自動(dòng)化控制在啟閉機(jī)電控的應(yīng)用

摘要：目前，啟閉機(jī)作為水庫(kù)和水電站閘門的起吊設(shè)備，是防洪泄洪的關(guān)鍵設(shè)備。由于閘門跨度較大，許多都采用雙電機(jī)雙吊點(diǎn)工作方式，如果在閘門起吊時(shí)兩吊點(diǎn)的水平度超過(guò)5°，閘門將會(huì)被卡?。挥捎陂l門在水下，容易堆積泥垢和滋生青苔，造成起吊時(shí)載荷成倍增加，這就相應(yīng)增加了電機(jī)的過(guò)載能力和電氣的過(guò)載能力；由于閘門和中控室距離較遠(yuǎn)，許多都是幾公里甚至十幾公里，也就導(dǎo)致了中控室或現(xiàn)場(chǎng)操作不能直觀觀察水下閘門。為了防止以上問(wèn)題發(fā)生，確保在關(guān)鍵時(shí)刻設(shè)備正常運(yùn)行，文章以獨(dú)山排澇應(yīng)急工程排澇閘TQ2*800kN臺(tái)車式啟閉機(jī)電控系統(tǒng)為例，詳細(xì)分析了解決上述問(wèn)題的電氣自動(dòng)化應(yīng)用方案。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化；工程案例；調(diào)速方案

中圖分類號(hào)：TV664.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—8937（2012）23—0047—03

1 工程案例

①本啟閉設(shè)備型式為臺(tái)車卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，由主起升機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、抓梁電纜卷筒、臺(tái)車架、電氣部分及其它附件組成。主起升構(gòu)電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)減速器、開式齒輪、使雙聯(lián)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，以收放鋼絲繩，鋼絲繩通過(guò)滑輪組使動(dòng)滑輪升降以達(dá)到閘門啟閉的目的。本啟閉機(jī)為滿足工程對(duì)閘門啟閉過(guò)程的時(shí)間要求，主起升機(jī)構(gòu)采用先進(jìn)的變頻技術(shù)。啟閉機(jī)在輕載空載運(yùn)行過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)能以約1.8倍的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，而在機(jī)構(gòu)的啟制動(dòng)及速度變換時(shí)，又能用平緩的加減速過(guò)渡以減小沖擊。主起升機(jī)構(gòu)上設(shè)置有載荷檢測(cè)裝置，該裝置可以在現(xiàn)控柜上顯示荷載值并輸出供中控，同時(shí)根據(jù)設(shè)定或調(diào)整，輸出空輕載與重載接點(diǎn)，將啟閉機(jī)荷載狀態(tài)信號(hào)傳遞給PLC，用以改變啟閉機(jī)的運(yùn)行速度。啟閉機(jī)采用機(jī)械同步方式。

②設(shè)備基本特性與參數(shù)。啟閉機(jī)型式：雙吊點(diǎn)臺(tái)車卷?yè)P(yáng)式；額定啟門力：2×800 kN；揚(yáng)程：15 m；電動(dòng)機(jī)特性型式、功率、轉(zhuǎn)速：YZP250M2—8，37 kW，735 r.p.m；起升速度：額定2.2輕載4 m/min；吊點(diǎn)中心距：8.5 m；軌距：3.6 m；行走速度：16 m/min；最小行走攜載：100 t；啟閉機(jī)工作級(jí)別：Q3—中；載荷傳感器型式：HLF3型壓式傳感器；高度傳感器：旋轉(zhuǎn)型絕對(duì)量編碼器。

