2×1000kN臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)雙吊點(diǎn)電氣同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

謝海建，王繼東，高金明

(1.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州　450052; 2.中州大學(xué)機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院，鄭州　450044)

?

2×1000kN臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)雙吊點(diǎn)電氣同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

謝海建1，王繼東2，高金明1

(1.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州450052; 2.中州大學(xué)機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院，鄭州450044)

摘要:以西江長(zhǎng)洲樞紐三、四線船閘工程2×1000 kN臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)為例，介紹了利用P + F絕對(duì)值編碼器、德國(guó)Siemens公司的S120變頻器和S7－300可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)雙吊點(diǎn)電氣同步的方法。該同步系統(tǒng)節(jié)約了設(shè)備造價(jià)，使設(shè)備操作更加靈活、方便、可靠。

關(guān)鍵詞:絕對(duì)值編碼器;變頻器;可編程邏輯控制器;電氣同步;液壓抓梁

0　引言

隨著我國(guó)水電建設(shè)的迅猛發(fā)展，水電站及船閘航運(yùn)工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，大跨度閘門(mén)啟閉設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。傳統(tǒng)的大容量雙吊點(diǎn)臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)，兩者通過(guò)中間傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行。這種同步方式安裝難度大，造價(jià)高，且運(yùn)行時(shí)沖擊大，故障率高。在設(shè)計(jì)大跨度雙吊點(diǎn)啟閉機(jī)時(shí)，為防止中間傳動(dòng)軸下垂變形，還需要增設(shè)1套或多套中間支承座，使工程造價(jià)進(jìn)一步增加。同時(shí)，當(dāng)啟閉機(jī)的吊點(diǎn)距大于8 m時(shí)，即使增設(shè)2個(gè)中間支承座和增大傳動(dòng)軸直徑也很難滿足DL/T 5167—2002《水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］對(duì)傳動(dòng)軸剛度的要求，限制了大跨度閘啟閉機(jī)在水電工程中的應(yīng)用。因此，隨著水電建設(shè)的發(fā)展，迫切需要一種科學(xué)、先進(jìn)、可靠、經(jīng)濟(jì)的電氣同步方案。本文以西江長(zhǎng)洲樞紐三、四線船閘工程2×1000 kN大跨度臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)為例，介紹了一種先進(jìn)、科學(xué)的雙吊點(diǎn)電氣同步方案。

1　工程案例

西江長(zhǎng)洲樞紐三、四線船閘工程總投資30.35億元，單向設(shè)計(jì)年通過(guò)能力9 200萬(wàn)t，閘室有效長(zhǎng)度為340.0 m，寬度為34.0 m，門(mén)檻水深為5.8 m，是目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的單級(jí)船閘工程。根據(jù)該工程船閘金屬結(jié)構(gòu)計(jì)算和布置，設(shè)計(jì)確定該船閘啟閉機(jī)的容量為2×1000 kN，揚(yáng)程為60.0 m，吊點(diǎn)距為17.4 m。臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)主要用于抬吊長(zhǎng)度為34m的疊梁門(mén)，每個(gè)起升機(jī)構(gòu)都采用1臺(tái)60 kW的變頻電動(dòng)機(jī)。為防止疊梁門(mén)卡門(mén)槽，要求2個(gè)起升機(jī)構(gòu)同時(shí)工作，吊點(diǎn)高度差小于20 mm，但傳統(tǒng)的中間傳動(dòng)軸同步方案難以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)啟閉機(jī)傳動(dòng)軸剛度的要求。

在設(shè)計(jì)時(shí)，臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)2個(gè)起升機(jī)構(gòu)選用相同型號(hào)的電動(dòng)機(jī)，鋼絲繩直徑、卷筒直徑及纏繞方式都完全相同，這也是保證2個(gè)吊點(diǎn)同步的必要條件。但2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的電氣參數(shù)、鋼絲繩卷筒直徑及鋼絲繩的受力情況不可能完全相同，且起重機(jī)的起升高度又比較高，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致2個(gè)起升機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生高度偏差，當(dāng)?shù)觞c(diǎn)偏差大于20mm時(shí)，疊梁門(mén)就會(huì)傾斜卡門(mén)槽，后果十分嚴(yán)重。

為解決這一技術(shù)難點(diǎn)，滿足雙吊點(diǎn)同步要求，項(xiàng)目采用絕對(duì)值編碼器實(shí)時(shí)精確測(cè)量鋼絲繩卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，通過(guò)可編程邏輯控制器(PLC)精確運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)吊點(diǎn)的控制。

