先進電氣控制技術在錦屏一級水電站400 t+400 t橋機中的運用

辜 建 儒，　蔣 從 軍

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都　610081)

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先進電氣控制技術在錦屏一級水電站400 t+400 t橋機中的運用

辜 建 儒，蔣 從 軍

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610081)

摘要：介紹了錦屏一級水電站400 t+400 t橋機控制系統的配置結構、工作原理及技術特點，以及Profibus-DP、MPI等通訊在橋機中的應用。

關鍵詞：Profibus-DP；MPI；變頻器；PLC；ET200(分布式I/O)；錦屏一級水電站

1概述

隨著科學技術的發展，水電站橋機已經廣泛應用了PLC、變頻傳動等工業自動化技術，PLC+變頻調速逐漸成為起重機的主流電控系統方案。如何最大限度地發揮和利用工業自動化技術的先進性能，滿足橋機的工藝要求，降低故障率，提高維護效率亦成為電控系統的主要目標。伴隨著計算機技術、現場總線技術、網絡通信技術及微電子技術的發展，為先進電氣控制技術在電站橋機的成功應用提供了可靠的支持平臺。

筆者以錦屏一級水電站2臺400 t+400 t橋機為例，介紹了利用PLC及Profibus-DP現場總線技術、MPI通訊、變頻控制技術構成先進電控系統在橋機中的應用。

2系統情況

錦屏一級水電站主廠房設有2臺(400 t+400 t/160 t)雙小車橋式起重機，主要用于發電機組等設備的安裝、檢修。最大載荷為吊水輪發電機轉子(水輪發電機轉子和平衡梁總重1 400 t)，需要2臺橋機中的4套獨立的起升機構共同抬吊完成。在起吊過程中要求平衡梁保持水平。2臺橋機抬吊作業時可以任意指定主機、從機，在主機上實現機構的單獨或聯動操作。

每臺橋機由起升機構、大車行走機構、小車行走機構等部分組成，其中起升機構通過手動換擋機構實現高速輕載160 t或低速重載400 t的切換。電氣控制系統主要由控制系統、各機構傳動調速裝置、消息管理裝置組成。每臺橋機有1套西門子公司生產的S7-300系列PLC、1臺PC577觸摸式面板工控機、6臺西門子公司生產的6SE70系列交流變頻器、3套ET200(分布式I/O)。PLC通過Profibus-DP現場總線連。

聯接各變頻器、ET200和工控機，實現數據采集和檢測，完成對各機構變頻器的控制。2臺橋機并機抬吊作業時，通過MPI通信實現2臺橋機之間的數據交換。系統配置情況見圖1。

橋機各起升機構吊點的上、下極限均設置了雙重保護。一套是起升機構卷筒上安裝的進口絕對值編碼器，實時檢測起升機構高度對應的脈沖數送入可編程控制器，PLC程序按一定的比例關系處理運算后，實際高度值送觸摸屏顯示；另一套為機械式上、下極限限位開關，當吊鉤運行到上、下極限時，自動停止起升機構的升降。各起升機構還設置有重錘式限位開關以防止起升時吊具沖頂。橋機各起升機構荷重檢測裝置采用進口產品，通過荷重變送器輸出4～20 mA電流信號送入PLC，經PLC內部運算處理后，通過內部設置的接點作為起升機構負荷保護。當起吊重量為90%額定負荷時，荷重預報警；當荷重達到110%額定負荷時，起升機構因過載而停止起升，此時下降控制不受影響，重物可以下降。

采用了先進控制技術的電控系統具有三大特點：控制系統的信息交換全部采用工業現場總線通信；配備工業工控計算機實現信息集中管理，方便維護運行；應用傳動均衡控制技術實現多點同步提升和糾偏功能。

3控制系統

圖1　系統配置圖

控制系統的主要功能是負責電控系統的信息交換和處理，保障設備技術性能以滿足其使用運行要求。它包括電源控制、安全保護、PLC通信控制、照明及輔助設備控制。工業現場總線技術按照公開通信協議，在控制設備之間實現數據傳輸和信息交換，形成各種符合生產現場的自動化控制系統。Profibus-DP現場總線是目前國際上通用的標準現場總線之一，它以其獨特的技術特點、嚴格的認證規范、開放的標準而得到眾多廠商的支持，成為最重要的現場總線標準之一。Profibus-DP現場總線傳輸速率最高可以達到12 Mb/s，最多可以掛126個從站。該橋機采用Profibus-DP總線通信控制；系統絕大多數的控制指令和數據采集都通過通信實現，從而提高了系統的實時性；系統的給定指令從以前常用的繼電器分段給定或模擬量給定模式變成PLC程序中直接數據讀寫，使數據的精度和準確度得到了很大程度地提高，更加提高了系統的抗干擾能力，保證了系統的長期穩定運行。

