三峽升船機(jī)傳動控制系統(tǒng)電氣行程同步性能測試

李彬，譚明波，翁晨雷

（1．武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所 430064； 2.西門子（中國）有限公司，上海 200120）

0 引言

三峽升船機(jī)承船廂的有效尺寸是 120×18×3.5 m，總質(zhì)量11800 t，可以提升的船舶 噸位3000 t，最大提升高度113 m，目前是全世界規(guī)模最大、難度最高的升船機(jī)。

三峽升船機(jī)傳動控制系統(tǒng)采用了冗余的可編程控制器進(jìn)行控制，可編程控制器因其可靠性高、功能完善、實(shí)用性強(qiáng)、編程容易、易于擴(kuò)展、維修方便等特點(diǎn)而成為現(xiàn)代工業(yè)實(shí)現(xiàn)自動化的核心設(shè)備，在工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域獲得了極為廣泛的應(yīng)用[1]。

船廂驅(qū)動系統(tǒng)由四組驅(qū)動單元和八臺變頻調(diào)速裝置及對應(yīng)的電機(jī)組成。四個(gè)驅(qū)動單元通過機(jī)械軸剛性連接（機(jī)械同步軸系統(tǒng)）。在正常運(yùn)行情況下（四臺驅(qū)動單元同時(shí)運(yùn)行），同步軸上沒有轉(zhuǎn)矩的傳遞。同步軸上安裝的轉(zhuǎn)矩測量軸實(shí)現(xiàn)對機(jī)械同步軸上的轉(zhuǎn)矩檢測。當(dāng)驅(qū)動單元或傳動裝置出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)械同步軸將對船廂的穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)節(jié)，以維持其同步性。

船廂驅(qū)動控制系統(tǒng)采用電氣同步控制技術(shù)，8套傳變頻調(diào)速裝置各自接受由D445發(fā)送的、統(tǒng)一的速度給定信號進(jìn)行行程同步控制，使4個(gè)驅(qū)動點(diǎn)的高程一致（行程高差≤±2 mm）。

2 傳動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為了滿足電氣行程同步的控制要求，傳動控制系統(tǒng)設(shè)置了2個(gè)PROFIBUS SCANNER模塊構(gòu)成冗余，經(jīng)Profibus DP網(wǎng)絡(luò)分別對2個(gè)D445-2進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，再由這兩個(gè)D445-2作為2級主站分別與傳動區(qū)的8個(gè)D445通過PROFINET通訊，8個(gè)SCALANCE通過光纖連接形成環(huán)網(wǎng).

在此結(jié)構(gòu)下，2個(gè)互備的D445-2控制器起到了承上啟下的作用，向上接收PLC的指令，并將指令通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)等時(shí)發(fā)送到8個(gè)傳動控制站，以確?？刂频膶?shí)時(shí)性和精確性。

SIMOTION D435工藝板采用多任務(wù)快速掃描方式，中斷處理功能，事件處理功能，能根據(jù)任務(wù)的不同實(shí)時(shí)性控制要求，采用相應(yīng)的不同的掃描周期，以保證系統(tǒng)的快速響應(yīng)[2]。

3 同步性能測試方法及結(jié)果

圖1 測試平臺一網(wǎng)絡(luò)組態(tài)示意圖

試驗(yàn)首先采用西門子的FM350計(jì)數(shù)器模塊對系統(tǒng)同步性進(jìn)行測試，F(xiàn)M350計(jì)數(shù)器模塊安裝在ET200遠(yuǎn)程機(jī)架上，通過DP電纜和CPU處理器進(jìn)行通訊，主要用到的硬件設(shè)備包括：CPU模塊416-2DP、通訊模塊CP443-1、計(jì)數(shù)器模塊FM350、ET200接口模塊IM153-1、主機(jī)架背板等。將測試平臺硬件進(jìn)行組態(tài)，如圖1所示：CPU通過DP電纜和IM153從4塊FM350上采集數(shù)據(jù),這4塊FM350分別連接1、2和3、4的編碼器。DP電纜長度為2 M，通訊速率為12 Mbp。

對計(jì)數(shù)器模塊FM350的設(shè)置如圖2。CPU的程序掃描周期設(shè)為3 ms。測試平臺硬件組態(tài)和設(shè)置完成后，通過觸摸屏操作面板發(fā)出啟動命令，以992 rpm運(yùn)行120 M全行程（上行/下行），船廂到位自動停止。用400CPU+IM153+FM350來采集1、2、3、4號傳動點(diǎn)的脈沖數(shù)，每隔20 s記錄一次，編碼器轉(zhuǎn)動一周產(chǎn)生2048個(gè)脈沖。同一時(shí)刻四個(gè)傳動點(diǎn)脈沖編碼器產(chǎn)生的脈沖數(shù)進(jìn)行兩兩相減，所得差值用來檢測該時(shí)刻四個(gè)傳動點(diǎn)運(yùn)行的同步性能。將測試的數(shù)據(jù)以曲線表示如圖3。其中橫向軸為時(shí)間軸，表示系統(tǒng)運(yùn)行全過程所需的時(shí)間，縱向軸表示任意兩個(gè)傳動點(diǎn)脈沖數(shù)的差值，由圖可見，運(yùn)行過程中最大脈沖數(shù)相差不超過160個(gè)脈沖，即最大誤差小于30°（2048脈沖數(shù)對應(yīng)360°）。

圖2 計(jì)數(shù)器模塊參數(shù)設(shè)置示意圖

為了確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，我們又采用了西門子的FM450計(jì)數(shù)器模塊對該系統(tǒng)的同步性能進(jìn)行重新測試，由于FM450計(jì)數(shù)器模塊直接安裝在S7400的主機(jī)架背板上，每個(gè)FM450模塊可以采集兩個(gè)脈沖編碼器的脈沖信號。所以不再需要ET200遠(yuǎn)程機(jī)架，將測試平臺硬件進(jìn)行重新組態(tài)，組態(tài)方法和平臺一的方式類似。 2塊FM450-1,分別連接1、2和3、4的編碼器。

組態(tài)完成后對計(jì)數(shù)器模塊FM450-1進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

CPU的程序掃描周期為3 ms。

測試平臺硬件組態(tài)和設(shè)置完成后，采取和第一種測試方案相同的步驟運(yùn)行系統(tǒng)，記錄四個(gè)傳動點(diǎn)之間的脈沖差值，將測試的數(shù)據(jù)以曲線表示。

由圖4可見，系統(tǒng)運(yùn)行全過程最大脈沖數(shù)相差不超過200，即最大誤差小于36°（2048脈沖數(shù)對應(yīng)360°）。

4 測試結(jié)論

在試驗(yàn)測試過程中采取2種不同計(jì)數(shù)模塊分別對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，根據(jù)三峽升船機(jī)對電氣行程同步控制方案的性能要求，電氣行程同步控制方案工作時(shí)，四個(gè)驅(qū)動點(diǎn)之間的行程偏差不大于2 mm。減速齒輪箱的總傳動比為263，最后折算到驅(qū)動電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)角約為50°。

綜合上述兩種測試平臺所測數(shù)據(jù)可得，電氣行程同步控制方案以兩個(gè)D445作為程序主站，帶動其他傳動點(diǎn)運(yùn)行的控制方式是可以滿足行程偏差小于2 mm的誤差要求（相差50°）。

[1]李鳳閣,佟為明編著.電氣控制與可編程控制技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[2]李方圓等 編著.零起點(diǎn)學(xué)西門子變頻器應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.