③基本控制原理。獨(dú)山排澇應(yīng)急工程排澇閘TQ2*800kN臺(tái)車式啟閉機(jī)供電電源為三相四線+PE制（AC380 V，50 Hz），其中PE線專門供給變頻器及PLC等第三種接地用； 設(shè)有短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、失壓保護(hù)、配電系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)、限位保護(hù)、超速保護(hù)和過(guò)載保護(hù)?？傠娫椿芈吩O(shè)有總斷路器帶有分勵(lì)脫扣線圈，在緊急狀況下，只要按下電控柜門上的緊停按鈕或中控室急停，就可以切斷電動(dòng)機(jī)回路、制動(dòng)器回路、冷卻風(fēng)機(jī)回路的動(dòng)力電源。控制及信號(hào)電源為AC220V，設(shè)置了單相隔離變壓器，分別為緊停回路、各機(jī)構(gòu)控制回路、PLC提供電源。本機(jī)操作設(shè)柜門按鈕操作，現(xiàn)地控制柜門上設(shè)有起升、下降、升降停止按鈕、同時(shí)在端子排子上連接外部一組合按鈕站，需要時(shí)可以在組合按鈕站上來(lái)控制起升、下降、升降停止，現(xiàn)地控制柜上設(shè)有變頻器故障復(fù)位按鈕。設(shè)有動(dòng)力電源斷路器合閘、啟閉機(jī)起升、啟閉機(jī)下降、上極限、下極限、變頻器故障、變頻器超頻運(yùn)行、并設(shè)有綜合故障報(bào)警蜂鳴器。PLC接受中控室的來(lái)的起升、下降、升降停止、變頻器故障復(fù)位等命令。

2 調(diào)速方案

本機(jī)控制系統(tǒng)為變頻器+PLC調(diào)速方案，整機(jī)控制系統(tǒng)采用西門子公司的S7300系列PLC，模塊化結(jié)構(gòu)。SIMATIC S7—300通用控制器可以節(jié)省安裝空間并且具有模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。大量的模塊可根據(jù)手頭的任務(wù)被用于擴(kuò)展集中系統(tǒng)或創(chuàng)建分散結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，并促進(jìn)備件成本效益的經(jīng)濟(jì)性。憑借其令人印象深刻的創(chuàng)新系列，SIMATIC S7—300通用控制器成為了一個(gè)可以有效節(jié)省用戶額外投資和維護(hù)成本的綜合系統(tǒng)。S7—300系列CPU由于具有高處理速度，可以實(shí)現(xiàn)非常短的機(jī)器循環(huán)時(shí)間。CPU可以為各種應(yīng)用提供合適的解決方案，客戶只需為特定任務(wù)實(shí)際需要的性能付款S7—300建立在模塊式的組態(tài)上，無(wú)需I/O模塊的插槽規(guī)則現(xiàn)有豐富的模塊可用于集中組態(tài)和搭配ET200M實(shí)現(xiàn)分布式組態(tài)。集成的PROFINET 接口可以實(shí)現(xiàn)控制器的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)化，與其它運(yùn)行管理等級(jí)方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換模塊寬度窄，可以實(shí)現(xiàn)緊湊式的模塊設(shè)計(jì)或者小型控制柜。強(qiáng)大的CPU能夠與工業(yè)以太網(wǎng)/PROFINET 接口、集成的工藝功能或故障防護(hù)設(shè)計(jì)集成在一起，從而避免附加投資。PLC系統(tǒng)配備了西門子系統(tǒng)的模擬量模塊（SM331）采集載荷顯示儀、高度顯示儀來(lái)的4～20mA模擬量數(shù)據(jù)，以便同觸摸屏經(jīng)profibus—DP通訊交換數(shù)據(jù)，PLC系統(tǒng)配備了西門子系統(tǒng)的CP343—1通訊模塊，可以同中控室實(shí)行以太網(wǎng)通訊功能。也便于同中控室經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)總線交換數(shù)據(jù)。PLC輸入接口除接受來(lái)自按鈕、限位等控制信號(hào)外，還接受各斷路器、接觸器、變頻器、載荷顯示儀、高度顯示儀等輔助接點(diǎn)和控制接點(diǎn)作為整機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)鎖和保護(hù)，PLC硬件組態(tài)和模塊組成如圖1所示。

