自動化控制在啟閉機電控的應用

摘要：目前，啟閉機作為水庫和水電站閘門的起吊設備，是防洪泄洪的關鍵設備。由于閘門跨度較大，許多都采用雙電機雙吊點工作方式，如果在閘門起吊時兩吊點的水平度超過5°，閘門將會被卡??；由于閘門在水下，容易堆積泥垢和滋生青苔，造成起吊時載荷成倍增加，這就相應增加了電機的過載能力和電氣的過載能力；由于閘門和中控室距離較遠，許多都是幾公里甚至十幾公里，也就導致了中控室或現場操作不能直觀觀察水下閘門。為了防止以上問題發生，確保在關鍵時刻設備正常運行，文章以獨山排澇應急工程排澇閘TQ2*800kN臺車式啟閉機電控系統為例，詳細分析了解決上述問題的電氣自動化應用方案。

關鍵詞：自動化；工程案例；調速方案

中圖分類號：TV664.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006—8937（2012）23—0047—03

1 工程案例

①本啟閉設備型式為臺車卷揚式啟閉機，由主起升機構、行走機構、抓梁電纜卷筒、臺車架、電氣部分及其它附件組成。主起升構電動機通過聯軸器驅動減速器、開式齒輪、使雙聯卷筒轉動，以收放鋼絲繩，鋼絲繩通過滑輪組使動滑輪升降以達到閘門啟閉的目的。本啟閉機為滿足工程對閘門啟閉過程的時間要求，主起升機構采用先進的變頻技術。啟閉機在輕載空載運行過程中，電動機能以約1.8倍的速度運轉，而在機構的啟制動及速度變換時，又能用平緩的加減速過渡以減小沖擊。主起升機構上設置有載荷檢測裝置，該裝置可以在現控柜上顯示荷載值并輸出供中控，同時根據設定或調整，輸出空輕載與重載接點，將啟閉機荷載狀態信號傳遞給PLC，用以改變啟閉機的運行速度。啟閉機采用機械同步方式。

②設備基本特性與參數。啟閉機型式：雙吊點臺車卷揚式；額定啟門力：2×800 kN；揚程：15 m；電動機特性型式、功率、轉速：YZP250M2—8，37 kW，735 r.p.m；起升速度：額定2.2輕載4 m/min；吊點中心距：8.5 m；軌距：3.6 m；行走速度：16 m/min；最小行走攜載：100 t；啟閉機工作級別：Q3—中；載荷傳感器型式：HLF3型壓式傳感器；高度傳感器：旋轉型絕對量編碼器。

③基本控制原理。獨山排澇應急工程排澇閘TQ2*800kN臺車式啟閉機供電電源為三相四線+PE制（AC380 V，50 Hz），其中PE線專門供給變頻器及PLC等第三種接地用； 設有短路保護、過流保護、失壓保護、配電系統過電壓保護、限位保護、超速保護和過載保護?？傠娫椿芈吩O有總斷路器帶有分勵脫扣線圈，在緊急狀況下，只要按下電控柜門上的緊停按鈕或中控室急停，就可以切斷電動機回路、制動器回路、冷卻風機回路的動力電源?？刂萍靶盘栯娫礊锳C220V，設置了單相隔離變壓器，分別為緊?；芈贰⒏鳈C構控制回路、PLC提供電源。本機操作設柜門按鈕操作，現地控制柜門上設有起升、下降、升降停止按鈕、同時在端子排子上連接外部一組合按鈕站，需要時可以在組合按鈕站上來控制起升、下降、升降停止，現地控制柜上設有變頻器故障復位按鈕。設有動力電源斷路器合閘、啟閉機起升、啟閉機下降、上極限、下極限、變頻器故障、變頻器超頻運行、并設有綜合故障報警蜂鳴器。PLC接受中控室的來的起升、下降、升降停止、變頻器故障復位等命令。

