恰甫其海門式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，烏魯木齊 830000)

恰甫其海電站，以灌溉為主，兼有發(fā)電、防洪等綜合效益。廠房內(nèi)裝4臺混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)額定容量80MW，電站裝機(jī)容量320MW。聯(lián)合進(jìn)水塔平臺安裝了2×1250kN門式起重機(jī)，門機(jī)有主起升機(jī)構(gòu)、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，并在門機(jī)上游側(cè)設(shè)有1臺100kN的回轉(zhuǎn)吊。門機(jī)主要用途是用來啟閉進(jìn)水口攔污柵、擋水門和深孔排沙放空洞事故閘門，同時也可用來清除攔污柵前的污物，提高發(fā)電效率。

1 電氣系統(tǒng)組成

根據(jù)門式起重機(jī)的用途及其機(jī)構(gòu)設(shè)置情況，門機(jī)的電氣傳動系統(tǒng)由主起升機(jī)構(gòu)電氣傳動系統(tǒng)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)電氣傳動系統(tǒng)、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)電氣傳動系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)行機(jī)構(gòu)電氣傳動系統(tǒng)、自動抓梁控制系統(tǒng)、自動抓梁監(jiān)控系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、開度載荷信號檢測系統(tǒng)、清污機(jī)控制系統(tǒng)、大車夾軌器控制系統(tǒng)及供電、照明等輔助控制系統(tǒng)組成(見下頁圖1)。

圖1 門機(jī)電氣傳動系統(tǒng)配置

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主起升機(jī)構(gòu)

主起升機(jī)構(gòu)是門式起重機(jī)的核心部分，其性能的好壞直接影響整臺設(shè)備的安全運(yùn)行。根據(jù)門機(jī)主起升機(jī)構(gòu)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特點(diǎn)，采用變頻調(diào)速可實現(xiàn)重載情況下平穩(wěn)或快速的起降、制動，閉環(huán)控制能使起升機(jī)構(gòu)在零轉(zhuǎn)速時輸出額定轉(zhuǎn)矩，即使制動裝置松動或失靈時，也不會出現(xiàn)重物下滑，有效避免起升機(jī)構(gòu)失控、溜鉤現(xiàn)象。變頻調(diào)速系統(tǒng)采用整流回饋單元向直流母線供電方式，整流回饋單元及逆變器的容量按主起升電機(jī)容量選擇。與單臺變頻器傳動系統(tǒng)比較，具用電路結(jié)構(gòu)緊湊、沒有制動電阻等發(fā)熱耗能元件等特點(diǎn)。另外，在處于發(fā)電狀態(tài)時電動機(jī)能量直接回饋給電網(wǎng)，大大提高了能量再生利用率，具有明顯的節(jié)能效果。通過變頻調(diào)速可實現(xiàn)軟件啟動、軟停止功能，降低機(jī)械傳動沖擊，明顯改善鋼結(jié)構(gòu)的承載性能，延長起重機(jī)的使用壽命。主起升機(jī)構(gòu)電氣傳動系統(tǒng)由輸入電抗器、濾波器、自耦變壓器、整流回饋單元、逆變器、輸出電抗器及電動機(jī)組成。

2.1.1 輸入電抗器

輸入電抗器能夠限制電網(wǎng)電壓突變和操作過電壓引起的電流沖擊，有效地保護(hù)變頻器和改善其功率因數(shù)。同時既能阻止來自電網(wǎng)的干擾，又能減少整流回饋單位產(chǎn)生的諧波電流對電網(wǎng)的污染。當(dāng)電源容量很大時，更要防止各種過電壓引起的電流沖擊，因為它們對變頻器內(nèi)整流二極管和濾波電容器都有威脅。因此接入輸入電抗器后，可改善變頻器的運(yùn)行狀況。

2.1.2 濾波器

濾波器用于檢測變頻器諧波電流的幅值和相位，并產(chǎn)生一個與諧波電流幅值相同且相位正好相反的電流，通過變頻器時，可以非常有效地吸收諧波電流。

2.1.3 自耦變壓器

當(dāng)小電網(wǎng)和電網(wǎng)電壓有擾動時，自耦變壓器使逆變橋與電網(wǎng)之間有較好的適應(yīng)性；并在發(fā)電狀態(tài)工作時，在各種電機(jī)轉(zhuǎn)動下均可使電機(jī)達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩。