起升機(jī)構(gòu)控制各選用一臺(tái)ABB公司ACS800—01—0100—3變頻器驅(qū)動(dòng)。ACS800提升專用變頻器專用提升軟件適于各類位勢(shì)負(fù)載要求，低頻大力矩，滿足重載起動(dòng)要求，零速滿轉(zhuǎn)矩，停車平穩(wěn)，準(zhǔn)確，多種速度給定方式，方便使用，完整的保護(hù)功能，使用安全，可靠，強(qiáng)大的通訊及編程能力多種可選件，滿足用戶組態(tài)需要。此設(shè)備傳動(dòng)單元上帶有編碼器接口卡和通訊接口模塊，采用DTC直接轉(zhuǎn)矩控制模式。兩臺(tái)變頻器之間采用主/從控制方式，信號(hào)傳輸介質(zhì)采用光纖，防止干擾。主/從應(yīng)用控制傳動(dòng)之間的負(fù)載分配。主機(jī)通過(guò)主/從總線將命令信號(hào)和給定值（速度和轉(zhuǎn)矩給定）發(fā)送給從機(jī)。主機(jī)也可由從機(jī)讀取返回的狀態(tài)信息，以確認(rèn)運(yùn)行是否正常。系統(tǒng)具有足夠的調(diào)速硬度和良好的低頻轉(zhuǎn)矩特性；起升機(jī)構(gòu)閉環(huán)控制的速度反饋采用增量式脈沖編碼器，其基本功能是在聯(lián)動(dòng)狀態(tài)下將來(lái)自主機(jī)和從機(jī)的位置計(jì)數(shù)值作比較，在從機(jī)中其差值通過(guò)加入一個(gè)速度修正給定（正值或負(fù)值）被消減到零，保證同步運(yùn)行的精度。傳動(dòng)單元與PLC之間采用Profibus—DP通訊方式。變頻器速度給定、超頻運(yùn)行頻率、故障復(fù)位命令都由PLC經(jīng)Profibus—DP總線以地址碼的形式給定，兩臺(tái)起升電氣原理圖如圖2所示。

本機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)由PLC及觸摸屏組成，觸摸屏采用西門子TP277系列10寸彩色屏，該屏具有連續(xù)的功能性確保自由選擇理想的顯示屏，具有開孔完全相同框架的寬屏，最多可為客戶增加40%的顯示尺寸；空間增加后增加了可在顯示屏中可視化的應(yīng)用部分。可實(shí)現(xiàn)其他新的操作概念，例如，在顯示屏側(cè)面上符合人體工程學(xué)放置的菜單欄，可調(diào)光的顯示屏提供節(jié)能潛力以及新應(yīng)用，例如在造船方面，在空閑時(shí)間，規(guī)范化的PROFIenergy外形允許對(duì)設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)而集中關(guān)閉由于在一個(gè)框架中映射具有TIA門戶的HMI和控制器，WinCC V11減少了工程量，實(shí)現(xiàn)信息共享及數(shù)據(jù)傳輸，用圖形和文字實(shí)時(shí)顯示故障的位置及簡(jiǎn)單處理的方法，監(jiān)控各主要電器元件運(yùn)行或停止的狀態(tài)，變頻器運(yùn)行參數(shù)，各機(jī)構(gòu)位置及流程數(shù)據(jù)等。觸摸屏有利于操作人員、維修人員正確掌握啟閉機(jī)運(yùn)行狀況，觸摸屏部分工作畫面如圖3所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上方案整機(jī)PLC控制，降低了故障發(fā)生頻率，提高了運(yùn)行可靠性。PLC對(duì)變頻器和觸摸屏控制和數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)DP通訊，減少設(shè)備的干擾，確保設(shè)備正常運(yùn)行，同時(shí)減少電氣線路降低維修難度和減少故障點(diǎn)；通過(guò)采用ABB變頻器的主從控制協(xié)議可以保證兩臺(tái)電機(jī)的相對(duì)同步進(jìn)而保證閘門的吊點(diǎn)水平度。通過(guò)采用高性能高品質(zhì)的S7—300可編程控制器和ACC變頻器保證了電氣元件的較高過(guò)載性能和品質(zhì)保證；通過(guò)配備的智能化電控監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控各機(jī)構(gòu)運(yùn)行情況，并能對(duì)發(fā)生的故障進(jìn)行及時(shí)反映，引導(dǎo)維修人員進(jìn)行快速檢修，同時(shí)也把相關(guān)的設(shè)備狀態(tài)通過(guò)以太網(wǎng)通訊功能實(shí)時(shí)的反映到中控室。

參考文獻(xiàn)：

[1] DL/T5167，水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] DL/T5019，水電水利工程啟閉機(jī)制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[3] SD315—89，固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)通用技術(shù)條件[S].

[4] GB3811，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].