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，向家壩升船機輔助閘首工作門啟閉固卷實現了遠程控制、自動升降、準確定位的功能。本文詳述了該設備的電氣組成及特點和基于PLC的電機位置控制方法，希望為相關領域人員提供自動化控制案例參考。

關鍵詞：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，向家壩升船機設備連續安全穩定運行，在升船機下游設置了輔助閘室及輔助閘首工作門等設備。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，保證輔助閘室內水域水位穩定，為承船廂下游順利對接創造有利條件;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備通過人工操作來實現升降、定位功能，自動化水平較低，希望通過詳述該設備自動控制方法，為相關領域人員提供案例參考。

1 主要電氣設備

1.1 電機及驅動機構

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速三相異步電機，能與國內外各種變頻裝置配套構成交流調速系統，具有較高的精度和動態性能。低速度性能好，低頻時起動轉矩可達額定轉矩的150%，轉矩平滑，無爬行現象。

SINAMICS S120變頻調速柜是西門子低壓高性能驅動裝置，能滿足對動態性能和轉速精度具有很高要求的應用場合，還適合于頻繁進行制動能量較高的應用和采用四象限操作方式的應用場合。利用微處理器技術的全數字化開環和閉環控制，配有IGBT功率元件SINAMICS變頻器具備32位的分辨率來調整變量（電壓，頻率），并在電壓仿真模型中有一個復雜的預控制矩陣。這使得快速電流控制器可以進行最佳釋放，從而確保在 運行時的較高轉矩質量、準確性和動態響應。

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，可同時執行多個控制任務，觸發多個周期任務。

啟閉固卷采用該PLC冗余配置，雙機熱備實現數據采集，邏輯控制及故障保護，具備完善的操作、控制、監視及故障保護功能。主要實現功能有：電氣傳動系統的故障保護和不間斷運行功能;驅動電機和變頻裝置的監視和保護;制動器相關設備的控制和監視;電動推桿設備的控制和監視強制潤滑設備的控制;集中潤滑設備的控制;荷重檢測和監視;水位檢測和監視;行程檢測和監視。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 通訊設備

PLC控制層通訊通過同軸電纜或光纖電纜以ControlNet現場總線網絡形式完成，以生產者/消費者模式預定性信息，每個信號對應一個單獨的地址，占一個網絡節點，網絡所有節點同步，信息吞吐量大，速度快，網絡效率高，具有高速，高度確定和可重復性的網絡，特別適用于對時間苛刻要求的復雜應用場合的信息傳輸，可滿足同一鏈路上I/O數據、實時互鎖、端到端報文傳輸和編程/組態等信息應用的多樣要求。

PLC與變頻器之間通過第三方通訊轉換模塊采用Profibus DP通信方式實現“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，實現穩健、可靠的網絡功能，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個輸入字節和1968個輸出字節，通過專用軟件進行組態。

PLC與升船機集中監控系統通過光纖以高速工業以太網實現通訊，該網絡具有自診斷功能，能實時在線檢測網絡的運行狀態。若檢測到壞幀，網絡給出故障指示的同時自動轉換到冗余的連接上，保持網絡通訊的暢通。PLC采集現場的運行信息，通過該網絡上送給集中控制站并接收后者的命令，使輔助閘首設備平穩地按遠程指令運行。通訊網絡如圖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套傳動控制器構成的兩級控制系統結構方案，兩級之間通過底層現場總線網絡進行互連，其中，雙機熱備可編程序控制器承擔啟閉機的整體控制、電機位置控制，以及與升船機計算機監控系統的協調控制;傳動控制器承擔起升電機速度、電流（力矩）二閉環控制，以及起升電機機械同軸傳動的出力均衡協調控制。

2.2 電機速度、電流閉環控制

電機速度、電流的閉環控制通過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，其控制系統結構如圖3所示。PLC通過連續任務程序將采集到的絕對值編碼器數值與預期位置值進行比較，得到位置差S差，在將位置差S差實時傳遞給PLC周期任務程序，周期任務按照一定公式計算得到速度值，傳遞給變頻器，變頻器根據速度值產生特定頻率的電壓和電流，驅動電機轉動，電機帶動卷筒旋轉，產生位移進而改變位置。

2.4? 位置控制實現方法

（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算值之間的差值。

（2）建立連續型的任務程序，連續不間斷的計算出位置差S差，S差=S預設-S實際。

（3）建立周期性任務程序，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，可以調節啟、停時的加速度大小。周期性任務程序周期設置越小，位置控制精度越高。

（4）V實不能超過額定速度值，當大于額定速度時，由連續性程序任務處理為額定值輸出;當小于等于額定速度時，直接輸出，通過SST通訊模塊發送給變頻器，進而控制變頻器輸出，實現位置控制。

當周期性任務程序周期設置為30ms，額定轉速為600rpm，不同時間系數t下，速度曲線如圖4-5所示。

3 結果與討論

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良好，位置控制精度可達到1mm，達到了預期效果，對相關領域自動控制系統設計有一定借鑒意義。

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