思林升船機(jī)主提升控制及傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用研究

羅曉鴻

（貴州烏江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司思林發(fā)電廠，貴州 銅仁565109）

1 概述

思林水電站位于貴州省東北部烏江干流中游河段，屬于烏江干流梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第6級(jí)電站，電站裝機(jī)1 050 MW（4×262.5 MW），多年平均發(fā)電量40.72億kW·h。電站樞紐由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪表孔、右岸引水系統(tǒng)和地下廠房、左岸垂直升船機(jī)等組成。升船機(jī)型式為全平衡鋼絲繩卷?yè)P(yáng)式垂直升船機(jī)，按一次通過(guò)500 t級(jí)的機(jī)動(dòng)船舶設(shè)計(jì)，由上游引航道、過(guò)壩渠道、升船機(jī)本體段及主體設(shè)備、下游引航道等組成，總長(zhǎng)951.8 m，軸線方位垂直于壩軸線，上游最高通航水位440 m，下游最低通航水位363.3 m，最大提升高度76.7 m，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)船型尺寸為：55 m×10.8 m×1.6 m（總長(zhǎng)×型寬×設(shè)計(jì)吃水深），升船機(jī)于2017年建成投入運(yùn)行。

思林升船機(jī)主提升設(shè)備布置在本體段的主機(jī)房?jī)?nèi)，主要包括4套卷?yè)P(yáng)提升機(jī)（轉(zhuǎn)矩卷筒、高低速減速器）、4套平衡滑輪組、8套安全平衡重卷筒組、1套安全制動(dòng)系統(tǒng)、1套機(jī)械同步軸系統(tǒng)、4套稀油潤(rùn)滑系統(tǒng)及電氣控制、傳動(dòng)、檢測(cè)等設(shè)備。每套提升機(jī)構(gòu)各由1臺(tái)200 kW的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，4套提升機(jī)構(gòu)間通過(guò)機(jī)械同步軸聯(lián)接，組成封閉的同步軸系統(tǒng)。

2 主提升控制系統(tǒng)功能

升船機(jī)關(guān)鍵任務(wù)就是完成承船廂升降運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)船舶過(guò)壩通航，而主提升控制系統(tǒng)首要任務(wù)是驅(qū)動(dòng)和控制主提升機(jī)房設(shè)備，完成對(duì)承船廂的升降動(dòng)作控制，是升船機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)。主提升控制系統(tǒng)控制設(shè)備如圖1所示。

圖1 思林升船機(jī)主提升設(shè)備布置圖

思林升船機(jī)主提升控制系統(tǒng)主要控制對(duì)象為4套電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，4套工作制動(dòng)器，96對(duì)安全制動(dòng)器，4 套減速機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑站以及其他輔助設(shè)備。主提升機(jī)的額定提升力2 060 kN，正常運(yùn)行速度為0.2 m/s。主提升控制系統(tǒng)主要有以下功能：

（1）主傳動(dòng)系統(tǒng)的監(jiān)控、通信與參數(shù)設(shè)置。

（2）主提升制動(dòng)器液壓泵站的啟、?？刂?。

（3）主提升各制動(dòng)器的松閘、上閘邏輯控制。

（4）減速器稀油潤(rùn)滑站油泵啟、?？刂啤?/p>

（5）承船廂找點(diǎn)停位檢測(cè)。

（6）承船廂運(yùn)行速度、行程與位置檢測(cè)。

（7）承船廂及鎖定裝置上、下極限位置檢測(cè)。

（8）同步軸扭矩值測(cè)量。

（9）接收并按照上位機(jī)的命令發(fā)運(yùn)行指令到傳動(dòng)站等。

3 主提升控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

由于機(jī)電設(shè)備分散布置在承船廂、上下閘首、主機(jī)間，根據(jù)以上特點(diǎn)，思林升船機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用分布式雙層結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)，分為現(xiàn)地控制層和上位機(jī)主控層[1]?，F(xiàn)地控制層與上位機(jī)主控管理層之間采用雙100 M工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。4套電氣傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)Profibus總線接口單元與傳動(dòng)控制子站相聯(lián)。主提升控制系統(tǒng)在上位機(jī)集中控制下或獨(dú)立完成對(duì)主提升機(jī)房設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)和控制功能。主提升控制系統(tǒng)實(shí)際包括兩大部分：主機(jī)房控制系統(tǒng)、電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，其構(gòu)成如圖2所示。

