先進電氣控制技術(shù)在錦屏一級水電站400 t+400 t橋機中的運用

辜 建 儒，　蔣 從 軍

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都　610081)

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先進電氣控制技術(shù)在錦屏一級水電站400 t+400 t橋機中的運用

辜 建 儒，蔣 從 軍

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610081)

摘要：介紹了錦屏一級水電站400 t+400 t橋機控制系統(tǒng)的配置結(jié)構(gòu)、工作原理及技術(shù)特點，以及Profibus-DP、MPI等通訊在橋機中的應用。

關(guān)鍵詞：Profibus-DP；MPI；變頻器；PLC；ET200(分布式I/O)；錦屏一級水電站

1概述

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，水電站橋機已經(jīng)廣泛應用了PLC、變頻傳動等工業(yè)自動化技術(shù)，PLC+變頻調(diào)速逐漸成為起重機的主流電控系統(tǒng)方案。如何最大限度地發(fā)揮和利用工業(yè)自動化技術(shù)的先進性能，滿足橋機的工藝要求，降低故障率，提高維護效率亦成為電控系統(tǒng)的主要目標。伴隨著計算機技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展，為先進電氣控制技術(shù)在電站橋機的成功應用提供了可靠的支持平臺。

筆者以錦屏一級水電站2臺400 t+400 t橋機為例，介紹了利用PLC及Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)、MPI通訊、變頻控制技術(shù)構(gòu)成先進電控系統(tǒng)在橋機中的應用。

2系統(tǒng)情況

錦屏一級水電站主廠房設有2臺(400 t+400 t/160 t)雙小車橋式起重機，主要用于發(fā)電機組等設備的安裝、檢修。最大載荷為吊水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子(水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子和平衡梁總重1 400 t)，需要2臺橋機中的4套獨立的起升機構(gòu)共同抬吊完成。在起吊過程中要求平衡梁保持水平。2臺橋機抬吊作業(yè)時可以任意指定主機、從機，在主機上實現(xiàn)機構(gòu)的單獨或聯(lián)動操作。

每臺橋機由起升機構(gòu)、大車行走機構(gòu)、小車行走機構(gòu)等部分組成，其中起升機構(gòu)通過手動換擋機構(gòu)實現(xiàn)高速輕載160 t或低速重載400 t的切換。電氣控制系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、各機構(gòu)傳動調(diào)速裝置、消息管理裝置組成。每臺橋機有1套西門子公司生產(chǎn)的S7-300系列PLC、1臺PC577觸摸式面板工控機、6臺西門子公司生產(chǎn)的6SE70系列交流變頻器、3套ET200(分布式I/O)。PLC通過Profibus-DP現(xiàn)場總線連。

聯(lián)接各變頻器、ET200和工控機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和檢測，完成對各機構(gòu)變頻器的控制。2臺橋機并機抬吊作業(yè)時，通過MPI通信實現(xiàn)2臺橋機之間的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)配置情況見圖1。

橋機各起升機構(gòu)吊點的上、下極限均設置了雙重保護。一套是起升機構(gòu)卷筒上安裝的進口絕對值編碼器，實時檢測起升機構(gòu)高度對應的脈沖數(shù)送入可編程控制器，PLC程序按一定的比例關(guān)系處理運算后，實際高度值送觸摸屏顯示；另一套為機械式上、下極限限位開關(guān)，當?shù)蹉^運行到上、下極限時，自動停止起升機構(gòu)的升降。各起升機構(gòu)還設置有重錘式限位開關(guān)以防止起升時吊具沖頂。橋機各起升機構(gòu)荷重檢測裝置采用進口產(chǎn)品，通過荷重變送器輸出4～20 mA電流信號送入PLC，經(jīng)PLC內(nèi)部運算處理后，通過內(nèi)部設置的接點作為起升機構(gòu)負荷保護。當起吊重量為90%額定負荷時，荷重預報警；當荷重達到110%額定負荷時，起升機構(gòu)因過載而停止起升，此時下降控制不受影響，重物可以下降。

