向家壩升船機(jī)單套驅(qū)動(dòng)裝置嚴(yán)重故障工況下應(yīng)急運(yùn)行技術(shù)研究

劉恒 劉羽

摘 要：向家壩升船機(jī)提升系統(tǒng)利用四套電氣驅(qū)動(dòng)裝置，采用同步軸剛性連接的方式驅(qū)動(dòng)承船廂上下運(yùn)行。升船機(jī)在執(zhí)行船廂上下運(yùn)行過程中，若發(fā)生單套驅(qū)動(dòng)裝置損壞情況，將觸發(fā)升船機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行緊急故障停機(jī)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障若經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障或者電氣傳動(dòng)裝置相關(guān)故障，檢修恢復(fù)周期長，導(dǎo)致船舶滯留承船廂內(nèi)無法進(jìn)出，造成不良社會影響。為徹底解決因單套驅(qū)動(dòng)裝置故障造成的船舶滯留情況，特研究在三套電氣驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行工況下的緊急運(yùn)行方案，徹底解決該類故障引起的船只滯留承船廂的故障。

關(guān)鍵詞：升船機(jī);驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);單套驅(qū)動(dòng)故障

中圖分類號：U642? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）10-0141-02

向家壩升船機(jī)作為金沙江航道重要的航運(yùn)設(shè)施，其安全運(yùn)行要求尤其重要。由于向家壩升船機(jī)采用全平衡齒輪爬升螺母柱保安式結(jié)構(gòu)，若發(fā)生單套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障，將引起升船機(jī)緊急停機(jī)。為避免過機(jī)船舶滯留升船機(jī)承船廂內(nèi)，特對該類故障進(jìn)行深度技術(shù)分析，并提出具有可行性的技術(shù)方案。

1 向家壩升船機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析

1.1 向家壩升船機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前，向家壩升船機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為升船機(jī)的提升驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)，在傳動(dòng)控制站控制下，四套“變頻傳動(dòng)裝置+電機(jī)”分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)小齒輪，通過爬升齒條提升承船廂。電氣傳動(dòng)系統(tǒng)為四電機(jī)（機(jī)械軸同步）出力均衡交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，傳動(dòng)控制站將根據(jù)接收到的諸如上行、下行命令以及上/下行目標(biāo)位、運(yùn)行速度、船廂水位、給定上升/下降時(shí)間、承船廂的實(shí)際位置等初始狀態(tài)信息，按照運(yùn)行時(shí)序通過現(xiàn)場總線控制電氣傳動(dòng)裝置以及各個(gè)輔機(jī)按照既定時(shí)序運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)升船機(jī)的正常運(yùn)行功能，同時(shí)各傳動(dòng)設(shè)備將其運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)傳遞給傳動(dòng)控制站。

向家壩升船機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用傳動(dòng)控制站通過升船機(jī)主干冗余雙環(huán)網(wǎng)與上位機(jī)和其它控制子站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，變頻調(diào)速柜與傳動(dòng)控制站PLC之間通過PROFIBUS? DP現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)通訊，主要通信內(nèi)容是傳動(dòng)控制站的控制指令、參數(shù)，同時(shí)返回驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及故障報(bào)警信息，通過網(wǎng)絡(luò)讀取外圍 I/O 信號給變頻調(diào)速柜等。

四套變頻調(diào)速柜之間通過 PROFINET 進(jìn)行通訊，每套變頻器連接到 SCALANCE X202-2P IRT上轉(zhuǎn)換為光纖信號和其他驅(qū)動(dòng)點(diǎn)通訊，實(shí)現(xiàn)四套電氣傳動(dòng)裝置之間無擾主從切換控制和力矩均衡控制等。傳動(dòng)控制站與驅(qū)動(dòng)提升系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓補(bǔ)示意圖如下圖所示。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)處理單套驅(qū)動(dòng)故障方式分析

在升船機(jī)運(yùn)行過程中，當(dāng)四套傳動(dòng)裝置中有任意 1 套損壞（或 1 臺電機(jī)損壞），由同步軸傳力驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，其負(fù)載被正常運(yùn)行的傳動(dòng)裝置平均負(fù)擔(dān)，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出正常停機(jī)命令，其余 3 套傳動(dòng)裝置只需要能夠不間斷繼續(xù)驅(qū)動(dòng)承船廂完成當(dāng)次正常停止運(yùn)行即可，所以電氣傳動(dòng)系統(tǒng)采用的是 4 套傳動(dòng)裝置對等結(jié)構(gòu)，僅在 1 號傳動(dòng)裝置 SIMOTION D445 中運(yùn)行時(shí)序控制、速度給定控制、速度斜坡控制、位置給定曲線控制、位置跟隨控制、對位控制、位置糾正控制以及系統(tǒng)全局故障處理等全局控制程序，當(dāng) 1-4 號傳動(dòng)裝置任何 1 套因故障退出運(yùn)行時(shí)，其它 3 套正常運(yùn)行的傳動(dòng)裝置接收到退出運(yùn)行傳動(dòng)裝置的退出運(yùn)行故障信號，其它 3 套正常運(yùn)行的傳動(dòng)裝置直接進(jìn)入正常停止運(yùn)行流程并自動(dòng)地重新在 3 套正常的傳動(dòng)裝置中合理分配運(yùn)行負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)正常停止運(yùn)行流程過程中的出力均衡。若 1 號傳動(dòng)裝置出現(xiàn)因故障退出運(yùn)行時(shí)，則系統(tǒng)全局控制程序失效，比如：位置跟蹤控制、對位控制以及位置糾正等主要功能無法正常運(yùn)行，無法實(shí)現(xiàn) 3 套傳動(dòng)裝置仍能不間斷繼續(xù)驅(qū)動(dòng)承船廂完成當(dāng)次運(yùn)行并完成手動(dòng)對接的要求。

