基于冗余PLC的變頻調速啟閉機電氣控制系統(tǒng)在千島湖配水工程中的應用

岳偉強，趙志惠，葉 青

（浙江華東機電工程有限公司，浙江 杭州 311122）

1 設備組成和主要技術參數(shù)

千島湖配水工程林山水閘1×8 000 kN固定卷揚式啟閉機，用于啟閉羊巖塢水閘1扇事故檢修閘門。啟閉機主要由電動機、制動器、減速器、卷筒裝置、鋼絲繩、滑輪組、機架、電控設備以及必要的附屬設備組成。本機為單吊點，由1套卷揚系統(tǒng)組成，1臺型號為YZP450L2-10 S3 40%355 kW的變頻電機驅動。電機和減速機間的高速軸上設有1套工作制動器，在起升卷筒的盤邊上設置1套安全制動器。啟閉機主要參數(shù)見表1。

2 啟閉機電控系統(tǒng)概述

電控系統(tǒng)主要由配電回路、變頻調速裝置、PLC回路、荷重開度綜合儀等安全保護裝置組成。系統(tǒng)采用觸摸屏+傳統(tǒng)繼電器邏輯控制+冗余PLC（可編程控制器）+變頻調速的整機控制方案。觸摸屏用于監(jiān)視本機設備I/O狀態(tài)和數(shù)據(jù)顯示，設備故障時方便查找原因；PLC為整機的邏輯控制中心，協(xié)調各機構的運行并將系統(tǒng)運行情況傳輸?shù)奖O(jiān)控中心；當遇到PLC故障時，切換到“現(xiàn)地手動”位置通過柜門上的控制按鈕，仍可以對閘門進行操作，最大限度地保證設備在緊急情況下也能運行。操作分為現(xiàn)地手動、現(xiàn)地自動和遠程3種模式，以滿足不同工況的操作需要。

3 啟閉機變頻控制驅動系統(tǒng)

3.1 變頻調速系統(tǒng)的選型及特點

由機械設計參數(shù)可知啟閉機的啟閉速度為0.2～4.0 m/min，總調速范圍為1:20，重載時調速范圍為1:10，此時電動機為恒轉矩輸出；輕載時調速范圍達到1:20，50～100 Hz范圍內電動機處于恒功率輸出狀態(tài)，實現(xiàn)輕載快速升降，縮短閘門啟閉時間，提高工作效率。調速范圍的變化由PLC根據(jù)載荷限制器及閘門的開度值邏輯判斷后自動控制和切換。

變頻器選用ABB公司新一代全數(shù)字ACS880系列產(chǎn)品，型號為ACS880-01-430A-3，內置提升機應用程序（N5050），閉環(huán)矢量控制。該系統(tǒng)安全可靠，能在電動機機械特性的4個象限運行，具有完備故障自診斷和保護功能，變頻器控制原理見圖1。

圖1 變頻器控制原理圖

啟閉機起升機構負載為典型的位能負載，變頻控制系統(tǒng)的主要特點：

（1）變頻器U200與PLC之間通過外部IO進行信息的發(fā)送和反饋，安全可靠，控制面板菜單集成全中文信息顯示，大大降低運維難度。

（2）采用矢量控制方式，調速范圍大，同時可實現(xiàn)電機低轉速高轉矩輸出。

（3）借助電動機上軸套式增量型編碼器的閉環(huán)控制，不僅提高系統(tǒng)的動態(tài)響應性，更重要的是保證起升機構的安全運行。

（4）變頻器功能齊全，并內置電動機參數(shù)自適應功能，有靜態(tài)和動態(tài)辨識可供選擇，通過辨識可建立相應電機參數(shù)模型，控制更加精準。

（5）內置N5050提升程序專為起重機械的起升機構設計開發(fā)，內置制動器控制邏輯，只有檢測到電機轉矩達到預設值時才松開制動器，避免松開閘門的瞬間閘門失控下滑，杜絕溜鉤現(xiàn)象發(fā)生。

3.2 變頻調速系統(tǒng)的調試經(jīng)驗

各電氣回路檢查無誤后，接通變頻器主電源開始參數(shù)調試，按照起重機控制程序（選件+N5050）固件手冊依次設置99組電機參數(shù)、10組標準DI/DO、20組啟動/停止/方向、22組速度給定選擇、23組速度給定斜坡、30組限值、31組故障功能、43組制動斬波器、44組機械抱閘控制，90組、91組、92組參數(shù)，以上參數(shù)設置無誤后已滿足閉環(huán)控制條件，此時可通過變頻器控制面板或柜面啟停按扭驅動起升卷筒正反向運行，如有異常根據(jù)面板上顯示的故障代碼在產(chǎn)品手冊上查找相應的解決方案。通過多年的調試經(jīng)驗，以下3點故障現(xiàn)象比較常見：

