謝海建，王繼東，高金明

(1.華電鄭州機械設(shè)計研究院有限公司，鄭州　450052; 2.中州大學機電與汽車工程學院，鄭州　450044)

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2×1000kN臺車式啟閉機雙吊點電氣同步系統(tǒng)的設(shè)計

謝海建1，王繼東2，高金明1

(1.華電鄭州機械設(shè)計研究院有限公司，鄭州450052; 2.中州大學機電與汽車工程學院，鄭州450044)

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

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

0　引言

隨著我國水電建設(shè)的迅猛發(fā)展，水電站及船閘航運工程規(guī)模不斷擴大，大跨度閘門啟閉設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛。傳統(tǒng)的大容量雙吊點臺車式啟閉機具有獨立的驅(qū)動機構(gòu)和傳動系統(tǒng)，兩者通過中間傳動軸實現(xiàn)同步運行。這種同步方式安裝難度大，造價高，且運行時沖擊大，故障率高。在設(shè)計大跨度雙吊點啟閉機時，為防止中間傳動軸下垂變形，還需要增設(shè)1套或多套中間支承座，使工程造價進一步增加。同時，當啟閉機的吊點距大于8 m時，即使增設(shè)2個中間支承座和增大傳動軸直徑也很難滿足DL/T 5167—2002《水電水利工程啟閉機設(shè)計規(guī)范》［1］對傳動軸剛度的要求，限制了大跨度閘啟閉機在水電工程中的應(yīng)用。因此，隨著水電建設(shè)的發(fā)展，迫切需要一種科學、先進、可靠、經(jīng)濟的電氣同步方案。本文以西江長洲樞紐三、四線船閘工程2×1000 kN大跨度臺車式啟閉機為例，介紹了一種先進、科學的雙吊點電氣同步方案。

1　工程案例

西江長洲樞紐三、四線船閘工程總投資30.35億元，單向設(shè)計年通過能力9 200萬t，閘室有效長度為340.0 m，寬度為34.0 m，門檻水深為5.8 m，是目前國內(nèi)規(guī)模最大的單級船閘工程。根據(jù)該工程船閘金屬結(jié)構(gòu)計算和布置，設(shè)計確定該船閘啟閉機的容量為2×1000 kN，揚程為60.0 m，吊點距為17.4 m。臺車式啟閉機主要用于抬吊長度為34m的疊梁門，每個起升機構(gòu)都采用1臺60 kW的變頻電動機。為防止疊梁門卡門槽，要求2個起升機構(gòu)同時工作，吊點高度差小于20 mm，但傳統(tǒng)的中間傳動軸同步方案難以滿足設(shè)計規(guī)范對啟閉機傳動軸剛度的要求。

在設(shè)計時，臺車式啟閉機2個起升機構(gòu)選用相同型號的電動機，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個吊點同步的必要條件。但2臺電動機的電氣參數(shù)、鋼絲繩卷筒直徑及鋼絲繩的受力情況不可能完全相同，且起重機的起升高度又比較高，勢必會導(dǎo)致2個起升機構(gòu)在運行過程中產(chǎn)生高度偏差，當?shù)觞c偏差大于20mm時，疊梁門就會傾斜卡門槽，后果十分嚴重。

為解決這一技術(shù)難點，滿足雙吊點同步要求，項目采用絕對值編碼器實時精確測量鋼絲繩卷筒轉(zhuǎn)動圈數(shù)，通過可編程邏輯控制器(PLC)精確運算，實現(xiàn)對吊點的控制。

2　系統(tǒng)硬件配置［2－3］

系統(tǒng)核心硬件是德國Siemens公司的S7－300 型PLC，它作為系統(tǒng)的控制主站，通過SM338計數(shù)模塊采集絕對值編碼器的轉(zhuǎn)動圈數(shù)，通過精確運算，實時控制變頻器的運行，實現(xiàn)2個吊點的同步運行和自動糾偏。

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

起升機構(gòu)選用相同型號電動機，雙吊點獨立驅(qū)動，變頻器采用1個控制單元CU320及2個功率單元PM340的主從應(yīng)用模式。控制單元CU320DP通過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)，實現(xiàn)雙吊點的閉環(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［4－5］

