向家壩升船機單套驅動裝置嚴重故障工況下應急運行技術研究

劉恒 劉羽

摘 要：向家壩升船機提升系統利用四套電氣驅動裝置，采用同步軸剛性連接的方式驅動承船廂上下運行。升船機在執行船廂上下運行過程中，若發生單套驅動裝置損壞情況，將觸發升船機系統執行緊急故障停機。驅動系統故障若經檢查發現為驅動電機故障或者電氣傳動裝置相關故障，檢修恢復周期長，導致船舶滯留承船廂內無法進出，造成不良社會影響。為徹底解決因單套驅動裝置故障造成的船舶滯留情況，特研究在三套電氣驅動裝置運行工況下的緊急運行方案，徹底解決該類故障引起的船只滯留承船廂的故障。

關鍵詞：升船機;驅動系統;單套驅動故障

中圖分類號：U642? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）10-0141-02

向家壩升船機作為金沙江航道重要的航運設施，其安全運行要求尤其重要。由于向家壩升船機采用全平衡齒輪爬升螺母柱保安式結構，若發生單套驅動系統故障，將引起升船機緊急停機。為避免過機船舶滯留升船機承船廂內，特對該類故障進行深度技術分析，并提出具有可行性的技術方案。

1 向家壩升船機驅動系統分析

1.1 向家壩升船機驅動系統現狀

目前，向家壩升船機驅動系統為升船機的提升驅動的動力系統，在傳動控制站控制下，四套“變頻傳動裝置+電機”分別驅動四個小齒輪，通過爬升齒條提升承船廂。電氣傳動系統為四電機（機械軸同步）出力均衡交流變頻調速系統，傳動控制站將根據接收到的諸如上行、下行命令以及上/下行目標位、運行速度、船廂水位、給定上升/下降時間、承船廂的實際位置等初始狀態信息，按照運行時序通過現場總線控制電氣傳動裝置以及各個輔機按照既定時序運行，實現升船機的正常運行功能，同時各傳動設備將其運行參數和狀態傳遞給傳動控制站。

向家壩升船機驅動系統采用傳動控制站通過升船機主干冗余雙環網與上位機和其它控制子站實現數據交換，變頻調速柜與傳動控制站PLC之間通過PROFIBUS? DP現場總線實現通訊，主要通信內容是傳動控制站的控制指令、參數，同時返回驅動系統運行狀態及故障報警信息，通過網絡讀取外圍 I/O 信號給變頻調速柜等。

四套變頻調速柜之間通過 PROFINET 進行通訊，每套變頻器連接到 SCALANCE X202-2P IRT上轉換為光纖信號和其他驅動點通訊，實現四套電氣傳動裝置之間無擾主從切換控制和力矩均衡控制等。傳動控制站與驅動提升系統的網絡結構拓補示意圖如下圖所示。

1.2 傳動系統處理單套驅動故障方式分析

在升船機運行過程中，當四套傳動裝置中有任意 1 套損壞（或 1 臺電機損壞），由同步軸傳力驅動運行，其負載被正常運行的傳動裝置平均負擔，電氣傳動系統發出正常停機命令，其余 3 套傳動裝置只需要能夠不間斷繼續驅動承船廂完成當次正常停止運行即可，所以電氣傳動系統采用的是 4 套傳動裝置對等結構，僅在 1 號傳動裝置 SIMOTION D445 中運行時序控制、速度給定控制、速度斜坡控制、位置給定曲線控制、位置跟隨控制、對位控制、位置糾正控制以及系統全局故障處理等全局控制程序，當 1-4 號傳動裝置任何 1 套因故障退出運行時，其它 3 套正常運行的傳動裝置接收到退出運行傳動裝置的退出運行故障信號，其它 3 套正常運行的傳動裝置直接進入正常停止運行流程并自動地重新在 3 套正常的傳動裝置中合理分配運行負荷，實現正常停止運行流程過程中的出力均衡。若 1 號傳動裝置出現因故障退出運行時，則系統全局控制程序失效，比如：位置跟蹤控制、對位控制以及位置糾正等主要功能無法正常運行，無法實現 3 套傳動裝置仍能不間斷繼續驅動承船廂完成當次運行并完成手動對接的要求。

2單套驅動裝置故障情況下應急運行技術改造方案

在傳動控制站與傳動裝置之間增加一套驅動協調控制柜，通過兩個互為冗余的控制器SIMOTION D445來協調升船機電氣傳動系統的時序控制、速度給定控制、速度斜坡控制、位置給定曲線控制、位置跟隨控制、對位控制、位置糾正控制以及系統全局故障處理等。

驅動協調控制站與四套變頻調速柜之間均通過 PROFINET 環網進行通訊。驅動協調控制站與傳動控制站之間采用現場總線PROFIBUS? DP實現通訊，雙通道的DP通訊互為備用，當一條通訊鏈路故障時，不影響系統正常運行。驅動協調控制柜接受從傳動控制站傳來的控制命令，并將變頻器和電機的運行狀態和故障信息通過通訊的方式傳給傳動控制站PLC，重要的控制命令請求除了網絡通訊方式收發外，還應增加硬線通信，主要信號包括制動器的上閘松閘信號、系統正常停機命令、快速停機命令、緊急停機、緊急停機復位、上下游準確對位信號等，如圖2所示。

根據升船機船廂運行行程，將船廂運行速度、加速度、上/下游目標位置、船廂水深、船廂位置標定值等關鍵控制輸入信號引入驅動協調控制站控制器中，在驅動協調控制站中創建“虛擬主驅動點速度給定模塊”和“虛擬主驅動點位置給定曲線模塊”構成的虛擬主驅動點模型，獲得虛擬主驅動點的速度給定、位置給定曲線以及加速度給定等參考信號，以此構成向家壩升船機“機械同步+力矩均衡”電氣傳動系統。四個驅動點傳動裝置同時從驅動協調控制站的虛擬主驅動點獲得速度給定、位置給定曲線、加速度給定等信號，驅動協調控制站數據采用等時廣播方式有效發送給各傳動裝置。

主驅動點傳動裝置和從驅動點傳動裝置均工作在速度閉環的模式下，主驅動點傳動裝置始終跟隨驅動協調控制站發送的速度給定命令，從驅動點傳動裝置的速度給定由驅動協調控制站發送的速度給定命令以及速度補償給定（速度補償給定是主驅動點傳動裝置的實際力矩信號和相應驅動點傳動裝置的實際力矩信號偏差經調節后的輸出值）來決定，使相應從驅動點傳動裝置的速度作補償性調整，控制船廂安全、平穩運行。

3 結論

新增協調控制柜能夠彌補向家壩升船機驅動系統在設計功能上的欠缺，為向家壩升船機的穩定、高效、安全運行提供進一步的保障。單套驅動系統故障僅僅是造成船舶滯留承船廂的一種故障，只有繼續研究總結，通過切實可行的技術研究和現場改造，才能徹底避免船只滯留承船廂事件發生。

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