2.1.4 整流回饋單元

整流回饋單元中設(shè)有整流橋和逆變橋，除了為逆變器提供直流電壓外，當(dāng)電動機(jī)處于再生狀態(tài)(制動或負(fù)載下載)使直流母線上的電壓升高時，其內(nèi)部晶閘管逆變橋開始工作，將再生能量反饋回電網(wǎng)，大大提高了能量的再生利用率，具有明顯的節(jié)能效果。系統(tǒng)可實現(xiàn)四象限運(yùn)行。

2.1.5 逆變器

逆變器是變頻調(diào)速系統(tǒng)的主部件，整流回饋單元輸出的直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換后，輸出頻率可調(diào)的交流電。該設(shè)計中采用內(nèi)部變橋為隔離門極雙極型晶體管(IGBT)的功率器件，為全數(shù)字電壓型PWM調(diào)制DC變頻裝置。

2.1.6 輸出電抗器

輸出電抗器有助于改善變頻器的過電流和過電壓。當(dāng)變頻器和電動機(jī)之間采用長電纜或向多臺電機(jī)供電時，由于變頻器工作頻率高，連接電纜的等效電路成為一個大電容，而引起電纜對地電容給變頻器額外增加了峰值電流，由于高頻瞬變電壓，給電動機(jī)絕緣額外增加了瞬態(tài)電壓峰值。為了避免電動機(jī)絕緣過早老化和電動機(jī)損壞及變頻器損壞，可以選用輸出電抗器來減小在電動機(jī)端子上的dU/dt值，變頻器和電動機(jī)之間用長電纜時，輸出電抗器可以減小負(fù)荷電流的峰值。

2.2 大車、小車、回轉(zhuǎn)運(yùn)行機(jī)構(gòu)

門機(jī)大車、小車、回轉(zhuǎn)運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行工況，不存在位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，電動機(jī)功率較小，變頻調(diào)速系統(tǒng)均采用能耗制動的工作方式。能耗制動方式是在變頻器直流側(cè)設(shè)置制動單元組件，將再生電能消耗在功率電阻上來實現(xiàn)制動。其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，對電網(wǎng)無污染，成本低廉；缺點(diǎn)是運(yùn)行效率低，特別是在頻繁制動時將要消耗大量的能量且制動電阻的容量將增大。各機(jī)構(gòu)電氣傳動系統(tǒng)的組成由輸入電抗器、變頻器、制動單元、制動電阻、輸出電抗器及電動機(jī)組成。

2.2.1 變頻器

變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、驅(qū)動單元、檢測單元、微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實際需要提供其所需要的電源電壓，達(dá)到節(jié)能、高速的目的。

2.2.2 制動單元

當(dāng)直流回路的電壓Ud超過規(guī)定的限值時(如660V或710V)，接通耗能電路，使直流回路通過制動電阻后以熱能方式釋放能量。制動單元的作用是接通制動電阻的“開關(guān)”，主要由功率管、電壓采樣比較電路和驅(qū)動電路組成。

2.2.3 制動電阻

制動電阻是用于將電動機(jī)的再生能量以熱能方式消耗的載體，包括電阻阻值和功率容量兩個重要的參數(shù)。該設(shè)計中制動電阻選用波紋電阻，其表面立式波紋有助于散熱，降低寄生電感量，并選用高阻燃無機(jī)涂層，有效保護(hù)電阻絲不老化，延長使用壽命。

2.3 PLC控制系統(tǒng)

PLC系統(tǒng)是門機(jī)的控制核心，門機(jī)所有控制均通過該系統(tǒng)來完成。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計原則為：擬定控制系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)條件，一般以設(shè)計任務(wù)書的形式來確定；選擇電氣傳動形式或電動機(jī)、電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)；選定PLC的型號，編制I/O分配表或繪制I/O端子接線圖；根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求編寫軟件規(guī)格說明書，然后再用相應(yīng)的編程語言進(jìn)行程序設(shè)計；遵循用戶認(rèn)知心理學(xué)，重視人機(jī)界面的設(shè)計，增強(qiáng)人與計算機(jī)之間的友善關(guān)系。為簡化門機(jī)布線，使電氣性能更可靠，本系統(tǒng)選用了S7-300PLC，其配置如下：CPU模塊、電源模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、擴(kuò)展接口模塊、模擬量模塊、位置模塊。