2 調速方案

本機控制系統為變頻器+PLC調速方案，整機控制系統采用西門子公司的S7300系列PLC，模塊化結構。SIMATIC S7—300通用控制器可以節省安裝空間并且具有模塊化設計的特點。大量的模塊可根據手頭的任務被用于擴展集中系統或創建分散結構的系統，并促進備件成本效益的經濟性。憑借其令人印象深刻的創新系列，SIMATIC S7—300通用控制器成為了一個可以有效節省用戶額外投資和維護成本的綜合系統。S7—300系列CPU由于具有高處理速度，可以實現非常短的機器循環時間。CPU可以為各種應用提供合適的解決方案，客戶只需為特定任務實際需要的性能付款S7—300建立在模塊式的組態上，無需I/O模塊的插槽規則現有豐富的模塊可用于集中組態和搭配ET200M實現分布式組態。集成的PROFINET 接口可以實現控制器的簡單網絡化，與其它運行管理等級方便的進行數據交換模塊寬度窄，可以實現緊湊式的模塊設計或者小型控制柜。強大的CPU能夠與工業以太網/PROFINET 接口、集成的工藝功能或故障防護設計集成在一起，從而避免附加投資。PLC系統配備了西門子系統的模擬量模塊（SM331）采集載荷顯示儀、高度顯示儀來的4～20mA模擬量數據，以便同觸摸屏經profibus—DP通訊交換數據，PLC系統配備了西門子系統的CP343—1通訊模塊，可以同中控室實行以太網通訊功能。也便于同中控室經工業以太網總線交換數據。PLC輸入接口除接受來自按鈕、限位等控制信號外，還接受各斷路器、接觸器、變頻器、載荷顯示儀、高度顯示儀等輔助接點和控制接點作為整機系統的聯鎖和保護，PLC硬件組態和模塊組成如圖1所示。

起升機構控制各選用一臺ABB公司ACS800—01—0100—3變頻器驅動。ACS800提升專用變頻器專用提升軟件適于各類位勢負載要求，低頻大力矩，滿足重載起動要求，零速滿轉矩，停車平穩，準確，多種速度給定方式，方便使用，完整的保護功能，使用安全，可靠，強大的通訊及編程能力多種可選件，滿足用戶組態需要。此設備傳動單元上帶有編碼器接口卡和通訊接口模塊，采用DTC直接轉矩控制模式。兩臺變頻器之間采用主/從控制方式，信號傳輸介質采用光纖，防止干擾。主/從應用控制傳動之間的負載分配。主機通過主/從總線將命令信號和給定值（速度和轉矩給定）發送給從機。主機也可由從機讀取返回的狀態信息，以確認運行是否正常。系統具有足夠的調速硬度和良好的低頻轉矩特性；起升機構閉環控制的速度反饋采用增量式脈沖編碼器，其基本功能是在聯動狀態下將來自主機和從機的位置計數值作比較，在從機中其差值通過加入一個速度修正給定（正值或負值）被消減到零，保證同步運行的精度。傳動單元與PLC之間采用Profibus—DP通訊方式。變頻器速度給定、超頻運行頻率、故障復位命令都由PLC經Profibus—DP總線以地址碼的形式給定，兩臺起升電氣原理圖如圖2所示。

本機的監控系統由PLC及觸摸屏組成，觸摸屏采用西門子TP277系列10寸彩色屏，該屏具有連續的功能性確保自由選擇理想的顯示屏，具有開孔完全相同框架的寬屏，最多可為客戶增加40%的顯示尺寸；空間增加后增加了可在顯示屏中可視化的應用部分。可實現其他新的操作概念，例如，在顯示屏側面上符合人體工程學放置的菜單欄，可調光的顯示屏提供節能潛力以及新應用，例如在造船方面，在空閑時間，規范化的PROFIenergy外形允許對設備進行協調而集中關閉由于在一個框架中映射具有TIA門戶的HMI和控制器，WinCC V11減少了工程量，實現信息共享及數據傳輸，用圖形和文字實時顯示故障的位置及簡單處理的方法，監控各主要電器元件運行或停止的狀態，變頻器運行參數，各機構位置及流程數據等。觸摸屏有利于操作人員、維修人員正確掌握啟閉機運行狀況，觸摸屏部分工作畫面如圖3所示。

3 結 語

通過以上方案整機PLC控制，降低了故障發生頻率，提高了運行可靠性。PLC對變頻器和觸摸屏控制和數據傳輸通過DP通訊，減少設備的干擾，確保設備正常運行，同時減少電氣線路降低維修難度和減少故障點；通過采用ABB變頻器的主從控制協議可以保證兩臺電機的相對同步進而保證閘門的吊點水平度。通過采用高性能高品質的S7—300可編程控制器和ACC變頻器保證了電氣元件的較高過載性能和品質保證；通過配備的智能化電控監控系統監控各機構運行情況，并能對發生的故障進行及時反映，引導維修人員進行快速檢修，同時也把相關的設備狀態通過以太網通訊功能實時的反映到中控室。

參考文獻：

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