向家壩升船機輔助閘首工作門啟閉固卷自動控制方法

趙政

摘 要：通過PLC和變頻器兩級控制系統(tǒng)，向家壩升船機輔助閘首工作門啟閉固卷實現(xiàn)了遠程控制、自動升降、準確定位的功能。本文詳述了該設(shè)備的電氣組成及特點和基于PLC的電機位置控制方法，希望為相關(guān)領(lǐng)域人員提供自動化控制案例參考。

關(guān)鍵詞：自動控制;位置控制;可編程邏輯控制器;變頻器

中圖分類號：U642? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）09-0056-02

為保證非恒定流條件下，向家壩升船機設(shè)備連續(xù)安全穩(wěn)定運行，在升船機下游設(shè)置了輔助閘室及輔助閘首工作門等設(shè)備。升船機承船廂下游對接時，若下游水位波動較大，則落下輔助閘首工作門，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接創(chuàng)造有利條件;船廂解除下游對接后，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。

輔助閘首工作門起落通過一臺2×2500kN固定式卷揚機完成，后面簡稱為啟閉固卷。啟閉固卷可實現(xiàn)遠程控制，自動升降、準確定位等功能。目前依然有大量啟閉設(shè)備通過人工操作來實現(xiàn)升降、定位功能，自動化水平較低，希望通過詳述該設(shè)備自動控制方法，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 電機及驅(qū)動機構(gòu)

啟閉固卷由兩臺250 kW交流鼠籠異步電動機提供動力，通過變頻器驅(qū)動。兩臺電機通過剛性軸連接，兩臺西門子SINAMICS S120變頻器采用力矩均衡的方式運行。該電動機為起重專用變頻調(diào)速三相異步電機，能與國內(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態(tài)性能。低速度性能好，低頻時起動轉(zhuǎn)矩可達額定轉(zhuǎn)矩的150%，轉(zhuǎn)矩平滑，無爬行現(xiàn)象。

SINAMICS S120變頻調(diào)速柜是西門子低壓高性能驅(qū)動裝置，能滿足對動態(tài)性能和轉(zhuǎn)速精度具有很高要求的應(yīng)用場合，還適合于頻繁進行制動能量較高的應(yīng)用和采用四象限操作方式的應(yīng)用場合。利用微處理器技術(shù)的全數(shù)字化開環(huán)和閉環(huán)控制，配有IGBT功率元件SINAMICS變頻器具備32位的分辨率來調(diào)整變量（電壓，頻率），并在電壓仿真模型中有一個復(fù)雜的預(yù)控制矩陣。這使得快速電流控制器可以進行最佳釋放，從而確保在 運行時的較高轉(zhuǎn)矩質(zhì)量、準確性和動態(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間，可同時執(zhí)行多個控制任務(wù)，觸發(fā)多個周期任務(wù)。

啟閉固卷采用該PLC冗余配置，雙機熱備實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，邏輯控制及故障保護，具備完善的操作、控制、監(jiān)視及故障保護功能。主要實現(xiàn)功能有：電氣傳動系統(tǒng)的故障保護和不間斷運行功能;驅(qū)動電機和變頻裝置的監(jiān)視和保護;制動器相關(guān)設(shè)備的控制和監(jiān)視;電動推桿設(shè)備的控制和監(jiān)視強制潤滑設(shè)備的控制;集中潤滑設(shè)備的控制;荷重檢測和監(jiān)視;水位檢測和監(jiān)視;行程檢測和監(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控制層通訊通過同軸電纜或光纖電纜以ControlNet現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)形式完成，以生產(chǎn)者/消費者模式預(yù)定性信息，每個信號對應(yīng)一個單獨的地址，占一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點同步，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)，特別適用于對時間苛刻要求的復(fù)雜應(yīng)用場合的信息傳輸，可滿足同一鏈路上I/O數(shù)據(jù)、實時互鎖、端到端報文傳輸和編程/組態(tài)等信息應(yīng)用的多樣要求。

PLC與變頻器之間通過第三方通訊轉(zhuǎn)換模塊采用Profibus DP通信方式實現(xiàn)“電力控制”與“傳動控制”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，實現(xiàn)穩(wěn)健、可靠的網(wǎng)絡(luò)功能，對于電氣噪聲具有極高的抗擾度，每個模塊可以提供多達1984個輸入字節(jié)和1968個輸出字節(jié)，通過專用軟件進行組態(tài)。

PLC與升船機集中監(jiān)控系統(tǒng)通過光纖以高速工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)通訊，該網(wǎng)絡(luò)具有自診斷功能，能實時在線檢測網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)。若檢測到壞幀，網(wǎng)絡(luò)給出故障指示的同時自動轉(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)場的運行信息，通過該網(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)地按遠程指令運行。通訊網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

2 自動控制方法

2.1 控制方案

采用由1套雙機熱備可編程序控制器本地機架+2套傳動控制器構(gòu)成的兩級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，兩級之間通過底層現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)進行互連，其中，雙機熱備可編程序控制器承擔(dān)啟閉機的整體控制、電機位置控制，以及與升船機計算機監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制;傳動控制器承擔(dān)起升電機速度、電流（力矩）二閉環(huán)控制，以及起升電機機械同軸傳動的出力均衡協(xié)調(diào)控制。

2.2 電機速度、電流閉環(huán)控制

電機速度、電流的閉環(huán)控制通過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。兩臺電機的同步控制采用機械同步出力均衡控制策略。

2.3? 電機位置控制

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通過連續(xù)任務(wù)程序?qū)⒉杉降慕^對值編碼器數(shù)值與預(yù)期位置值進行比較，得到位置差S差，在將位置差S差實時傳遞給PLC周期任務(wù)程序，周期任務(wù)按照一定公式計算得到速度值，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)動電機轉(zhuǎn)動，電機帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生位移進而改變位置。

2.4? 位置控制實現(xiàn)方法

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

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

（3）建立周期性任務(wù)程序，通過位置差計算出輸出速度V實，V實=（S差×t）0.5，其中t為時間系數(shù)，可以調(diào)節(jié)啟、停時的加速度大小。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實不能超過額定速度值，當(dāng)大于額定速度時，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，直接輸出，通過SST通訊模塊發(fā)送給變頻器，進而控制變頻器輸出，實現(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

基于上述自動控制方法，向家壩升船機輔助閘首工作門啟閉固卷運行狀態(tài)良好，位置控制精度可達到1mm，達到了預(yù)期效果，對相關(guān)領(lǐng)域自動控制系統(tǒng)設(shè)計有一定借鑒意義。

參考文獻：

[1]劉亞東， 李從心， 汪德才等. 用PLC實現(xiàn)位置控制的方法[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報， 2002， 36（4）： 491-493.

[2]胡佳麗，閆寶瑞、張安震等. S7-200 PLC在伺服電機位置控制中的應(yīng)用[J]. 自動化儀表， 2009， 30（12）： 38-41.

[3]龐友誼，雷鳴，何群益等. 升船機承船廂電氣控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 起重機械， 2018，1：103-106.