2.4 工業(yè)現(xiàn)場總線

S7-300PLC與各運(yùn)行機(jī)構(gòu)變頻器通信板組成PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，采用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)及I/O從站，PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)由主站、從站、網(wǎng)絡(luò)部分等構(gòu)成(見圖2)。PROFIBUS主站掌握總線中數(shù)據(jù)流的控制權(quán)，主站可以在沒有外部請求的情況下發(fā)送信息，只有它有權(quán)訪問總路線?？商峁﹤鬏斔俾首畲?.5Mbit/s和傳輸速率最大1.2Mbit/s兩種不同形式的端子。PROFIBUS中繼電器用于連接2個PROFIBUS網(wǎng)段或最多32個站的RS485MPI總線，數(shù)據(jù)傳輸速率可以為(9.6～12)Mbit/s，可選的使用中繼器可以增加站數(shù)和距離。經(jīng)過擴(kuò)展PROFIBUS-DP的診斷功能能夠?qū)收峡焖俣ㄎ?，診斷信息在網(wǎng)上傳輸并由主站收集。有本站診斷、模塊診斷、通道診斷三種操作，提高了系統(tǒng)故障識別率。

圖2 S7-300 PLC硬件組態(tài)

2.5 信號檢測及安全保護(hù)

a.主起升行程檢測。在卷筒軸端上安裝有絕對型軸角編碼器，能夠?qū)㈤l門開度的直線位移量轉(zhuǎn)化為編碼信號，通過多芯屏蔽電纜傳送至PLC位置檢測模塊，經(jīng)非線性修正，反映出閘門的真實高度值，在司機(jī)室觸摸屏上顯示，并在上、下極限位置處以直斷點(diǎn)進(jìn)行極限限位保護(hù)和報警。同時在起升上、下限位位置加裝了兩個瞬動型接近開關(guān)，檢測各吊點(diǎn)上、下極限限位。使起升機(jī)構(gòu)上、下限位有兩套極限限開關(guān)，使起升機(jī)構(gòu)操作更加安全。

b.主起升機(jī)構(gòu)載荷檢測。在主起升機(jī)構(gòu)平衡輪下安裝有PHILIPS公司生產(chǎn)的檢測起升載荷的傳感器，將其輸出的毫伏信號經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號送到PLC模擬量模塊，經(jīng)PLC數(shù)字化處理后送主司機(jī)觸摸屏顯示，同時設(shè)有多個電接點(diǎn)。用于指示100%額定載荷、110%額定載荷。并在額定載荷時報警，達(dá)到110%額定載荷時報警并自動關(guān)閉變頻器切除電動機(jī)電源，使制動器上閘，對起升機(jī)構(gòu)實施保護(hù)。

在大車、小車及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的合適位置處裝有瞬動型接近開關(guān)，并在其運(yùn)行軌道的極限位置處布置撞塊，當(dāng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行到極限位置時，撞塊靠近接近開關(guān)的感應(yīng)區(qū)時，接近開關(guān)動作發(fā)出停車信號。在大車行走機(jī)構(gòu)兩端各設(shè)置兩臺聲響發(fā)生器，在大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)開動時，發(fā)出聲響以警示軌道周圍的作業(yè)人員。

c.風(fēng)速檢測。在小車房頂部安裝風(fēng)速儀，風(fēng)速儀將風(fēng)速傳輸?shù)剿緳C(jī)室內(nèi)儀表上，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到36m/s時，其內(nèi)部繼電器觸點(diǎn)動作，通過PLC關(guān)閉門機(jī)各運(yùn)行機(jī)構(gòu)電源，停止作業(yè)，制動器上閘，并使夾軌器自動夾緊，保證門的安全。