2　系統(tǒng)硬件配置［2－3］

系統(tǒng)核心硬件是德國(guó)Siemens公司的S7－300 型PLC，它作為系統(tǒng)的控制主站，通過(guò)SM338計(jì)數(shù)模塊采集絕對(duì)值編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，通過(guò)精確運(yùn)算，實(shí)時(shí)控制變頻器的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)2個(gè)吊點(diǎn)的同步運(yùn)行和自動(dòng)糾偏。

采用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，方便、快速地實(shí)現(xiàn)了S7－300型PLC、S120型變頻器、G120型變頻器及MP277觸摸屏之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換、系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)顯示。

起升機(jī)構(gòu)選用相同型號(hào)電動(dòng)機(jī)，雙吊點(diǎn)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，變頻器采用1個(gè)控制單元CU320及2個(gè)功率單元PM340的主從應(yīng)用模式?？刂茊卧狢U320DP通過(guò)Drive－CLIQ通信線連接功率1模塊PM340、傳感器1模塊SMC30、功率2模塊PM340及傳感器2模塊SMC30，共同組成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙吊點(diǎn)的閉環(huán)矢量功能。系統(tǒng)硬件配置如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件配置

3　電氣同步程序設(shè)計(jì)［4－5］

以雙吊點(diǎn)的高度作為控制對(duì)象，采集編碼器的高度信號(hào)，通過(guò)PLC精確運(yùn)算，實(shí)時(shí)控制變頻器的輸出頻率，從而實(shí)現(xiàn)雙吊點(diǎn)的同步運(yùn)行和自動(dòng)糾偏，其具體步驟如下。

(1)讀取變頻器狀態(tài)字，寫(xiě)出變頻器控制字。采用西門(mén)子Free telegram configuration with BICO報(bào)文通信方式，實(shí)現(xiàn)變頻器和PLC之間的數(shù)據(jù)交換。VECTOR_02實(shí)現(xiàn)對(duì)主起升#1吊點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)控制，VECTOR_03實(shí)現(xiàn)對(duì)主起升#2吊點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)控制。通過(guò)MOVE指令，讀取VECTOR_02狀態(tài)字PIW230并放入存儲(chǔ)器MW0，讀取VECTOR_03狀態(tài)字PIW260放入存儲(chǔ)器MW4;將VECTOR_02控制字通過(guò)存儲(chǔ)器MW16送到PQW230，將VECTOR_03控制字通過(guò)存儲(chǔ)器MW18送到PQW260。

(2)給變頻器送速度值。司機(jī)室操作臺(tái)作為運(yùn)行指令發(fā)送器，根據(jù)不同的手柄操作檔位，發(fā)送相應(yīng)的數(shù)字量指令信號(hào)給PLC。PLC根據(jù)收到的手柄指令信息，把速度控制信號(hào)(1檔10 Hz，2檔20 Hz，3 檔30 Hz，4檔40 Hz，5檔50 Hz)送給變頻器。通過(guò)MOVE指令，將PQW232值寫(xiě)到VECTOR _02的P1070［0］Main setpoint中，將PQW262值寫(xiě)到VECTOR_03的P1070［0］Main setpoint中，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)擋位的速度控制。

(3)采集編碼器當(dāng)前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)雙吊點(diǎn)高度進(jìn)行同步標(biāo)定。該系統(tǒng)采用倍加福AVM 58－H型絕對(duì)值編碼器進(jìn)行高度檢測(cè)，可靠性高，特別適用于震動(dòng)、潮濕、寒冷、炎熱等惡劣工作環(huán)境。AVM 58－H型多圈絕對(duì)值編碼器單圈脈沖輸出數(shù)為8192，可以保證起升#1，#2吊點(diǎn)的同步偏差在20 mm以內(nèi)。

PLC讀取編碼器的地址為PID 320和PID 328，通過(guò)MOVE指令，把#1吊點(diǎn)編碼器當(dāng)前數(shù)據(jù)存放于MD 90，#2吊點(diǎn)編碼器當(dāng)前數(shù)據(jù)存放于MD 94。

利用水準(zhǔn)儀選定參考點(diǎn)，然后把#1，#2吊點(diǎn)單動(dòng)運(yùn)行至參考點(diǎn)，在觸摸屏上按下標(biāo)定按鈕，標(biāo)定位置值分別送到DB5.DBD0和DB5.DBD16。

