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（1.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450015；2.鄭州鐵路局電務(wù)處，鄭州 450009）

基于雙D445控制模塊的升船機(jī)通信同步性測(cè)試研究

劉炳鋒1，秦聞?dòng)?

（1.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450015；2.鄭州鐵路局電務(wù)處，鄭州 450009）

三峽升船機(jī)具有噸位大、提升高度高、上下游水位變幅快等特點(diǎn)，是目前世界上技術(shù)難度和規(guī)模最大的升船機(jī)。以三峽升船機(jī)廠內(nèi)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)在AB公司PLC和西門子變頻傳動(dòng)裝置之間增加一套協(xié)調(diào)控制模塊（雙D445）的方法，搭建仿真模型，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該方法極大地提高了各吊點(diǎn)之間的同步性能。

三峽升船機(jī)；通信時(shí)間；仿真試驗(yàn)；同步性分析

0 引言［1］

三峽升船機(jī)是三峽水利樞紐的永久通行設(shè)施之一，主要用于為客貨輪和特種船舶提供快速過(guò)壩通道。與國(guó)內(nèi)外同類工程相比，三峽升船機(jī)具有提升重量大、升程高等技術(shù)特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)方案幾經(jīng)修改，最終確定為齒輪齒條爬升式方案，整體結(jié)構(gòu)由承船廂、鋼絲繩、滑輪組、平衡重、驅(qū)動(dòng)及剎車機(jī)構(gòu)等組成。

三峽升船機(jī)作為三峽工程的重要組成部分，安全、可靠性要求高。由于其噸位大、涉及設(shè)備多，導(dǎo)致其控制流程十分復(fù)雜。三峽升船機(jī)采用四吊點(diǎn)同步運(yùn)行，每個(gè)吊點(diǎn)設(shè)1個(gè)傳動(dòng)控制站，以AB公司可編程控制器（PLC）為主站；每個(gè)吊點(diǎn)含2套西門子變頻傳動(dòng)裝置，每套變頻傳動(dòng)裝置控制1臺(tái)電機(jī)，2臺(tái)電機(jī)通過(guò)剛性同步軸連接以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中的出力均衡。為了保障三峽升船機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中四吊點(diǎn)同步能夠達(dá)到較高的精度（三峽升船機(jī)四吊點(diǎn)同步誤差要求為2mm），傳動(dòng)控制站與變頻傳動(dòng)裝置之間的通信同步就顯得尤為重要。本文根據(jù)三峽升船機(jī)廠內(nèi)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)建立仿真模型，對(duì)升船機(jī)運(yùn)行過(guò)程中AB公司PLC與西門子變頻裝置之間的通信同步性進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)方案［2］

AB公司PLC默認(rèn)通信協(xié)議為ContorlNet通信協(xié)議，采用同軸電纜連接傳輸。而西門子變頻傳動(dòng)裝置采用PROFIBUS－DP現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議。兩者在通信協(xié)議、傳輸速率、傳輸方式、傳輸材質(zhì)上要求各有不同，不能采用直連的方式互聯(lián)互通。因此，在本次試驗(yàn)中將采用Woodhead公司生產(chǎn)的SST模塊作為通信網(wǎng)關(guān)，SST模塊通過(guò)自身的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)ControlLogix處理器和PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)交換。

為了提高三峽升船機(jī)傳動(dòng)控制站與變頻傳動(dòng)裝置之間的實(shí)時(shí)性，協(xié)調(diào)各個(gè)吊點(diǎn)位置控制的一致性，對(duì)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的配置和組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。本次仿真試驗(yàn)將在三峽升船機(jī)原吊點(diǎn)同步方案的基礎(chǔ)上增加2個(gè)SIMOTION D445控制器協(xié)調(diào)各個(gè)吊點(diǎn)之間的同步工作，實(shí)現(xiàn)位置給定、速度給定等全局變量的生成和調(diào)節(jié)，2個(gè)D445控制器“一主一備”，實(shí)時(shí)連接。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備［3－5］

傳動(dòng)控制柜，1套（雙冗余AB PLC）；西門子變頻傳動(dòng)裝置，6套（含SIMOTION 445－2 DP／PN）；西門子電機(jī)，6臺(tái)；測(cè)試PLC，1套（S7－416 PLC含配套模板）；SIMOTION D445，2塊（冗余配置）；SST模塊，2塊；光端機(jī)，8臺(tái)；光纖，通信電纜、動(dòng)力電纜、控制電纜等。

1.2 組成

在現(xiàn)有8套傳動(dòng)裝置中取6套參加試驗(yàn)，用增加的2個(gè)D445中的1個(gè)作為全局控制器協(xié)調(diào)整個(gè)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行。接收傳動(dòng)控制站發(fā)出的運(yùn)行命令和參數(shù)，將傳動(dòng)裝置的狀態(tài)回送傳動(dòng)控制站并協(xié)調(diào)各個(gè)傳動(dòng)裝置間的運(yùn)行。在系統(tǒng)配置中使用了控制器和傳動(dòng)裝置的通信同步功能，試驗(yàn)時(shí)各臺(tái)電機(jī)之間并無(wú)機(jī)械連接。