MPI協議是基于SIEMENS內部標準的一種令牌網絡通訊協議，通訊速率為187.5 kb/s。SIEMENS PLC內置MPI接口，通過全局數據(GD)通信服務，在聯網的CPU之間進行周期性數據傳遞。MPI通信是西門子PLC的一個經濟有效的網絡通信解決方案。MPI通訊方式主要有全局數據包通訊方式、無組態連接通訊方式、組態連接通訊方式等3種。該橋機控制系統在并車抬吊時采用MPI通訊連接。

該橋機控制系統選用SIEMENS公司生產的S7-300可編程控制器，組成分布式I/O機構。其網絡上的主要設備包括：CPU315-2DP主站、各ET200從站、各機構變頻傳動裝置等。CPU315-2DP主站是控制系統的核心，負責電控設備的控制指揮以及進入PLC內的數據運算、處理等工作，接受和執行用戶程序，是整個系統的中樞。CPU315-2DP主站裝設于橋機司機室照明箱內，主要由電源模塊、帶DP通訊口的CPU模塊、通訊處理器模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊組成。

ET200作為I/O從站分布式共三個，分別為小車一ET200、小車二ET200、主梁電氣室ET200，主要負責收集輸入、輸出信號等工作。ET200從站主要由電源模塊、通訊模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、位置模塊、模擬量輸入模塊等組成，并通過通訊模塊連接到Profibus-DP網絡上。由于在兩個小車上設置了ET200，通過專用通信線與CPU相連，分布式I/O數據采集的數據通過通訊線傳送至CPU，從而減少了電纜的長距離連接，使小車滑車上的電纜數量大大減少。

各機構的操作控制由司機室聯動臺上主令手柄和旋鈕開關給定，信號送入PLC。PLC在接受到聯動臺的給定、經程序處理后將轉換為對傳動裝置和外圍設備的控制命令，改變主令手柄的檔位即可改變變頻器的輸出頻率，改變各機構運行速度。

4傳動調速裝置

該橋機各機構傳動采用西門子公司生產的6SE70系列變頻器，其特點是性能可靠、功能強大而靈活、結構緊湊。裝置本身帶有自整定功能和參數設定單元，不需要其他的任何附加設備即可以完成參數的設定。所有的控制、調節、監視、制動器控制及附加功能均由微處理器實現。該系統具有零速滿轉矩功能，在裝置啟動建立轉矩后，PLC接到裝置輸出制動器打開命令后，機械制動器打開，傳動電機按預先設定的加速度運行至給定速度。變頻裝置通過交流-直流-交流控制變頻電機實現速度控制及轉矩控制，其特點是啟停平穩，減少電氣及機械沖擊，速度的平滑性非常好。所有傳動裝置均通過CBP通信板實現與PLC控制網絡連接，與PLC、各分布I/O子站、工控機一起構成整個橋機的Profibus網絡系統。通過CBP板對變頻器的過程數據“控制字、狀態字、設定值、實際值”進行讀、寫。PLC適時讀取裝置狀態字、電流、電壓等，以達到監控的目的。變頻器外接制動斬波電阻，下降過程中或停車時通過制動電阻消耗重物勢能，實現恒定的速度下降。

起升機構采用閉環、矢量控制，提高了速度的穩定性，增加了轉矩的硬特性。在每臺電機高速軸上設有工作制動器和安全制動器。當出現起升機構超速飛車等故障時，兩臺制動器均瞬時閉合上閘。制動器的動作由調速裝置和PLC雙重邏輯控制，從而防止了輕載上升和重載溜鉤，提高了吊裝作業的準確性和安全性。

多點同步提升和糾偏技術的應用，成功地解決了錦屏一級水電站400 t+400 t橋機使用上的一項難題。錦屏一級水電站廠房有2臺(400 t+400 t)橋機，每臺橋機有2個單獨的起升機構，當用2臺橋機并車抬吊時，共有4個起升機構共同參與，這就需要保證它們之間的提升同步和力矩平衡。我們應用6SE70變頻器的內置主從功能塊并配合提升高度的偏差糾正控制成功實現了提升同步和力矩平衡，該技術的運用，使得四起升機構力矩相對偏差小于5%，提升的同步差小于1 cm。這項技術不僅可以應用于起升機構，還可以應用于大車機構，實現大車兩側電機的同步、均衡控制，從而有效地保證了大車機構的無沖擊平穩運行。