2單套驅(qū)動(dòng)裝置故障情況下應(yīng)急運(yùn)行技術(shù)改造方案

在傳動(dòng)控制站與傳動(dòng)裝置之間增加一套驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)控制柜，通過兩個(gè)互為冗余的控制器SIMOTION D445來協(xié)調(diào)升船機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)序控制、速度給定控制、速度斜坡控制、位置給定曲線控制、位置跟隨控制、對位控制、位置糾正控制以及系統(tǒng)全局故障處理等。

驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)控制站與四套變頻調(diào)速柜之間均通過 PROFINET 環(huán)網(wǎng)進(jìn)行通訊。驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)控制站與傳動(dòng)控制站之間采用現(xiàn)場總線PROFIBUS? DP實(shí)現(xiàn)通訊，雙通道的DP通訊互為備用，當(dāng)一條通訊鏈路故障時(shí)，不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)控制柜接受從傳動(dòng)控制站傳來的控制命令，并將變頻器和電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息通過通訊的方式傳給傳動(dòng)控制站PLC，重要的控制命令請求除了網(wǎng)絡(luò)通訊方式收發(fā)外，還應(yīng)增加硬線通信，主要信號包括制動(dòng)器的上閘松閘信號、系統(tǒng)正常停機(jī)命令、快速停機(jī)命令、緊急停機(jī)、緊急停機(jī)復(fù)位、上下游準(zhǔn)確對位信號等，如圖2所示。

根據(jù)升船機(jī)船廂運(yùn)行行程，將船廂運(yùn)行速度、加速度、上/下游目標(biāo)位置、船廂水深、船廂位置標(biāo)定值等關(guān)鍵控制輸入信號引入驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)控制站控制器中，在驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)控制站中創(chuàng)建“虛擬主驅(qū)動(dòng)點(diǎn)速度給定模塊”和“虛擬主驅(qū)動(dòng)點(diǎn)位置給定曲線模塊”構(gòu)成的虛擬主驅(qū)動(dòng)點(diǎn)模型，獲得虛擬主驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的速度給定、位置給定曲線以及加速度給定等參考信號，以此構(gòu)成向家壩升船機(jī)“機(jī)械同步+力矩均衡”電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。四個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)傳動(dòng)裝置同時(shí)從驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)控制站的虛擬主驅(qū)動(dòng)點(diǎn)獲得速度給定、位置給定曲線、加速度給定等信號，驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)控制站數(shù)據(jù)采用等時(shí)廣播方式有效發(fā)送給各傳動(dòng)裝置。

主驅(qū)動(dòng)點(diǎn)傳動(dòng)裝置和從驅(qū)動(dòng)點(diǎn)傳動(dòng)裝置均工作在速度閉環(huán)的模式下，主驅(qū)動(dòng)點(diǎn)傳動(dòng)裝置始終跟隨驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)控制站發(fā)送的速度給定命令，從驅(qū)動(dòng)點(diǎn)傳動(dòng)裝置的速度給定由驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)控制站發(fā)送的速度給定命令以及速度補(bǔ)償給定（速度補(bǔ)償給定是主驅(qū)動(dòng)點(diǎn)傳動(dòng)裝置的實(shí)際力矩信號和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)傳動(dòng)裝置的實(shí)際力矩信號偏差經(jīng)調(diào)節(jié)后的輸出值）來決定，使相應(yīng)從驅(qū)動(dòng)點(diǎn)傳動(dòng)裝置的速度作補(bǔ)償性調(diào)整，控制船廂安全、平穩(wěn)運(yùn)行。

3 結(jié)論

新增協(xié)調(diào)控制柜能夠彌補(bǔ)向家壩升船機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)功能上的欠缺，為向家壩升船機(jī)的穩(wěn)定、高效、安全運(yùn)行提供進(jìn)一步的保障。單套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障僅僅是造成船舶滯留承船廂的一種故障，只有繼續(xù)研究總結(jié)，通過切實(shí)可行的技術(shù)研究和現(xiàn)場改造，才能徹底避免船只滯留承船廂事件發(fā)生。

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