向家壩升船機(jī)輔助閘首工作門(mén)啟閉固卷自動(dòng)控制方法

趙政

摘 要：通過(guò)PLC和變頻器兩級(jí)控制系統(tǒng)，向家壩升船機(jī)輔助閘首工作門(mén)啟閉固卷實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)升降、準(zhǔn)確定位的功能。本文詳述了該設(shè)備的電氣組成及特點(diǎn)和基于PLC的電機(jī)位置控制方法，希望為相關(guān)領(lǐng)域人員提供自動(dòng)化控制案例參考。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制;位置控制;可編程邏輯控制器;變頻器

中圖分類號(hào)：U642? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）09-0056-02

為保證非恒定流條件下，向家壩升船機(jī)設(shè)備連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行，在升船機(jī)下游設(shè)置了輔助閘室及輔助閘首工作門(mén)等設(shè)備。升船機(jī)承船廂下游對(duì)接時(shí)，若下游水位波動(dòng)較大，則落下輔助閘首工作門(mén)，阻隔下游水域，保證輔助閘室內(nèi)水域水位穩(wěn)定，為承船廂下游順利對(duì)接創(chuàng)造有利條件;船廂解除下游對(duì)接后，提起輔助閘首工作，使輔助閘室與下游水域連通，通航船舶正常下行。

輔助閘首工作門(mén)起落通過(guò)一臺(tái)2×2500kN固定式卷?yè)P(yáng)機(jī)完成，后面簡(jiǎn)稱為啟閉固卷。啟閉固卷可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，自動(dòng)升降、準(zhǔn)確定位等功能。目前依然有大量啟閉設(shè)備通過(guò)人工操作來(lái)實(shí)現(xiàn)升降、定位功能，自動(dòng)化水平較低，希望通過(guò)詳述該設(shè)備自動(dòng)控制方法，為相關(guān)領(lǐng)域人員提供案例參考。

1 主要電氣設(shè)備

1.1 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

啟閉固卷由兩臺(tái)250 kW交流鼠籠異步電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)。兩臺(tái)電機(jī)通過(guò)剛性軸連接，兩臺(tái)西門(mén)子SINAMICS S120變頻器采用力矩均衡的方式運(yùn)行。該電動(dòng)機(jī)為起重專用變頻調(diào)速三相異步電機(jī)，能與國(guó)內(nèi)外各種變頻裝置配套構(gòu)成交流調(diào)速系統(tǒng)，具有較高的精度和動(dòng)態(tài)性能。低速度性能好，低頻時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的150%，轉(zhuǎn)矩平滑，無(wú)爬行現(xiàn)象。

SINAMICS S120變頻調(diào)速柜是西門(mén)子低壓高性能驅(qū)動(dòng)裝置，能滿足對(duì)動(dòng)態(tài)性能和轉(zhuǎn)速精度具有很高要求的應(yīng)用場(chǎng)合，還適合于頻繁進(jìn)行制動(dòng)能量較高的應(yīng)用和采用四象限操作方式的應(yīng)用場(chǎng)合。利用微處理器技術(shù)的全數(shù)字化開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制，配有IGBT功率元件SINAMICS變頻器具備32位的分辨率來(lái)調(diào)整變量（電壓，頻率），并在電壓仿真模型中有一個(gè)復(fù)雜的預(yù)控制矩陣。這使得快速電流控制器可以進(jìn)行最佳釋放，從而確保在 運(yùn)行時(shí)的較高轉(zhuǎn)矩質(zhì)量、準(zhǔn)確性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

1.2 可編程邏輯控制器

羅克韋爾1756-L73是一款高性能的PLC，使用更快速的新型雙核定制CPU，顯著縮短了控制器的掃描時(shí)間，可同時(shí)執(zhí)行多個(gè)控制任務(wù)，觸發(fā)多個(gè)周期任務(wù)。

啟閉固卷采用該P(yáng)LC冗余配置，雙機(jī)熱備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，邏輯控制及故障保護(hù)，具備完善的操作、控制、監(jiān)視及故障保護(hù)功能。主要實(shí)現(xiàn)功能有：電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的故障保護(hù)和不間斷運(yùn)行功能;驅(qū)動(dòng)電機(jī)和變頻裝置的監(jiān)視和保護(hù);制動(dòng)器相關(guān)設(shè)備的控制和監(jiān)視;電動(dòng)推桿設(shè)備的控制和監(jiān)視強(qiáng)制潤(rùn)滑設(shè)備的控制;集中潤(rùn)滑設(shè)備的控制;荷重檢測(cè)和監(jiān)視;水位檢測(cè)和監(jiān)視;行程檢測(cè)和監(jiān)視。該套PLC主要包括處理器模塊、I/O接口模塊、通訊模塊、輸出模塊。

