核电厂环形吊车动态监控和保护装置的研制

孙 炜，余银辉

(中广核研究院有限公司，广东 深圳 518120)

0 引言

环形吊车(以下简称“环吊”)位于核反应堆厂房内顶部，在核电站建设阶段用于吊装重型设备，如蒸汽发生器、反应堆压力容器、稳压器等；在运行阶段用于反应堆换料和设备维修工作。某核电站环吊为全套法国进口设备，在2005年的控制系统改造中新增了原厂家研制的动态监控和保护装置，为环吊提供了独立的后备保护。保护装置安装调试后一直存在误报警和误跳闸现象，影响环吊的正常使用及大修工作。为此，该核电站联合国内环吊厂家，开展了环吊动态监控和保护装置的研制工作。

1 环吊动态监控和保护装置介绍

环吊原配置过载保护、超速保护、溜钩保护和限位保护，每个提升机构均配有工作制动器、应急制动器和安全制动器。上述设备可基本满足吊车的安全运行，但也存在安全隐患。某核电厂曾发生环吊PLC控制系统死机导致环吊溜钩现象，若事故扩大，将导致严重后果。

新研制的国产化环吊动态监控和保护装置通过直接采集主吊车卷筒侧和电机侧的速度以及吊车司机的控制指令，监测主吊车运行状态；再经过PLC控制系统的数据处理和逻辑判断，集成多种保护判断逻辑，实时判断吊车是否处于安全运行状态，并输出相应的报警或跳闸信号(见图1)。装置具有如下几个特点。

(1) 采用PLC控制系统综合吊车的各类操作指令和运行信息，对吊车运行状态进行实时监控，能及时有效地判断吊车是否处于安全运行状态，并输出报警或动作信号。

图1 吊车动态监控和保护装置系统

(2) 设置了动态反转、静态反转、传动链破损、系统故障等故障监测功能。

(3) 与吊车控制系统的保护实现了物理隔离，同时提供多样化、冗余的后备电气保护，提高了可靠性。

(4) 可实现吊车运行速度曲线、指令信息的存储和调阅，并提供相应的时间序列，可为吊车运行监控以及故障后的事故分析提供大量的有效数据。

2 动态监控和保护装置设计特点

装置内置高性能PLC控制系统，包括CPU、电源模块、通信模块、高速计数模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输出模块、断路器等电气设备，用于接收环吊控制系统发送过来的指令信号、外围检测装置反馈信号，输出环吊起升系统安全控制信号，确保系统安全。此外，还采用以下特殊设计，确保系统可靠性。

(1) 编码器信号传输抗干扰设计。在小车盘上设置子站用来采集数据，并将编码器信号传输距离控制在最短，利用新型PROFIBUS母线进行信号传输，同时设计脉冲分频、反相差分以及软件滤波算法滤除干扰信号。

(2) 吊车动态保护功能、逻辑及定值优化设计。环吊位于反应堆堆芯正上方，若保护不全面或失效将会产生严重后果。装置在集成了吊车现有的超速、欠速等重要保护功能的基础上，设计了动态反转、静态反转保护等多种保护功能，同时对保护功能逻辑进行了优化设计，防止保护的误报和漏报。

(3) 与吊车控制系统的保护实现了全物理隔离，提高了保护的可靠性。装置只需采集司机的操作指令、吊车的运行速度信息，就能对环吊的运行状态是否异常作出独立的判断。其速度信息的采集独立于控制系统的速度采集系统。

(4) 提供优异的人机交互操作。可实现吊车运行速度曲线、指令信息的存储和调阅，为运行维修人员提供优异的人机交互界面，同时为吊车发生运行故障后的事故分析提供了海量的数据支持。

PLC控制系统同时具有本质安全性能，当发生致命错误时，CPU立即进入一个安全状态或保持为安全模式，确保人身、设备、环境、过程的高度安全。

3 动态监控和保护装置保护功能设计

装置设计了多种保护功能，包括电机超速保护（涵盖空载运行、带载运行2种工况）、卷筒超速保护(涵盖空载运行、带载运行2种工况)、欠速保护(涵盖空载运行、带载运行2种工况)、传动链破损保护、静态反转/动态反转保护、可编程故障报警、操作权限动态口令保护、软极限控制功能、故障报警历史查看及归档功能。以下选择其中3种保护功能作介绍。

3.1 传动链破损保护功能

通过实时检测主吊车主起升机构高速轴和低速轴的转速，经过PLC控制系统的处理，如果电机轴、联轴器、减速机、开式齿轮、卷筒轴等部位出现断裂破碎等故障，该装置会立即输出信号，控制制动器安全动作，确保载荷安全。传动链损坏故障保护逻辑如图2所示。

3.2 静态反转保护功能

起升机构在停机状态下，如果出现制动器抱闸故障或低速轴断轴故障等情况，钩头将向下产生位移；而且在带载情况下出现静态反转现象时，若不及时采取措施，后果将非常严重。本系统能够有效检测静态反转现象，通过控制安全制动器的动作及时保持住载荷，确保载荷吊装安全。静态旋转角度可通过触摸屏设定。

3.3 动态反转保护功能

图2 传动链损坏故障保护逻辑

起升机构在运行过程中，如果电机出现故障，力矩不足以克服载荷重量，那么钩头将迅速下降；如果因为控制信号或电路出现问题，将导致吊车实际运行方向同操作方向不一致的现象。本系统能够有效检测动态反转现象，通过控制安全制动器的动作及时保持住载荷，确保载荷吊装安全。

4 装置工程应用

该装置已应用于大亚湾核电基地等多个核电站，应用情况良好。通过简单有效的监控和保护装置，实现了环吊重要故障的多重保护，避免了环吊重大事故的发生，有效提高了环吊运行可靠性。

触摸屏智能显示终端能够实现吊车起升机构运行过程数据显示、故障检测、报警、数据统计、数据归档等功能。

5 结论

通过动态监控和保护装置可以实时监控环吊的运行状态，能及时准确地判断吊车是否处于安全稳定的运行状态，并在运行状态出现异常时输出报警或相应动作信号。装置在集成了环吊现有的超速、欠速等重要保护功能的基础上，还设计了动态反转、静态反转、传动链破损等多种保护逻辑功能，并与吊车原控制系统的保护实现了物理隔离，同时提供多样化、冗余的电气保护，提高了可靠性，现场运行情况良好。该动态监控和保护装置已应用于多个核电基地的机组，还可在其他工程领域的起重设备进行推广。