5工控機與信息管理

觸摸式面板工控機作為人機對話界面，主要承擔維護、調試人員對電控系統的數據檢測、程序調試、故障診斷功能，通過工控機上預裝的軟件，工程師能夠訪問PLC、變頻器，實現在線監測，實時修改數據、參數、程序，從而大大提高了維護、調試的方便性。它還可以顯示橋機的運行參數，便于操作人員隨時了解設備狀態、故障信息、橋機的正常運行信息。

在工控機上安裝有DriveMonitor, DriveMonitor，它是實現對西門子傳動設備現場調試的一個工具軟件，可以進行參數設定、故障分析和跟蹤記錄等。這樣實施在工控機上可以直接訪問各變頻器、在線監測等(圖2)。

工控機上裝有S7-300 PLC的編程軟件STEP7-V5.4，STEP7對自動化工程各方面具有友好的用戶功能：硬件的配置和參數設置、通信的定義、編程、測試-啟動-維護、文件-建檔、操作/診斷功能，所有功能均有大量的在線幫助，其主要功能塊、數據塊如圖3所示。

工控機還可以完成一些功能設置，如荷重設置、糾偏投入/切除等，用于顯示橋機起升機構的起吊重量、起升高度、各機構運行速度、位置、各機構傳動裝置狀態、故障指示、當前報警信息、歷史故障信息等的顯示和記錄，各機構傳動裝置的輸出電流和直流母線電壓等對于一般故障，橋機操作人員根據工控機的顯示內容做相應的操作即可使設備恢復正常運行。若操作人員無法解決故障時，維護人員可以根據工控機的提示快速查找相應的故障源，修復或更換相應的元件，使設備恢復正常運行。

荷重、高度監測、顯示的標定工作在觸摸屏上完成設置，通過空載和帶一定已知載荷時傳感器的不同輸入，PLC程序自動計算各荷重的線性關系，此線性值由特定的存儲器保存。此功能操作簡單，易實現荷重標定，從而避免了以往解決儀表故障時的麻煩。

圖2　DriveMonitor在線監測示意圖

圖3　主要功能塊和數據塊示意圖

錦屏一級水電站橋機設置有工控機，利用Wincc軟件實現了信息報表，統計故障信息和操作信息，既有歷史數據，也有實時信息，作為一款監控組態軟件，WinCC 針對需求提供了強大的報表組態功能，實現了數據存儲、數據分析和數據輸出。WinCC 的過程歸檔功能提供了強大的數據處理能力，可以在歸檔管理中靈活的控制歸檔，幾乎可以定義所有需要的數據統計種類。

(1)周期的記錄。

(2)非周期的動作觸發。

(3)動作觸發的周期記錄。

對于過程歸檔數據的訪問，可以使用WinCC 的在線表格控件、WinCC 報表編輯器中自帶的打印控件，同時，也可以使用Connectivity Pack 選件腳本讀出數據。用戶歸檔編輯器可以在服務器 PC連續的保存來自技術過程的數據。在圖形編輯器中，可以組態 WinCC 用戶歸檔表格元素來以表格形式顯示運行系統中用戶歸檔的在線數。利用WinCC 的選件DataMonitor 實現使用EXCEL、連接WinCC 的歸檔數據，主要是結合WinCC 的存儲功能和EXCEL強大的數據處理功能來滿足報表需求。

6結語

該橋機采用先進的控制系統，具有完善的安

全保護裝置和故障自診斷能力，能以圖文及中文文字形象地顯示各種參數，便于實時監控橋機運行狀態。設計上，不但在滿足合同文件、標準和規范的條件下，還采用了成熟的先進技術實現創新，使設備在性能可靠、操作簡便、維修方便的前提下具有較高的綜合性能，也使得水電站橋機在電氣控制方面具備了更高的技術水平。

辜建儒(1971-)，男，四川仁壽人，工程師，從事起重機械電氣設計工作；

蔣從軍(1964-)，男，重慶市人，高級工程師 ，學士，從事生產技術與管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-10-20

文章編號:1001-2184(2015)06-0048-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7;TV53+2;TV53+8.4;TP29

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