為了記錄電氣同步控制功能試驗(yàn)中各電機(jī)之間的同步性能，特設(shè)置1套SIEMENSS7－400 PLC，接收各傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)雙編碼器中的一路脈沖編碼器信號(hào)，通過(guò)計(jì)數(shù)積分分別得出各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在同一時(shí)刻的實(shí)際運(yùn)行位置（轉(zhuǎn)動(dòng)角度）。

1.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

6個(gè)變頻柜之間通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)連接，變頻柜與傳動(dòng)控制站之間采用PROFIBUS協(xié)議通信，用增加的＃1 D445作為主控制器協(xié)調(diào)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)工作。仿真試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 主D445與變頻裝置之間通信時(shí)間測(cè)試記錄ms

2 試驗(yàn)過(guò)程［6］

三峽升船機(jī)設(shè)計(jì)運(yùn)行速度為0.2m／s，西門子電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 000 r／min，電機(jī)角編碼器頻率為每轉(zhuǎn)2 048個(gè)脈沖，因此，為了滿足升船機(jī)四吊點(diǎn)同步2mm誤差限要求，主控制器與各個(gè)變頻裝置之間的單次通信時(shí)間須小于10ms，全行程同步測(cè)試每隔20 s記錄一次脈沖值，任何時(shí)刻兩吊點(diǎn)之間的脈沖差值必須小于200。

2.1 通信時(shí)間測(cè)試［7］

試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)程序下進(jìn)行，D445循環(huán)掃描周期為2ms，D445的運(yùn)行負(fù)荷約為45%，＃1 D445通過(guò)廣播形式發(fā)送40個(gè)字到＃1～＃6變頻裝置，＃1～＃6變頻裝置再將從＃1 D445接收到的40個(gè)字反饋給＃1 D445，測(cè)量循環(huán)時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

由于10次測(cè)試的時(shí)間均為往返時(shí)間，因此主D445與各個(gè)變頻裝置之間的直接通信時(shí)間應(yīng)取一半，各次試驗(yàn)測(cè)試最大通信時(shí)間為12ms，所以最大直接通信時(shí)間應(yīng)為6ms，滿足系統(tǒng)小于10ms的要求。同時(shí)由于各個(gè)吊點(diǎn)數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)間一致，單次通信時(shí)間滿足時(shí)間同步性要求。

2.2 全行程同步性測(cè)試［8－9］

通過(guò)傳動(dòng)控制站PLC的操作面板發(fā)出啟動(dòng)命令，各個(gè)電動(dòng)機(jī)以1000 r／min的速度運(yùn)行120m行程，系統(tǒng)模擬升船機(jī)到達(dá)指定高度自動(dòng)到位停止。用西門子S7－400來(lái)采集＃1，＃2，＃3，＃4吊點(diǎn)的脈沖數(shù)，每隔20 s記錄1次。其中，＃1吊點(diǎn)指＃1，＃2變頻裝置，測(cè)得的脈沖數(shù)為對(duì)應(yīng)電機(jī)脈沖的平均數(shù)；＃2吊點(diǎn)指＃3，＃4變頻裝置，測(cè)得的脈沖數(shù)為對(duì)應(yīng)電機(jī)脈沖的平均數(shù)；＃3吊點(diǎn)單指＃5變頻裝置，測(cè)得的脈沖數(shù)為＃5電機(jī)脈沖數(shù)；＃4吊點(diǎn)單指＃6變頻裝置，測(cè)得的脈沖數(shù)為＃6電機(jī)脈沖數(shù)。全行程試驗(yàn)分為上下行程，上行程結(jié)果為正值，下行程結(jié)果為負(fù)值，兩者具有相似性，本文僅列舉下行程。下行程中各時(shí)刻采集的脈沖數(shù)見(jiàn)表2。

＃1，＃2指兩個(gè)吊點(diǎn)間相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的脈沖差值，依此類推。由于篇幅過(guò)長(zhǎng)，吊點(diǎn)間差值數(shù)不再單獨(dú)列表，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在模擬三峽升船機(jī)全行程運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)應(yīng)時(shí)刻各吊點(diǎn)的脈沖差值均在200以內(nèi)，能夠滿足廠內(nèi)聯(lián)調(diào)各吊點(diǎn)同步性要求。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

表2 下行過(guò)程各時(shí)刻采集的脈沖數(shù)

圖2 脈沖差值

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了1套AB公司PLC與6套西門子變頻裝置之間的實(shí)時(shí)通信，通信過(guò)程中無(wú)丟包、錯(cuò)包現(xiàn)象，通信速率完全滿足三峽升船機(jī)四吊點(diǎn)同步需要。實(shí)際應(yīng)用表明，在傳動(dòng)控制站與變頻裝置之間額外增加2套D445作為協(xié)調(diào)控制器，相對(duì)于傳動(dòng)控制站與變頻裝置通過(guò)通信網(wǎng)關(guān)直連，極大地改善了ControlNet網(wǎng)與ProfiBus總線之間通信的可靠性，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速率，既能滿足復(fù)雜的控制需要，也能為同類應(yīng)用提供借鑒。

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（本文責(zé)編：白銀雷）

TV74

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1674－1951（2016）02－0011－03

劉炳鋒（1982—），男，河南平頂山人，工程師，工學(xué)碩士，從事啟閉機(jī)設(shè)備研究應(yīng)用方面的工作（E-mail：god1208＠126.com）。

2015－08－21；

2016－01－20