1.3 通訊設(shè)備

PLC控制層通訊通過(guò)同軸電纜或光纖電纜以ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)形式完成，以生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式預(yù)定性信息，每個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的地址，占一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)同步，信息吞吐量大，速度快，網(wǎng)絡(luò)效率高，具有高速，高度確定和可重復(fù)性的網(wǎng)絡(luò)，特別適用于對(duì)時(shí)間苛刻要求的復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)合的信息傳輸，可滿足同一鏈路上I/O數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)互鎖、端到端報(bào)文傳輸和編程/組態(tài)等信息應(yīng)用的多樣要求。

PLC與變頻器之間通過(guò)第三方通訊轉(zhuǎn)換模塊采用Profibus DP通信方式實(shí)現(xiàn)“電力控制”與“傳動(dòng)控制”的通訊。第三方通訊模塊采用molex公司的SST-PB3-CPX，模塊在各端口間采取 1000 伏的電氣隔離，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健、可靠的網(wǎng)絡(luò)功能，對(duì)于電氣噪聲具有極高的抗擾度，每個(gè)模塊可以提供多達(dá)1984個(gè)輸入字節(jié)和1968個(gè)輸出字節(jié)，通過(guò)專用軟件進(jìn)行組態(tài)。

PLC與升船機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)光纖以高速工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通訊，該網(wǎng)絡(luò)具有自診斷功能，能實(shí)時(shí)在線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)。若檢測(cè)到壞幀，網(wǎng)絡(luò)給出故障指示的同時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到冗余的連接上，保持網(wǎng)絡(luò)通訊的暢通。PLC采集現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行信息，通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)上送給集中控制站并接收后者的命令，使輔助閘首設(shè)備平穩(wěn)地按遠(yuǎn)程指令運(yùn)行。通訊網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

2 自動(dòng)控制方法

2.1 控制方案

采用由1套雙機(jī)熱備可編程序控制器本地機(jī)架+2套傳動(dòng)控制器構(gòu)成的兩級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，兩級(jí)之間通過(guò)底層現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互連，其中，雙機(jī)熱備可編程序控制器承擔(dān)啟閉機(jī)的整體控制、電機(jī)位置控制，以及與升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制;傳動(dòng)控制器承擔(dān)起升電機(jī)速度、電流（力矩）二閉環(huán)控制，以及起升電機(jī)機(jī)械同軸傳動(dòng)的出力均衡協(xié)調(diào)控制。

2.2 電機(jī)速度、電流閉環(huán)控制

電機(jī)速度、電流的閉環(huán)控制通過(guò)SINAMICS S120變頻裝置采用矢量控制原理完成，控制原理如圖2所示。兩臺(tái)電機(jī)的同步控制采用機(jī)械同步出力均衡控制策略。

2.3? 電機(jī)位置控制

典型的PID反饋控制方式，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。PLC通過(guò)連續(xù)任務(wù)程序?qū)⒉杉降慕^對(duì)值編碼器數(shù)值與預(yù)期位置值進(jìn)行比較，得到位置差S差，在將位置差S差實(shí)時(shí)傳遞給PLC周期任務(wù)程序，周期任務(wù)按照一定公式計(jì)算得到速度值，傳遞給變頻器，變頻器根據(jù)速度值產(chǎn)生特定頻率的電壓和電流，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生位移進(jìn)而改變位置。

2.4? 位置控制實(shí)現(xiàn)方法

（1）建立全局變量S實(shí)際、S差分別用于存儲(chǔ)絕對(duì)值編碼器反饋值和實(shí)際值與位置預(yù)算值之間的差值。

（2）建立連續(xù)型的任務(wù)程序，連續(xù)不間斷的計(jì)算出位置差S差，S差=S預(yù)設(shè)-S實(shí)際。

（3）建立周期性任務(wù)程序，通過(guò)位置差計(jì)算出輸出速度V實(shí)，V實(shí)=（S差×t）0.5，其中t為時(shí)間系數(shù)，可以調(diào)節(jié)啟、停時(shí)的加速度大小。周期性任務(wù)程序周期設(shè)置越小，位置控制精度越高。

（4）V實(shí)不能超過(guò)額定速度值，當(dāng)大于額定速度時(shí)，由連續(xù)性程序任務(wù)處理為額定值輸出;當(dāng)小于等于額定速度時(shí)，直接輸出，通過(guò)SST通訊模塊發(fā)送給變頻器，進(jìn)而控制變頻器輸出，實(shí)現(xiàn)位置控制。

當(dāng)周期性任務(wù)程序周期設(shè)置為30ms，額定轉(zhuǎn)速為600rpm，不同時(shí)間系數(shù)t下，速度曲線如圖4-5所示。

3 結(jié)果與討論

基于上述自動(dòng)控制方法，向家壩升船機(jī)輔助閘首工作門(mén)啟閉固卷運(yùn)行狀態(tài)良好，位置控制精度可達(dá)到1mm，達(dá)到了預(yù)期效果，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定借鑒意義。

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