圖2 主提升控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 主機(jī)房控制系統(tǒng)

主機(jī)房控制系統(tǒng)主要由2面主機(jī)房配電柜、2面主提升主機(jī)房控制柜、1面主機(jī)房UPS柜組成。所有屏柜布置在主機(jī)房右岸控制室，控制系統(tǒng)采用雙機(jī)熱備冗余結(jié)構(gòu)，電源模塊、以太網(wǎng)模塊均按雙套配置，DI、DO、AI、AO、SSI等模塊按單套配置。

3.1.1 主機(jī)房配電柜

給布置在高程452 m的稀油潤(rùn)滑站系統(tǒng)、制動(dòng)器液壓泵站以及主機(jī)房控制柜供電，并通過(guò)儀表指示各用電單元狀態(tài)。

3.1.2 主機(jī)房控制柜

通過(guò)PLC接收并分析與升船機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的狀態(tài)，在滿(mǎn)足運(yùn)行條件下，接收并按照上位機(jī)的命令發(fā)運(yùn)行指令到傳動(dòng)站。現(xiàn)地手動(dòng)運(yùn)行主提升系統(tǒng)、制動(dòng)器液壓站和稀油潤(rùn)滑系統(tǒng)。

3.1.3 主機(jī)房UPS柜

為主提升控制柜各設(shè)備提供不間斷交流220 V電源，并配置一組96 V蓄電池組作為備用。

3.2 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)由1面?zhèn)鲃?dòng)控制柜和4套低壓交流變頻驅(qū)動(dòng)柜組成，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主提升系統(tǒng)布置4個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元由1臺(tái)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分別配置1套交流變頻傳動(dòng)裝置。4個(gè)驅(qū)動(dòng)單元之間采用矩形封閉式機(jī)械軸剛性聯(lián)接，組成機(jī)械軸同步多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。4套交流傳動(dòng)受主提升傳動(dòng)控制站控制，將4臺(tái)傳動(dòng)聯(lián)在一起，實(shí)現(xiàn)4套傳動(dòng)共用1個(gè)速度環(huán)、4套（3套、2套）傳動(dòng)出力均衡控制。

3.2.1 傳動(dòng)控制柜

接收來(lái)自主機(jī)房控制系統(tǒng)的升船機(jī)啟動(dòng)、停止命令。監(jiān)控各驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的制動(dòng)器狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行速度、停機(jī)標(biāo)志位和承船廂運(yùn)行位置等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些信息綜合判斷承船廂運(yùn)行條件，以及在承船廂運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其位置、速度和力矩進(jìn)行控制。

3.2.2 變頻驅(qū)動(dòng)柜

接收主傳動(dòng)控制柜命令并對(duì)主提升電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制，對(duì)主提升電機(jī)電源進(jìn)行供給和關(guān)斷。

4 主提升控制系統(tǒng)運(yùn)行模式、流程

4.1 主提升控制系統(tǒng)運(yùn)行模式

控制系統(tǒng)運(yùn)行模式主要分3種：遠(yuǎn)程模式、現(xiàn)地模式和檢修模式，這3種模式之間的切換功能由主機(jī)房1號(hào)控制柜上的觸摸屏實(shí)現(xiàn)。正常運(yùn)行以遠(yuǎn)程模式（上位機(jī)主控）為主，其他操作方式為輔。當(dāng)遇到緊急情況，控制柜上的急停按鈕用來(lái)觸發(fā)急停，旋轉(zhuǎn)急停按鈕可以解除急停狀態(tài)，但仍需再按下觸控屏上的復(fù)位按鈕來(lái)復(fù)位系統(tǒng)狀態(tài)。

