三峽升船機傳動控制系統電氣行程同步性能測試

李彬，譚明波，翁晨雷

（1．武漢船用電力推進裝置研究所 430064； 2.西門子（中國）有限公司，上海 200120）

0 引言

三峽升船機承船廂的有效尺寸是 120×18×3.5 m，總質量11800 t，可以提升的船舶 噸位3000 t，最大提升高度113 m，目前是全世界規模最大、難度最高的升船機。

三峽升船機傳動控制系統采用了冗余的可編程控制器進行控制，可編程控制器因其可靠性高、功能完善、實用性強、編程容易、易于擴展、維修方便等特點而成為現代工業實現自動化的核心設備，在工業控制的各個領域獲得了極為廣泛的應用[1]。

船廂驅動系統由四組驅動單元和八臺變頻調速裝置及對應的電機組成。四個驅動單元通過機械軸剛性連接（機械同步軸系統）。在正常運行情況下（四臺驅動單元同時運行），同步軸上沒有轉矩的傳遞。同步軸上安裝的轉矩測量軸實現對機械同步軸上的轉矩檢測。當驅動單元或傳動裝置出現故障時，機械同步軸將對船廂的穩定性進行調節，以維持其同步性。

船廂驅動控制系統采用電氣同步控制技術，8套傳變頻調速裝置各自接受由D445發送的、統一的速度給定信號進行行程同步控制，使4個驅動點的高程一致（行程高差≤±2 mm）。

2 傳動控制系統設計方案

為了滿足電氣行程同步的控制要求，傳動控制系統設置了2個PROFIBUS SCANNER模塊構成冗余，經Profibus DP網絡分別對2個D445-2進行數據收發，再由這兩個D445-2作為2級主站分別與傳動區的8個D445通過PROFINET通訊，8個SCALANCE通過光纖連接形成環網.

在此結構下，2個互備的D445-2控制器起到了承上啟下的作用，向上接收PLC的指令，并將指令通過PROFINET網絡等時發送到8個傳動控制站，以確保控制的實時性和精確性。

SIMOTION D435工藝板采用多任務快速掃描方式，中斷處理功能，事件處理功能，能根據任務的不同實時性控制要求，采用相應的不同的掃描周期，以保證系統的快速響應[2]。

3 同步性能測試方法及結果

圖1 測試平臺一網絡組態示意圖

試驗首先采用西門子的FM350計數器模塊對系統同步性進行測試，FM350計數器模塊安裝在ET200遠程機架上，通過DP電纜和CPU處理器進行通訊，主要用到的硬件設備包括：CPU模塊416-2DP、通訊模塊CP443-1、計數器模塊FM350、ET200接口模塊IM153-1、主機架背板等。將測試平臺硬件進行組態，如圖1所示：CPU通過DP電纜和IM153從4塊FM350上采集數據,這4塊FM350分別連接1、2和3、4的編碼器。DP電纜長度為2 M，通訊速率為12 Mbp。

對計數器模塊FM350的設置如圖2。CPU的程序掃描周期設為3 ms。測試平臺硬件組態和設置完成后，通過觸摸屏操作面板發出啟動命令，以992 rpm運行120 M全行程（上行/下行），船廂到位自動停止。用400CPU+IM153+FM350來采集1、2、3、4號傳動點的脈沖數，每隔20 s記錄一次，編碼器轉動一周產生2048個脈沖。同一時刻四個傳動點脈沖編碼器產生的脈沖數進行兩兩相減，所得差值用來檢測該時刻四個傳動點運行的同步性能。將測試的數據以曲線表示如圖3。其中橫向軸為時間軸，表示系統運行全過程所需的時間，縱向軸表示任意兩個傳動點脈沖數的差值，由圖可見，運行過程中最大脈沖數相差不超過160個脈沖，即最大誤差小于30°（2048脈沖數對應360°）。

圖2 計數器模塊參數設置示意圖

為了確保試驗數據的準確性和可靠性，我們又采用了西門子的FM450計數器模塊對該系統的同步性能進行重新測試，由于FM450計數器模塊直接安裝在S7400的主機架背板上，每個FM450模塊可以采集兩個脈沖編碼器的脈沖信號。所以不再需要ET200遠程機架，將測試平臺硬件進行重新組態，組態方法和平臺一的方式類似。 2塊FM450-1,分別連接1、2和3、4的編碼器。

組態完成后對計數器模塊FM450-1進行參數設置。

CPU的程序掃描周期為3 ms。

測試平臺硬件組態和設置完成后，采取和第一種測試方案相同的步驟運行系統，記錄四個傳動點之間的脈沖差值，將測試的數據以曲線表示。

由圖4可見，系統運行全過程最大脈沖數相差不超過200，即最大誤差小于36°（2048脈沖數對應360°）。

4 測試結論

在試驗測試過程中采取2種不同計數模塊分別對系統進行了測試，根據三峽升船機對電氣行程同步控制方案的性能要求，電氣行程同步控制方案工作時，四個驅動點之間的行程偏差不大于2 mm。減速齒輪箱的總傳動比為263，最后折算到驅動電機輸出軸的轉角約為50°。

綜合上述兩種測試平臺所測數據可得，電氣行程同步控制方案以兩個D445作為程序主站，帶動其他傳動點運行的控制方式是可以滿足行程偏差小于2 mm的誤差要求（相差50°）。

[1]李鳳閣,佟為明編著.電氣控制與可編程控制技術.北京:機械工業出版社,2008.

[2]李方圓等 編著.零起點學西門子變頻器應用.北京:機械工業出版社,2012.