2.6 監(jiān)控系統(tǒng)

S7-300PLC通過PROFIBUS-DP網(wǎng)控制和管理各機(jī)構(gòu)變頻器，通過數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出模塊控制各控制單元。當(dāng)聯(lián)動臺上主令開關(guān)控制手柄發(fā)出動作指令時，PLC開入模塊相應(yīng)的點(diǎn)閉合發(fā)出信號，通過內(nèi)部控制程序調(diào)用相應(yīng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)使變頻器或控制單元運(yùn)行，使該機(jī)構(gòu)按操作者的意圖以相應(yīng)的速度工作。各機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行信號、故障信號、極限終端報警信號、主起升機(jī)構(gòu)的高度及載荷、自動抓梁運(yùn)行工況以及其他需要指示的信號，均在人機(jī)界面面板顯示出來。通過人機(jī)界面進(jìn)行系統(tǒng)故障自檢和處理，方便技術(shù)人員和操作人員的維護(hù)和現(xiàn)場監(jiān)控，大幅度減少維修時間及費(fèi)用。

3 控制單元選型

根據(jù)門機(jī)各機(jī)構(gòu)驅(qū)動負(fù)載的特性及滿足實際工作的要求，需要選擇相應(yīng)型號的電動機(jī)，并根據(jù)電動機(jī)大小選擇變頻調(diào)速系統(tǒng)。變頻調(diào)速系統(tǒng)均采用性能可靠的某公司產(chǎn)品，電抗器、濾波器及制動單元均按該公司配套產(chǎn)品選型，詳見下表。

主要設(shè)備型號表

4 傳動系統(tǒng)分析

4.1 電路特點(diǎn)

主起升機(jī)構(gòu)為變頻調(diào)速，逆變器與電機(jī)通過測速脈沖編碼器實際速度閉環(huán)控制。逆變器通過通信板與S7-300PLC組成PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，逆變器的控制信號、給定值及狀態(tài)信號、轉(zhuǎn)速均通過總線傳輸，系統(tǒng)響應(yīng)及時、準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)。

4.2 系統(tǒng)特性

該系統(tǒng)由全數(shù)字微機(jī)控制，使電動機(jī)能在其機(jī)械特性的四個象限內(nèi)運(yùn)行，并具用高度的安全可靠性，可對81種故障進(jìn)行保護(hù)，對54種狀態(tài)發(fā)出報警。

4.3 調(diào)速范圍

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍為1∶5，恒功率調(diào)速范圍為1∶2，總調(diào)速范圍為1∶10，啟閉速度為1.5～7.5m/min。

4.4 故障保護(hù)

主起升機(jī)構(gòu)電氣傳動系統(tǒng)具有下列故障檢測、診斷、保護(hù)功能：瞬時過電流、過電壓、瞬時斷電失壓、電動機(jī)過熱、超速、失速、缺相、接觸器觸點(diǎn)粘連、極限行程限位、主令控制器零位、超載等。

4.5 主起升電纜卷筒

主起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行時，通過PLC控制電纜卷筒協(xié)調(diào)工作。當(dāng)自動抓梁上升時，電纜卷筒電機(jī)通電，收電纜；當(dāng)自動抓梁下降時，電纜卷筒電機(jī)斷電，靠電纜的拉力克服卷筒的磁滯而放電纜。

5 結(jié) 語

電氣控制系統(tǒng)是門式起重機(jī)的大腦，負(fù)責(zé)指揮、控制、檢測門機(jī)各機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)；設(shè)計應(yīng)根據(jù)門機(jī)各運(yùn)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，圍繞提高系統(tǒng)安全、可靠這一原則開展。采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，能夠提高系統(tǒng)的大速比、起制動平滑和優(yōu)良的動靜態(tài)調(diào)速特性，大大減少機(jī)械沖擊，增加起重機(jī)的安全性和使用壽命。

[1] 陳堅.電力電子學(xué)——電力電子變換和控制技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2] 周志敏，周紀(jì)海,等.變頻電源實用技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2005.

[3] 廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4] 柴瑞娟，陳海霞.西門子PLC編程技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.