4.2 主提升控制流程

主提升控制流程分為上行流程和下行流程，控制流程詳見(jiàn)圖4，流程啟動(dòng)方式根據(jù)運(yùn)行模式的不同而不同，同時(shí)電氣傳動(dòng)的啟停，總是與制動(dòng)器動(dòng)作配合。

圖4 主提升控制系統(tǒng)流程圖

5 主提升控制系統(tǒng)性能特點(diǎn)

（1）主機(jī)房控制柜和傳動(dòng)控制柜PLC雙機(jī)熱備，實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換，現(xiàn)地系統(tǒng)的容錯(cuò)功能較好。

（2）主提升控制系統(tǒng)使承船廂按5階段速度實(shí)現(xiàn)加速、勻速、減速、爬行和到位?？?，正常運(yùn)行升降加速度為0.01 m/s2，事故制動(dòng)加速度為-0.04 m/s2。

（3）思林升船機(jī)4套交流變頻傳動(dòng)裝置具備電流轉(zhuǎn)矩環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)3閉環(huán)全數(shù)字調(diào)速控制模式。構(gòu)成主傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，采用4套交流變頻傳動(dòng)裝置共用1個(gè)主速度環(huán)，形成1套由1個(gè)速度外環(huán)和4個(gè)電流轉(zhuǎn)矩環(huán)組成的調(diào)速系統(tǒng)和采用4個(gè)獨(dú)立速度外環(huán)加出力均衡調(diào)節(jié)2種方式[2]。為保證各個(gè)提升電機(jī)的速度、位置的同步性，均由一套傳動(dòng)控制站進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，各機(jī)構(gòu)變頻器采用同一個(gè)集成邏輯控制，變頻器控制在1套PLC中執(zhí)行。

（4）在制動(dòng)器松閘之前，通過(guò)速度環(huán)建立轉(zhuǎn)矩有一定時(shí)間，所以在承船廂負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下會(huì)出現(xiàn)速度突然上升或下降現(xiàn)象，為此在轉(zhuǎn)矩給定中增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩測(cè)量值信號(hào)，當(dāng)承船廂開(kāi)始運(yùn)行前，先預(yù)加電動(dòng)機(jī)的電氣軸轉(zhuǎn)矩，保證電動(dòng)機(jī)處于零速，承船廂保持平穩(wěn)不動(dòng)，然后控制系統(tǒng)命令電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)承船廂，按給定速度圖運(yùn)行，解決承船廂啟動(dòng)平穩(wěn)性問(wèn)題。

（5）4電機(jī)同步傳動(dòng)控制中，1號(hào)或2號(hào)交流變頻傳動(dòng)裝置具備主/從熱備無(wú)擾切換功能，1號(hào)為主交流變頻傳動(dòng)裝置運(yùn)行時(shí)，若此時(shí)1號(hào)故障，2號(hào)自動(dòng)切換為主用，當(dāng)4套交流變頻傳動(dòng)裝置中有1套（或?qū)蔷€2套）故障，其余3套（或剩余對(duì)角線2套）仍能驅(qū)動(dòng)承船廂完成本次通航[3]。此時(shí)，負(fù)荷將自動(dòng)地重新在2套完好的裝置中均勻分配，2套裝置的負(fù)載均不超過(guò)1.5倍的額定負(fù)載，系統(tǒng)仍能保持出力均衡，滿(mǎn)足轉(zhuǎn)矩差小于當(dāng)時(shí)平均轉(zhuǎn)矩3%的要求。

6 調(diào)試及應(yīng)用

思林升船機(jī)建設(shè)過(guò)程中按主提升空載調(diào)試、首次提升、有水聯(lián)合調(diào)試步驟進(jìn)行。

（1）空載調(diào)試在鋼絲繩未安裝，主提升系統(tǒng)的其他機(jī)電設(shè)備已安裝完畢的條件下進(jìn)行，主要驗(yàn)證主提升電氣控制系統(tǒng)如潤(rùn)滑油站、制動(dòng)器泵站及傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的正確性和故障處理及保護(hù)功能。

