工业设计论文核电站环形起重机电气控制系统解析

 　　【摘 要】环形起重机是核电站最关键的吊装设备，主要用于吊装反应堆压力容器和蒸汽发生器，以及供反应堆机组大修和每年一次更换反应堆燃料时使用。其设计要求特殊，技术含量高，制造工艺复杂，对吊装定位的精确度、可靠性和安全性都有很高的要求。本文将重点对福建省福清核电1号机组环形起重机(设备型号：205/10+205+10t，以下简称环吊)电气控制的特点以及双小车联合起吊的同步运行原理做较为详细的解析。

　　【关键词】工业设计论文,环形起重机,电气控制系统,双小车联合起吊

　　一、主要机构介绍

　　环吊主要机构有：205t运行小车的主起升、偏移机构和运行机构，10t副钩起升、偏移机构;205t安装小车起升和运行机构;5tXY葫芦起升机构、X向和Y向运行机构;6.3t检修葫芦的起升和运行机构;大车在圆环形轨道上的旋转机构。其中，205t安装小车在完成吊装蒸汽发生器后将从环吊上移除。

　　二、电气控制特点介绍

　　环吊采用了siemens S7-400 PLC、ABB变频器、SimaticTP270触摸屏等高性能配置，应用了先进的Profibus现场总线技术、带编码器反馈的直接转距控制方式、及先进的人机界面系统。.因主起升机构在起重机应用上最为典型，控制也最为复杂，故本部分以205t运行小车主起升为例介绍其控制方式。

　　(一)PLC控制系统

　　整个系统以S7-400 PLC作为电控核心，主要有电源模块、CPU、输入输出模块及接口模块等组成。输入模块采集由限位开关、热敏电阻、变频器故障反馈等设备的信号状态;接收主令控制器、按钮开关发出的控制指令，集中在CPU中进行运算，并将程序运算结果通过输出模块和Profibus现场总线传送给接触器和变频器等执行设备，从而驱动电动机、液压抱闸装置、冷却风机等完成各种生产任务。

　　(二)Profibus串行通讯现场总线系统

　　Profibus是一种开放式串行通讯标准。与其他现场总线系统相比，Profibus的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。该标准可以实现数据在各类自动化元件之间互相交换。它由三个兼容的部分组成：

　　(1)Profibus-DP：用于通讯设备级控制系统与分散式I/0的通讯，使用Profibus-DP可取代24VDC或4―20mA信号传输。

　　(2)Profibus-PA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。

　　(3)Profibus-FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构，实时多主网络。

　　在本系统中以S7-400作为主站，以各机构变频器作为从站，通过DP接口模块和RS485屏蔽双绞线进行数据快速实时交换，稳定通讯距离可到1200m。

　　在Profibus总线系统中，可根据实际工况对激活通迅模块、现场总线类型、变频器地址、通讯传输速率、数据传输类型等参数进行设置。

　　作为主站的PLC中央处理器从从站读取各种输入状态信息，即从变频器读出主升状态字和实际值，包括变频器准备好、上电应答、运行、转矩验证、变频器故障、电动机实际转速等信息;并将各种输出信息写入从站，即将控制字和速度给定、转矩给定写入变频器。包括通讯检测位、来自现场总线的PLC系统的启动信号、来自上位机系统的启动信号、故障复位信号及实际频率给定等。使复杂的信号转换、监控、反馈过程全部通过Profibus链的数据传输、和CPU的快速集中处理轻松实现。

　　(三)人机界面系统

　　环吊的人机界面采用TP270触摸屏系统。它和PLC之间也采用Profibus总线进行数据传输与交换，实时地显示和监控各机构的运行状态及电压、电流、转矩、速度等运行参数，并能利用自身故障实时诊断系统对故障现象进行判断，记录故障时的各种参数，这样，操作人员和检修人员就可以全面及时地了解系统的状态，并可按提示的故障信息去检查和维修，达到准确、快速排除故障的效果，真正实现了人机智能化。同时，通过位置编码器，CPU对大车的位置、小车位置、吊钩位置进行解读，通过Profibus总线并将处理结果呈现于显示屏上，建立起整个环吊主要机构位置的三维坐标，进一步优化了人机界面的效果。

　　(四)变频调速系统

　　1.起升工况及要求

　　起升机构要求较大的调速比和较硬的机械特性，以适应重物的精确吊装要求;要求有大的起动转矩，优异的动态转矩响应能力，以适应负载突变，保证重载二次起升的能力;必须解决好再生制动状态的能量回馈与处理，以缩短减速停车时间;必须解决好溜钩问题。

　　2.变频功能应用

　　根据起升机构特性和技术要求，变频器采用带测速反馈接口的800系列变频器(运行小车采用ACC800，安装小车采用ACS800)，配合ACC7.2、ACS7.1专用提升软件，形成闭环直接转矩控制，通过预励磁功能和启动转矩设定使电机启动瞬间力矩最高可达300%，实现了优异的启动特性。内置制动斩波器，外接制动电阻，使制动过程中的产生的再生能量通过制动电阻得到释放，达到快速制动的目的。使用机械制动控制功能，使电机转矩释放和制动器紧密配合，更好地提高了设备的安全性，承受频繁起动冲击的能力及可靠性也大为增加。