以雙吊點的高度作為控制對象，采集編碼器的高度信號，通過PLC精確運算，實時控制變頻器的輸出頻率，從而實現(xiàn)雙吊點的同步運行和自動糾偏，其具體步驟如下。

(1)讀取變頻器狀態(tài)字，寫出變頻器控制字。采用西門子Free telegram configuration with BICO報文通信方式，實現(xiàn)變頻器和PLC之間的數(shù)據(jù)交換。VECTOR_02實現(xiàn)對主起升#1吊點的驅(qū)動控制，VECTOR_03實現(xiàn)對主起升#2吊點的驅(qū)動控制。通過MOVE指令，讀取VECTOR_02狀態(tài)字PIW230并放入存儲器MW0，讀取VECTOR_03狀態(tài)字PIW260放入存儲器MW4;將VECTOR_02控制字通過存儲器MW16送到PQW230，將VECTOR_03控制字通過存儲器MW18送到PQW260。

(2)給變頻器送速度值。司機室操作臺作為運行指令發(fā)送器，根據(jù)不同的手柄操作檔位，發(fā)送相應(yīng)的數(shù)字量指令信號給PLC。PLC根據(jù)收到的手柄指令信息，把速度控制信號(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MOVE指令，將PQW232值寫到VECTOR _02的P1070［0］Main setpoint中，將PQW262值寫到VECTOR_03的P1070［0］Main setpoint中，實現(xiàn)對應(yīng)擋位的速度控制。

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

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

利用水準儀選定參考點，然后把#1，#2吊點單動運行至參考點，在觸摸屏上按下標定按鈕，標定位置值分別送到DB5.DBD0和DB5.DBD16。

(4)判斷吊點位置。在起升機構(gòu)運行過程中，通過比較#1吊點編碼器當前數(shù)據(jù)MD 90和同步標定數(shù)據(jù)DB5.DBD0數(shù)值的大小，比較#2吊點編碼器當前數(shù)據(jù)MD 94和同步標數(shù)據(jù)DB5.DBD16數(shù)值的大小，判定2個吊點的位置關(guān)系。經(jīng)分析，共有4種狀態(tài)，如圖2所示。

圖2　2個吊點位置狀態(tài)

(5)計算吊點偏差值。通過比較編碼器當前數(shù)據(jù)和同步標定數(shù)據(jù)，確定當前吊點的位置狀態(tài)，計算吊點的偏差。以位置工況A＞A1，B＞B1為例，進行吊點偏差ΔP的計算。

#1吊點偏差ΔA = A－A1;#2吊點偏差ΔB = B－B1。

若ΔA＞ΔB，則偏差值ΔP =ΔA－ΔB;反之，偏差值ΔP =ΔB－ΔA。

PLC編程語言如圖3所示。

(6)吊點同步、自動糾偏功能的實現(xiàn)。2×1000 kN臺車式啟閉機，鋼絲繩卷筒轉(zhuǎn)動1周，起升高度變化0.606 8 m，編碼器和鋼絲繩卷筒傳動比為1∶1，編碼器單圈脈沖輸出數(shù)為8192。為避免疊梁門卡門槽，起升雙吊點偏差需控制在20mm以內(nèi)，20 mm的吊點偏差換算成編碼器數(shù)值為起升機構(gòu)運行過程中，吊點的位置偏差ΔP＜270，無需糾偏;ΔP≥270，自動糾偏實現(xiàn)同步。以位置狀態(tài)A＞A1，B＞B1為例，自動糾偏程序流程框圖如圖4所示。

圖3　吊點偏差計算程序

圖4　自動糾偏程序

4　結(jié)束語

2×1000kN臺車式啟閉機于2014年8月在長洲水利樞紐三、四線船閘工程工地順利投入運行。運行1年來，多次順利完成了下疊梁門擋水和提疊梁門入庫任務(wù)，雙吊點電氣同步系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，吊點偏差始終控制在20mm以內(nèi)，從未出現(xiàn)卡門槽現(xiàn)象。同時，采用同步系統(tǒng)后，取消了原設(shè)計的雙吊點剛性同步連接軸，大大節(jié)約了設(shè)備造價，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踐驗證。

參考文獻:

［1］水電水利工程啟閉機設(shè)計規(guī)范: DL/T 5167—2002［S］.

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

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

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

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

(本文責編:弋洋)

謝海建(1984—)，男，安徽黃山人，工程師，從事起重機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，教授級高級工程師，從事自動化技術(shù)教學與科研方面的工作(E-mail:1209732553 @ qq.com)。

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

作者簡介:

收稿日期:2015－08－12;修回日期:2015－10－30

中圖分類號:TV 666.4

文獻標志碼:B

文章編號:1674－1951(2016)01－0025－03