（2）首次提升按升船機(jī)運(yùn)行流程和設(shè)計(jì)功能要求，掛裝56塊平衡重（總計(jì)80塊），承船廂載水高度為1 046 mm進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得包括承船廂的變形數(shù)據(jù)和電機(jī)幾次提升的力矩變化值。發(fā)現(xiàn)并解決了主提升溜溝問(wèn)題，原因?yàn)檗D(zhuǎn)矩卷筒上的安全制動(dòng)器為40對(duì)，安全卷筒上的安全制動(dòng)器為56對(duì)，數(shù)量較多，且安全卷筒及轉(zhuǎn)矩卷筒制動(dòng)器屬于不同液壓管路，導(dǎo)致兩次松閘的間隔時(shí)間較長(zhǎng)（現(xiàn)場(chǎng)記錄約30 s，制動(dòng)器采用碟簧上閘、液壓松閘）。在該時(shí)間間隔中，電機(jī)的預(yù)加力矩完全被制動(dòng)器所克服，由于電機(jī)自身的特性所允許該狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間僅不超過(guò)20 s，電機(jī)處在被迫停止的狀態(tài)，因此，當(dāng)安全卷筒上的制動(dòng)器全部打開(kāi)時(shí)，電機(jī)由于自身的保護(hù)設(shè)置，預(yù)加力矩己經(jīng)消失，同時(shí)電機(jī)施加完整力矩的條件是所有制動(dòng)器全部松閘（預(yù)加轉(zhuǎn)矩是另外一個(gè)值），在松閘過(guò)程中，由于制動(dòng)器松閘的時(shí)間差及不同步性，如再有幾個(gè)制動(dòng)器沒(méi)有松閘，此時(shí)電機(jī)預(yù)加力矩又不足，導(dǎo)致溜鉤現(xiàn)象發(fā)生。為了解決此問(wèn)題，工程現(xiàn)場(chǎng)已對(duì)主提升制動(dòng)器控制流程進(jìn)行優(yōu)化，即安全卷筒與轉(zhuǎn)矩卷筒上的96對(duì)制動(dòng)器分開(kāi)控制，承船廂運(yùn)行前，先將安全卷筒制動(dòng)器打開(kāi)，正常?？恐贿M(jìn)行電機(jī)出口工作制動(dòng)器、轉(zhuǎn)矩卷筒制動(dòng)器全壓上閘制動(dòng)，緊急工況下安全卷筒制動(dòng)器和轉(zhuǎn)矩卷筒制動(dòng)器按照136 bar、108 bar、68 bar逐級(jí)進(jìn)行3級(jí)調(diào)壓上閘制動(dòng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證能夠保證主提升機(jī)構(gòu)及承船廂平穩(wěn)運(yùn)行。

（3）有水聯(lián)合調(diào)試對(duì)承船廂加額定2.5 m水深，承船廂與水體總重為3 300 t，平衡重總重也為3 300 t，主提升對(duì)承船廂的提升速度分別按額定速度0.2 m/s的25%、50%、100%進(jìn)行，通過(guò)多次全行程不同速度下的試驗(yàn)，驗(yàn)證了平衡重系統(tǒng)與承船廂的平穩(wěn)特性，100%速度下聯(lián)調(diào)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 100%速度下有水聯(lián)調(diào)主提升數(shù)據(jù)

7 結(jié)論

思林升船機(jī)主提升控制及電氣傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制流程設(shè)計(jì)合理，各設(shè)備承擔(dān)的控制功能完整，經(jīng)過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)機(jī)-電-液聯(lián)合調(diào)試的多次檢驗(yàn)和過(guò)程優(yōu)化調(diào)整，滿(mǎn)足運(yùn)行規(guī)范要求，思林升船機(jī)自2017年通航以來(lái)，多次完成船舶過(guò)壩任務(wù)，運(yùn)行效果較好。