采用了先進控制技術(shù)的電控系統(tǒng)具有三大特點：控制系統(tǒng)的信息交換全部采用工業(yè)現(xiàn)場總線通信；配備工業(yè)工控計算機實現(xiàn)信息集中管理，方便維護運行；應用傳動均衡控制技術(shù)實現(xiàn)多點同步提升和糾偏功能。

3控制系統(tǒng)

圖1　系統(tǒng)配置圖

控制系統(tǒng)的主要功能是負責電控系統(tǒng)的信息交換和處理，保障設備技術(shù)性能以滿足其使用運行要求。它包括電源控制、安全保護、PLC通信控制、照明及輔助設備控制。工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)按照公開通信協(xié)議，在控制設備之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，形成各種符合生產(chǎn)現(xiàn)場的自動化控制系統(tǒng)。Profibus-DP現(xiàn)場總線是目前國際上通用的標準現(xiàn)場總線之一，它以其獨特的技術(shù)特點、嚴格的認證規(guī)范、開放的標準而得到眾多廠商的支持，成為最重要的現(xiàn)場總線標準之一。Profibus-DP現(xiàn)場總線傳輸速率最高可以達到12 Mb/s，最多可以掛126個從站。該橋機采用Profibus-DP總線通信控制；系統(tǒng)絕大多數(shù)的控制指令和數(shù)據(jù)采集都通過通信實現(xiàn)，從而提高了系統(tǒng)的實時性；系統(tǒng)的給定指令從以前常用的繼電器分段給定或模擬量給定模式變成PLC程序中直接數(shù)據(jù)讀寫，使數(shù)據(jù)的精度和準確度得到了很大程度地提高，更加提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。

MPI協(xié)議是基于SIEMENS內(nèi)部標準的一種令牌網(wǎng)絡通訊協(xié)議，通訊速率為187.5 kb/s。SIEMENS PLC內(nèi)置MPI接口，通過全局數(shù)據(jù)(GD)通信服務，在聯(lián)網(wǎng)的CPU之間進行周期性數(shù)據(jù)傳遞。MPI通信是西門子PLC的一個經(jīng)濟有效的網(wǎng)絡通信解決方案。MPI通訊方式主要有全局數(shù)據(jù)包通訊方式、無組態(tài)連接通訊方式、組態(tài)連接通訊方式等3種。該橋機控制系統(tǒng)在并車抬吊時采用MPI通訊連接。

該橋機控制系統(tǒng)選用SIEMENS公司生產(chǎn)的S7-300可編程控制器，組成分布式I/O機構(gòu)。其網(wǎng)絡上的主要設備包括：CPU315-2DP主站、各ET200從站、各機構(gòu)變頻傳動裝置等。CPU315-2DP主站是控制系統(tǒng)的核心，負責電控設備的控制指揮以及進入PLC內(nèi)的數(shù)據(jù)運算、處理等工作，接受和執(zhí)行用戶程序，是整個系統(tǒng)的中樞。CPU315-2DP主站裝設于橋機司機室照明箱內(nèi)，主要由電源模塊、帶DP通訊口的CPU模塊、通訊處理器模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊組成。

ET200作為I/O從站分布式共三個，分別為小車一ET200、小車二ET200、主梁電氣室ET200，主要負責收集輸入、輸出信號等工作。ET200從站主要由電源模塊、通訊模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、位置模塊、模擬量輸入模塊等組成，并通過通訊模塊連接到Profibus-DP網(wǎng)絡上。由于在兩個小車上設置了ET200，通過專用通信線與CPU相連，分布式I/O數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)通過通訊線傳送至CPU，從而減少了電纜的長距離連接，使小車滑車上的電纜數(shù)量大大減少。

各機構(gòu)的操作控制由司機室聯(lián)動臺上主令手柄和旋鈕開關(guān)給定，信號送入PLC。PLC在接受到聯(lián)動臺的給定、經(jīng)程序處理后將轉(zhuǎn)換為對傳動裝置和外圍設備的控制命令，改變主令手柄的檔位即可改變變頻器的輸出頻率，改變各機構(gòu)運行速度。

