工業(yè)設計論文核電站環(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鍵的吊裝設備，主要用于吊裝反應堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器，以及供反應堆機組大修和每年一次更換反應堆燃料時使用。其設計要求特殊，技術含量高，制造工藝復雜，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。

　　【關鍵詞】工業(yè)設計論文,環(huán)形起重機,電氣控制系統(tǒng),雙小車聯(lián)合起吊

　　一、主要機構介紹

　　環(huán)吊主要機構有：205t運行小車的主起升、偏移機構和運行機構，10t副鉤起升、偏移機構;205t安裝小車起升和運行機構;5tXY葫蘆起升機構、X向和Y向運行機構;6.3t檢修葫蘆的起升和運行機構;大車在圓環(huán)形軌道上的旋轉機構。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，應用了先進的Profibus現(xiàn)場總線技術、帶編碼器反饋的直接轉距控制方式、及先進的人機界面系統(tǒng)。.因主起升機構在起重機應用上最為典型，控制也最為復雜，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、熱敏電阻、變頻器故障反饋等設備的信號狀態(tài);接收主令控制器、按鈕開關發(fā)出的控制指令，集中在CPU中進行運算，并將程序運算結果通過輸出模塊和Profibus現(xiàn)場總線傳送給接觸器和變頻器等執(zhí)行設備，從而驅動電動機、液壓抱閘裝置、冷卻風機等完成各種生產任務。

　　(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準。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)定的國際標準EN50170作保證，并經實際應用驗證具有普遍性。該標準可以實現(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：專為過程自動化設計，可使傳感器和執(zhí)行機構聯(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)控網絡，是一個令牌結構，實時多主網絡。

　　在本系統(tǒng)中以S7-400作為主站，以各機構變頻器作為從站，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，包括變頻器準備好、上電應答、運行、轉矩驗證、變頻器故障、電動機實際轉速等信息;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、故障復位信號及實際頻率給定等。使復雜的信號轉換、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)控各機構的運行狀態(tài)及電壓、電流、轉矩、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總線并將處理結果呈現(xiàn)于顯示屏上，建立起整個環(huán)吊主要機構位置的三維坐標，進一步優(yōu)化了人機界面的效果。

　　(四)變頻調速系統(tǒng)

　　1.起升工況及要求

　　起升機構要求較大的調速比和較硬的機械特性，以適應重物的精確吊裝要求;要求有大的起動轉矩，優(yōu)異的動態(tài)轉矩響應能力，以適應負載突變，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.變頻功能應用

　　根據(jù)起升機構特性和技術要求，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)直接轉矩控制，通過預勵磁功能和啟動轉矩設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。內置制動斬波器，外接制動電阻，使制動過程中的產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，使電機轉矩釋放和制動器緊密配合，更好地提高了設備的安全性，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)轉距驗證

　　轉矩驗證用于確認在松開抱閘和開始提升運行之前傳動能夠產生轉矩，抱閘沒有打滑。它是將機械抱閘被施加時給一個正的轉矩給定值來完成的。如果轉矩驗證成功，則表示轉矩達到了正確的等級，才能執(zhí)行啟動序列中的下一步驟.當變頻器啟動信號有效時，轉矩驗證程序就開始了，完成之后，轉矩驗證OK被置1。如果在轉矩驗證期間檢測到了任何故障，則轉矩驗證失敗，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

　　變頻器內置了制動邏輯控制器，用來控制抱閘接觸器的動作。當接收到啟動命令時，變頻器首先對電動機進行預勵磁，然后釋放速度和轉矩控制器，如果轉矩驗證通過，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)定的時間內沒有接收到制動應答信號，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，當接到零速信號反饋后，制動抬起命令被關閉，在制動施加時間內傳動將保持勵磁和轉矩輸出，直至制動器閉合完畢，有效地預防了溜鉤事故的發(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。當重物下降減速時，所產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，這一過程將產生泵升電壓，當此電壓超過門限值，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，保證了在短時間內快速減速或停車。

　　安裝小車起升機構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置為400t，必將造成設備利用不充分。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。控制原理圖如圖1所示：

　　速度給定后，該系統(tǒng)以205t安裝小車的起升機構的實際速度為基準點，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節(jié)器(PID)，調整轉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，調整轉矩給定值選擇器的地址偏差輸入值;后經轉矩給定值控制器，對運行小車起升機構原有的轉矩給定值做適當?shù)恼{整，并作為控制信號輸入該機構的變頻控制器，改變電動機的轉速，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)的轉速偏離應有數(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%，大大提高了調速系統(tǒng)的精度。

　　四、總結

　　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)電網適應性強。起動轉矩和低速轉矩高，速度響應快，調速范圍寬，各檔位速度可任意設置，加減速時間可調，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)調速性能優(yōu)異、定位準確、操作簡單、維護方便，大大地提高了企業(yè)生產效率，有著廣泛的推廣價值，必將成為起重設備電控系統(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檢驗》 大連理工大學出版社 2008.

　　[2]王福錦主編《起重機械技術檢驗》 學苑出版社2000.