　　3.主要功能介绍

　　(1)转距验证

　　转矩验证用于确认在松开抱闸和开始提升运行之前传动能够产生转矩，抱闸没有打滑。它是将机械抱闸被施加时给一个正的转矩给定值来完成的。如果转矩验证成功，则表示转矩达到了正确的等级，才能执行启动序列中的下一步骤.当变频器启动信号有效时，转矩验证程序就开始了，完成之后，转矩验证OK被置1。如果在转矩验证期间检测到了任何故障，则转矩验证失败，且传动跳闸停车，并在监控系统中给出故障指示，大大增加了起重机的安全性。 　　(2)机械制动控制

　　变频器内置了制动逻辑控制器，用来控制抱闸接触器的动作。当接收到启动命令时，变频器首先对电动机进行预励磁，然后释放速度和转矩控制器，如果转矩验证通过，制动器将抬起，电动机将按照正常的加速时间运行。如果在规定的时间内没有接收到制动应答信号，传动将故障跳闸并指示制动器故障。启动命令撤去之后，传动将按减速时间减速到相对零速，当接到零速信号反馈后，制动抬起命令被关闭，在制动施加时间内传动将保持励磁和转矩输出，直至制动器闭合完毕，有效地预防了溜钩事故的发生。

　　(3)再生能量的处理

　　重载下降时电动机处于再生制动状态，对于再生电能，必须能够妥善处理，以保证能使减速停车时间尽量缩短。通过关闭直流过电压控制器、激活制动斩波器的控制，选择合理的减速时间。当重物下降减速时，所产生的再生电能将通过和逆变管所并联的二极管全波整流后反馈到中间直流电路，这一过程将产生泵升电压，当此电压超过门限值，制动斩波器(IGBT回路)就会被激活，把多余的电能通过制动电阻快速得到释放，保证了在短时间内快速减速或停车。

　　安装小车起升机构的电气控制思路与运行小车是一致的，但是实现的方法不一样。运行小车的起升机构电力拖动方式是通过IGBT供电模块整流，再通过逆变器ACC800连接到电动机，控制电动机运行，电能回馈吸收和释放也在IGBT供电模块进行;安装小车则直接通过变频器ACS800外接制动单元(制动斩波器)和制动电阻实现。

　　三、双小车联合起吊的同步运行原理介绍

　　环形起重机最主要的作用是为了吊装396t的蒸汽发生器。由于投产后机组检修、燃料吊运的最大起重量都不会超过200t，如果将主起升的额定起重量设置为400t，必将造成设备利用不充分。所以，现在核岛环吊吊装蒸汽发生器的方案都采用双小车联合起吊的方式，例如：福建宁德核电采用的是(217t+190t)，福建福清核电采用的是(205t+205t)的方案。双小车同步联合起吊是环吊电气控制部分比较重要和复杂的一环，要求在同步起升的整个行程中(约28m)，两吊钩中心位置的高度差不能超过50mm，允许误差率为0.18%。

　　联合起吊过程中两吊钩中心位置出现偏差是必然的。主要由以下两个原因：①两吊钩钢丝绳受力不可能完全一致，即负载的载荷特性不全相同;②机械传动的误差，造成双钩起升、下降速度的差异。

　　根据以上分析，双小车起升机构的速度控制采用开环控制系统是不可能达到控制要求，必须引入速度负反馈进行闭环控制。但单纯的速度反馈闭环控制系统只能是“让速度快的变慢，接近另一方的值”，或者“让速度慢的变快，接近另一方的值”，存在速度调整过程中，高度误差值累积现象，依然无法满足控制精度要求。因此，还必须引入两吊钩位置比较的反馈，通过两吊钩速度、实际位置比较的双反馈闭环控制系统，实现控制系统对位置自动纠偏的功能。控制原理图如图1所示：

　　速度给定后，该系统以205t安装小车的起升机构的实际速度为基准点，工作小车的实际速度为反馈信号，通过速度比例积分微分调节器(PID)，调整转矩给定值选择器的输入速度值;同时通过两小车吊钩中心位置的位置编码器获取高度差，调整转矩给定值选择器的地址偏差输入值;后经转矩给定值控制器，对运行小车起升机构原有的转矩给定值做适当的调整，并作为控制信号输入该机构的变频控制器，改变电动机的转速，从而达到控制要求。

　　本系统的精度取决于反馈检验装置的精度。位置编码器的精度比较容易保证，但是测速发电机的误差较难克服。如果测速发电机的励磁发生变化，会使反馈电压失真，从而使闭环系统的转速偏离应有数值。而测速发电机电压中的换向纹波，制造或安装不良造成转子偏心等问题都会给系统带来周期性的干扰。环吊的测速发电机采用了德国Thaiheim测速发电机，它应用光电编码盘数字测速，测速精度达到0.5%，大大提高了调速系统的精度。

　　四、总结

　　环形起重机的电气系统采用PLC程序控制，使外部硬接线简单明了，整个系统电网适应性强。起动转矩和低速转矩高，速度响应快，调速范围宽，各档位速度可任意设置，加减速时间可调，尤其是变频器两个提升专用软件，使该起重机具备了提升机应用所需的全部控制和安全功能，确保了安全可靠地运行。

　　该系统调速性能优异、定位准确、操作简单、维护方便，大大地提高了企业生产效率，有着广泛的推广价值，必将成为起重设备电控系统的发展方向。同时，智能人机界面系统具备了完善的保护及监控功能，使操作者随时掌握整个系统的状态，故障处理也更加简便快捷。

　　参考文献：

　　[1]赵国主编《起重机械电气安全技术检验》 大连理工大学出版社 2008.

　　[2]王福锦主编《起重机械技术检验》 学苑出版社2000.

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