(4)判斷吊點(diǎn)位置。在起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)比較#1吊點(diǎn)編碼器當(dāng)前數(shù)據(jù)MD 90和同步標(biāo)定數(shù)據(jù)DB5.DBD0數(shù)值的大小，比較#2吊點(diǎn)編碼器當(dāng)前數(shù)據(jù)MD 94和同步標(biāo)數(shù)據(jù)DB5.DBD16數(shù)值的大小，判定2個(gè)吊點(diǎn)的位置關(guān)系。經(jīng)分析，共有4種狀態(tài)，如圖2所示。

圖2　2個(gè)吊點(diǎn)位置狀態(tài)

(5)計(jì)算吊點(diǎn)偏差值。通過(guò)比較編碼器當(dāng)前數(shù)據(jù)和同步標(biāo)定數(shù)據(jù)，確定當(dāng)前吊點(diǎn)的位置狀態(tài)，計(jì)算吊點(diǎn)的偏差。以位置工況A＞A1，B＞B1為例，進(jìn)行吊點(diǎn)偏差ΔP的計(jì)算。

#1吊點(diǎn)偏差ΔA = A－A1;#2吊點(diǎn)偏差ΔB = B－B1。

若ΔA＞ΔB，則偏差值ΔP =ΔA－ΔB;反之，偏差值ΔP =ΔB－ΔA。

PLC編程語(yǔ)言如圖3所示。

(6)吊點(diǎn)同步、自動(dòng)糾偏功能的實(shí)現(xiàn)。2×1000 kN臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)，鋼絲繩卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)1周，起升高度變化0.606 8 m，編碼器和鋼絲繩卷筒傳動(dòng)比為1∶1，編碼器單圈脈沖輸出數(shù)為8192。為避免疊梁門(mén)卡門(mén)槽，起升雙吊點(diǎn)偏差需控制在20mm以內(nèi)，20 mm的吊點(diǎn)偏差換算成編碼器數(shù)值為起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中，吊點(diǎn)的位置偏差ΔP＜270，無(wú)需糾偏;ΔP≥270，自動(dòng)糾偏實(shí)現(xiàn)同步。以位置狀態(tài)A＞A1，B＞B1為例，自動(dòng)糾偏程序流程框圖如圖4所示。

圖3　吊點(diǎn)偏差計(jì)算程序

圖4　自動(dòng)糾偏程序

4　結(jié)束語(yǔ)

2×1000kN臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)于2014年8月在長(zhǎng)洲水利樞紐三、四線船閘工程工地順利投入運(yùn)行。運(yùn)行1年來(lái)，多次順利完成了下疊梁門(mén)擋水和提疊梁門(mén)入庫(kù)任務(wù)，雙吊點(diǎn)電氣同步系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，吊點(diǎn)偏差始終控制在20mm以內(nèi)，從未出現(xiàn)卡門(mén)槽現(xiàn)象。同時(shí)，采用同步系統(tǒng)后，取消了原設(shè)計(jì)的雙吊點(diǎn)剛性同步連接軸，大大節(jié)約了設(shè)備造價(jià)，設(shè)備操作更加靈活、方便、可靠，該系統(tǒng)方案的可行性得到了實(shí)踐驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn):

［1］水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范: DL/T 5167—2002［S］.

［2］廖常初.S7－300/400 PLC應(yīng)用教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］廖常初.西門(mén)子人機(jī)界面(觸摸屏)組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］陳伯時(shí).自動(dòng)控制系統(tǒng)(電力拖動(dòng)控制)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［5］謝丹雄，肖彥直.雙吊點(diǎn)電氣同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電氣自動(dòng)化，2012(4) : 37－38.

(本文責(zé)編:弋洋)

謝海建(1984—)，男，安徽黃山人，工程師，從事起重機(jī)械電氣控制方面的工作(E-mail: xiehj@ hdmdi.com)。

王繼東(1965—)，男，河南周口人，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事自動(dòng)化技術(shù)教學(xué)與科研方面的工作(E-mail:1209732553 @ qq.com)。

高金明(1982—)，男，河南商丘人，助理工程師，從事電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備研發(fā)等方面的工作(E-mail: gaojm@ hdmdi.com)。

作者簡(jiǎn)介:

收稿日期:2015－08－12;修回日期:2015－10－30

中圖分類(lèi)號(hào):TV 666.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

文章編號(hào):1674－1951(2016)01－0025－03