動態監控和保護裝置系統

(2) 設置了動態反轉、靜態反轉、傳動鏈破損、系統故障等故障監測功能。

(3) 與吊車控制系統的保護實現了物理隔離，同時提供多樣化、冗余的后備電氣保護，提高了可靠性。

(4) 可實現吊車運行速度曲線、指令信息的存儲和調閱，并提供相應的時間序列，可為吊車運行監控以及故障后的事故分析提供大量的有效數據。

2 動態監控和保護裝置設計特點

裝置內置高性能PLC控制系統，包括CPU、電源模塊、通信模塊、高速計數模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸出模塊、斷路器等電氣設備，用于接收環吊控制系統發送過來的指令信號、外圍檢測裝置反饋信號，輸出環吊起升系統安全控制信號，確保系統安全。此外，還采用以下特殊設計，確保系統可靠性。

(1) 編碼器信號傳輸抗干擾設計。在小車盤上設置子站用來采集數據，并將編碼器信號傳輸距離控制在最短，利用新型PROFIBUS母線進行信號傳輸，同時設計脈沖分頻、反相差分以及軟件濾波算法濾除干擾信號。

(2) 吊車動態保護功能、邏輯及定值優化設計。環吊位于反應堆堆芯正上方，若保護不全面或失效將會產生嚴重后果。裝置在集成了吊車現有的超速、欠速等重要保護功能的基礎上，設計了動態反轉、靜態反轉保護等多種保護功能，同時對保護功能邏輯進行了優化設計，防止保護的誤報和漏報。

(3) 與吊車控制系統的保護實現了全物理隔離，提高了保護的可靠性。裝置只需采集司機的操作指令、吊車的運行速度信息，就能對環吊的運行狀態是否異常作出獨立的判斷。其速度信息的采集獨立于控制系統的速度采集系統。

(4) 提供優異的人機交互操作。可實現吊車運行速度曲線、指令信息的存儲和調閱，為運行維修人員提供優異的人機交互界面，同時為吊車發生運行故障后的事故分析提供了海量的數據支持。

PLC控制系統同時具有本質安全性能，當發生致命錯誤時，CPU立即進入一個安全狀態或保持為安全模式，確保人身、設備、環境、過程的高度安全。

3 動態監控和保護裝置保護功能設計

裝置設計了多種保護功能，包括電機超速保護（涵蓋空載運行、帶載運行2種工況）、卷筒超速保護(涵蓋空載運行、帶載運行2種工況)、欠速保護(涵蓋空載運行、帶載運行2種工況)、傳動鏈破損保護、靜態反轉/動態反轉保護、可編程故障報警、操作權限動態口令保護、軟極限控制功能、故障報警歷史查看及歸檔功能。以下選擇其中3種保護功能作介紹。

3.1 傳動鏈破損保護功能

通過實時檢測主吊車主起升機構高速軸和低速軸的轉速，經過PLC控制系統的處理，如果電機軸、聯軸器、減速機、開式齒輪、卷筒軸等部位出現斷裂破碎等故障，該裝置會立即輸出信號，控制制動器安全動作，確保載荷安全。傳動鏈損壞故障保護邏輯如圖2所示。

3.2 靜態反轉保護功能

起升機構在停機狀態下，如果出現制動器抱閘故障或低速軸斷軸故障等情況，鉤頭將向下產生位移；而且在帶載情況下出現靜態反轉現象時，若不及時采取措施，后果將非常嚴重。本系統能夠有效檢測靜態反轉現象，通過控制安全制動器的動作及時保持住載荷，確保載荷吊裝安全。靜態旋轉角度可通過觸摸屏設定。

3.3 動態反轉保護功能

圖2 傳動鏈損壞故障保護邏輯

起升機構在運行過程中，如果電機出現故障，力矩不足以克服載荷重量，那么鉤頭將迅速下降；如果因為控制信號或電路出現問題，將導致吊車實際運行方向同操作方向不一致的現象。本系統能夠有效檢測動態反轉現象，通過控制安全制動器的動作及時保持住載荷，確保載荷吊裝安全。

4 裝置工程應用

該裝置已應用于大亞灣核電基地等多個核電站，應用情況良好。通過簡單有效的監控和保護裝置，實現了環吊重要故障的多重保護，避免了環吊重大事故的發生，有效提高了環吊運行可靠性。

觸摸屏智能顯示終端能夠實現吊車起升機構運行過程數據顯示、故障檢測、報警、數據統計、數據歸檔等功能。

5 結論

通過動態監控和保護裝置可以實時監控環吊的運行狀態，能及時準確地判斷吊車是否處于安全穩定的運行狀態，并在運行狀態出現異常時輸出報警或相應動作信號。裝置在集成了環吊現有的超速、欠速等重要保護功能的基礎上，還設計了動態反轉、靜態反轉、傳動鏈破損等多種保護邏輯功能，并與吊車原控制系統的保護實現了物理隔離，同時提供多樣化、冗余的電氣保護，提高了可靠性，現場運行情況良好。該動態監控和保護裝置已應用于多個核電基地的機組，還可在其他工程領域的起重設備進行推廣。