4傳動調(diào)速裝置

該橋機各機構(gòu)傳動采用西門子公司生產(chǎn)的6SE70系列變頻器，其特點是性能可靠、功能強大而靈活、結(jié)構(gòu)緊湊。裝置本身帶有自整定功能和參數(shù)設定單元，不需要其他的任何附加設備即可以完成參數(shù)的設定。所有的控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)視、制動器控制及附加功能均由微處理器實現(xiàn)。該系統(tǒng)具有零速滿轉(zhuǎn)矩功能，在裝置啟動建立轉(zhuǎn)矩后，PLC接到裝置輸出制動器打開命令后，機械制動器打開，傳動電機按預先設定的加速度運行至給定速度。變頻裝置通過交流-直流-交流控制變頻電機實現(xiàn)速度控制及轉(zhuǎn)矩控制，其特點是啟停平穩(wěn)，減少電氣及機械沖擊，速度的平滑性非常好。所有傳動裝置均通過CBP通信板實現(xiàn)與PLC控制網(wǎng)絡連接，與PLC、各分布I/O子站、工控機一起構(gòu)成整個橋機的Profibus網(wǎng)絡系統(tǒng)。通過CBP板對變頻器的過程數(shù)據(jù)“控制字、狀態(tài)字、設定值、實際值”進行讀、寫。PLC適時讀取裝置狀態(tài)字、電流、電壓等，以達到監(jiān)控的目的。變頻器外接制動斬波電阻，下降過程中或停車時通過制動電阻消耗重物勢能，實現(xiàn)恒定的速度下降。

起升機構(gòu)采用閉環(huán)、矢量控制，提高了速度的穩(wěn)定性，增加了轉(zhuǎn)矩的硬特性。在每臺電機高速軸上設有工作制動器和安全制動器。當出現(xiàn)起升機構(gòu)超速飛車等故障時，兩臺制動器均瞬時閉合上閘。制動器的動作由調(diào)速裝置和PLC雙重邏輯控制，從而防止了輕載上升和重載溜鉤，提高了吊裝作業(yè)的準確性和安全性。

多點同步提升和糾偏技術(shù)的應用，成功地解決了錦屏一級水電站400 t+400 t橋機使用上的一項難題。錦屏一級水電站廠房有2臺(400 t+400 t)橋機，每臺橋機有2個單獨的起升機構(gòu)，當用2臺橋機并車抬吊時，共有4個起升機構(gòu)共同參與，這就需要保證它們之間的提升同步和力矩平衡。我們應用6SE70變頻器的內(nèi)置主從功能塊并配合提升高度的偏差糾正控制成功實現(xiàn)了提升同步和力矩平衡，該技術(shù)的運用，使得四起升機構(gòu)力矩相對偏差小于5%，提升的同步差小于1 cm。這項技術(shù)不僅可以應用于起升機構(gòu)，還可以應用于大車機構(gòu)，實現(xiàn)大車兩側(cè)電機的同步、均衡控制，從而有效地保證了大車機構(gòu)的無沖擊平穩(wěn)運行。

5工控機與信息管理

觸摸式面板工控機作為人機對話界面，主要承擔維護、調(diào)試人員對電控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢測、程序調(diào)試、故障診斷功能，通過工控機上預裝的軟件，工程師能夠訪問PLC、變頻器，實現(xiàn)在線監(jiān)測，實時修改數(shù)據(jù)、參數(shù)、程序，從而大大提高了維護、調(diào)試的方便性。它還可以顯示橋機的運行參數(shù)，便于操作人員隨時了解設備狀態(tài)、故障信息、橋機的正常運行信息。

在工控機上安裝有DriveMonitor, DriveMonitor，它是實現(xiàn)對西門子傳動設備現(xiàn)場調(diào)試的一個工具軟件，可以進行參數(shù)設定、故障分析和跟蹤記錄等。這樣實施在工控機上可以直接訪問各變頻器、在線監(jiān)測等(圖2)。