（1）遇到電機運行時轉速不穩(wěn)定或存在頓挫感，需通過參數(shù)99.13對電機進行辨識。首選標準辨識，主要在電動機與減速機脫離時進行；否則選擇靜止辨識，此辨識滿足大多數(shù)設備應用；如果仍不能解決故障，需脫開負載進行標準辨識或檢查機械傳動是否存在卡阻。

（2）制動器打開瞬間，重物有短時失速，需調整44組參數(shù)，增大制動開啟轉矩的百分比，直至消失。

（3）重物上升時運行正常，下降時速度不可控，有加速現(xiàn)象，重點確認參數(shù)30.30過壓控制是否為禁用，如參數(shù)設置正確需復核制動電阻的功率是否偏小。

調試時，應逐步排查，縮小故障范圍，直至問題解決。

4 啟閉機M580 雙機熱備PLC系統(tǒng)

4.1 冗余PLC系統(tǒng)的結構組成及特點

PLC作為啟閉機的控制核心，性能和穩(wěn)定性非常重要，本項目選用施耐德公司M580雙機熱備（也稱昆騰+）系列產(chǎn)品。作為Modicon ePAC高端控制器中的一員，昆騰+系統(tǒng)繼承和發(fā)揚施耐德電氣公司在PLC技術和熱備技術上的領先優(yōu)勢，配置直觀簡單、易接線、結構合理牢固，便于維護、抗腐和抗干擾能力強，即使在極其惡劣環(huán)境下也能正常運行，MTBF均大于600 000 h。

熱備系統(tǒng)的核心部分是2個昆騰+PLC機架，1個主機和1個備機。主機、備機架上的模塊配置相同，根據(jù)系統(tǒng)的需求有多款CPU供選擇，本系統(tǒng)主機、備機架各配有BMEH582040處理器和1只以太網(wǎng)模塊，通過MODBUS TCP/IP總線與RIO站相連接，并構成環(huán)網(wǎng)，系統(tǒng)配置見圖2。

圖2 熱備系統(tǒng)配置圖

CPU液晶顯示板上可顯示當前主備狀態(tài)、網(wǎng)絡狀態(tài)及遠程RIO機架模塊狀態(tài)等信息。同一時刻，只有主用 PLC執(zhí)行應用程序并且控制RIO。備機和主機之間通過集成在CPU 上的高速鏈路（1 Gbps）相連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時同步，備用 PLC通過數(shù)據(jù)同步端口實時更新并備份IO狀態(tài)值，做好隨時接替準備。當主機PLC發(fā)生故障時，備用系統(tǒng)自動切換，由備用PLC使用最新的數(shù)據(jù)內容執(zhí)行應用程序并更新I/O。只要主備機完成切換，原備機PLC 就將變?yōu)橹饔?PLC，且與外部相連的網(wǎng)絡通信不會因主備機切換受到任何影響。

4.2 M580冗余PLC的調試要點

對于首次使用施耐德M580冗余PLC的調試工程師，有2點非常重要也極易出錯。

（1）M580冗余PLC有2套配置相同的CPU，新購的CPU出廠默認是A，必須將其中1只拆下?lián)艿紹位置，否則會造成硬件權限沖突，無法實現(xiàn)冗余功能。

（2）通電后主備CPU切換正常，但無法識別RIO機架上的模塊狀態(tài)，此時打開硬件配置窗口找到更新CRA IP地址配置，確保CRA接口標識符地址及硬件撥碼一致，可通過修改軟件重新下載或更改CRA模塊撥碼位置使軟件、硬件地址相同，硬件上修改必須在斷電時進行。

5 結 語

本系統(tǒng)已在千島湖配水工程上投運1 a，目前啟閉機整體運行穩(wěn)定，滿足現(xiàn)地控制和遠程計算機集中控制的要求。M580雙機熱備PLC充分發(fā)揮配置靈活，性能穩(wěn)定可靠、編程方便以及便于維護等特點。ACS880變頻器憑借獨有的直接轉矩DTC控制技術和出色的傳動性能，保證設備良好運行。因此，基于施耐德M580冗余PLC的變頻調速啟閉機電氣控制系統(tǒng)對同類工程有一定的借鑒意義。