工控機上裝有S7-300 PLC的編程軟件STEP7-V5.4，STEP7對自動化工程各方面具有友好的用戶功能：硬件的配置和參數(shù)設置、通信的定義、編程、測試-啟動-維護、文件-建檔、操作/診斷功能，所有功能均有大量的在線幫助，其主要功能塊、數(shù)據(jù)塊如圖3所示。

工控機還可以完成一些功能設置，如荷重設置、糾偏投入/切除等，用于顯示橋機起升機構(gòu)的起吊重量、起升高度、各機構(gòu)運行速度、位置、各機構(gòu)傳動裝置狀態(tài)、故障指示、當前報警信息、歷史故障信息等的顯示和記錄，各機構(gòu)傳動裝置的輸出電流和直流母線電壓等對于一般故障，橋機操作人員根據(jù)工控機的顯示內(nèi)容做相應的操作即可使設備恢復正常運行。若操作人員無法解決故障時，維護人員可以根據(jù)工控機的提示快速查找相應的故障源，修復或更換相應的元件，使設備恢復正常運行。

荷重、高度監(jiān)測、顯示的標定工作在觸摸屏上完成設置，通過空載和帶一定已知載荷時傳感器的不同輸入，PLC程序自動計算各荷重的線性關(guān)系，此線性值由特定的存儲器保存。此功能操作簡單，易實現(xiàn)荷重標定，從而避免了以往解決儀表故障時的麻煩。

圖2　DriveMonitor在線監(jiān)測示意圖

圖3　主要功能塊和數(shù)據(jù)塊示意圖

錦屏一級水電站橋機設置有工控機，利用Wincc軟件實現(xiàn)了信息報表，統(tǒng)計故障信息和操作信息，既有歷史數(shù)據(jù)，也有實時信息，作為一款監(jiān)控組態(tài)軟件，WinCC 針對需求提供了強大的報表組態(tài)功能，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)輸出。WinCC 的過程歸檔功能提供了強大的數(shù)據(jù)處理能力，可以在歸檔管理中靈活的控制歸檔，幾乎可以定義所有需要的數(shù)據(jù)統(tǒng)計種類。

(1)周期的記錄。

(2)非周期的動作觸發(fā)。

(3)動作觸發(fā)的周期記錄。

對于過程歸檔數(shù)據(jù)的訪問，可以使用WinCC 的在線表格控件、WinCC 報表編輯器中自帶的打印控件，同時，也可以使用Connectivity Pack 選件腳本讀出數(shù)據(jù)。用戶歸檔編輯器可以在服務器 PC連續(xù)的保存來自技術(shù)過程的數(shù)據(jù)。在圖形編輯器中，可以組態(tài) WinCC 用戶歸檔表格元素來以表格形式顯示運行系統(tǒng)中用戶歸檔的在線數(shù)。利用WinCC 的選件DataMonitor 實現(xiàn)使用EXCEL、連接WinCC 的歸檔數(shù)據(jù)，主要是結(jié)合WinCC 的存儲功能和EXCEL強大的數(shù)據(jù)處理功能來滿足報表需求。

6結(jié)語

該橋機采用先進的控制系統(tǒng)，具有完善的安

全保護裝置和故障自診斷能力，能以圖文及中文文字形象地顯示各種參數(shù)，便于實時監(jiān)控橋機運行狀態(tài)。設計上，不但在滿足合同文件、標準和規(guī)范的條件下，還采用了成熟的先進技術(shù)實現(xiàn)創(chuàng)新，使設備在性能可靠、操作簡便、維修方便的前提下具有較高的綜合性能，也使得水電站橋機在電氣控制方面具備了更高的技術(shù)水平。

辜建儒(1971-)，男，四川仁壽人，工程師，從事起重機械電氣設計工作；

蔣從軍(1964-)，男，重慶市人，高級工程師 ，學士，從事生產(chǎn)技術(shù)與管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-10-20

文章編號:1001-2184(2015)06-0048-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7;TV53+2;TV53+8.4;TP29

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