呂科，車曉杰，張光樂(lè)

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030；2.杭州國(guó)電機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

卷?yè)P(yáng)提升式升船機(jī)采用對(duì)稱安裝在塔架頂部的多臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)，通過(guò)卷筒上的鋼絲繩使承船廂作升降運(yùn)行。為保證各卷筒的同步運(yùn)行，在各卷筒之間加設(shè)閉環(huán)剛性同步軸。卷?yè)P(yáng)垂直升船機(jī)一般采用4臺(tái)電動(dòng)機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)，用矩形閉環(huán)剛性軸聯(lián)接，組成多臺(tái)電動(dòng)機(jī)同軸傳動(dòng)系統(tǒng)。

垂直升船機(jī)不同于一般的提升下降起重機(jī)械設(shè)備，其穩(wěn)定性、可靠性和安全性是升船機(jī)船廂穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，必須首先考慮。因此設(shè)計(jì)過(guò)程中，有許多復(fù)雜的問(wèn)題有待試驗(yàn)研究，如多電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)控制方案和控制策略的選擇、各電機(jī)出力均衡控制、平穩(wěn)升降控制、冗余控制等［1-2］。

1 升船機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)特性

卷?yè)P(yáng)垂直升船機(jī)主拖動(dòng)系統(tǒng)為多點(diǎn)傳動(dòng)，主拖動(dòng)方案采用交流變頻器傳動(dòng)，通過(guò)機(jī)械同步軸拖動(dòng)有水的承船廂。其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳動(dòng)裝置示意圖Fig.1 Drive schematic diagram

其中每臺(tái)電機(jī)經(jīng)過(guò)各自的減速機(jī)帶動(dòng)卷筒，通過(guò)鋼絲繩提升、下放船廂。繩的另一端懸掛平衡重，船廂和水的重量與平衡重部分或全平衡，電機(jī)僅提供加、減速力矩和不平衡力矩［3］。

針對(duì)升船機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)，要求電氣傳動(dòng)控制具有以下特性。

1）電氣傳動(dòng)能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)給定的速度曲線，且速度穩(wěn)定波動(dòng)小。

2）由于多軸剛性連接，電機(jī)速度，位置被迫一致，因此要求各個(gè)電機(jī)出力一致。

3）設(shè)計(jì)中4臺(tái)驅(qū)動(dòng)同時(shí)驅(qū)動(dòng)承船廂，考慮了一定的余量，因此要求一臺(tái)電機(jī)故障退出驅(qū)動(dòng)時(shí)，主提升拖動(dòng)仍能可靠地運(yùn)行一次。

4）由于同步軸的剛性系數(shù)、慣量，長(zhǎng)度，齒隙等因素影響，每個(gè)電機(jī)受力在動(dòng)態(tài)上是不一致的，容易造成機(jī)械軸的變形及振蕩。

通過(guò)以上傳動(dòng)系統(tǒng)的特性分析可得：在多電機(jī)同軸傳動(dòng)中，各電機(jī)速度是被強(qiáng)制同步在機(jī)械軸上。由于加工制造等因素，使電機(jī)、變頻器、編碼器等之間的固有機(jī)械特性總存在差異。如果各電機(jī)都采用各自的速度環(huán)控制，那么各電機(jī)之間會(huì)產(chǎn)生巨大的力矩差，嚴(yán)重時(shí)甚至扭斷同步軸，使整個(gè)升船機(jī)發(fā)生故障，因此，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中必須要求電機(jī)出力均衡［4］。

2 主/從控制系統(tǒng)方案研究

通過(guò)以上傳動(dòng)系統(tǒng)特性分析，電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置不能獨(dú)立控制，而必須協(xié)調(diào)控制［5］。因此設(shè)計(jì)了以下2種方案。

2.1 主/從控制-轉(zhuǎn)矩環(huán)出力均衡控制

如圖2所示。4套傳動(dòng)裝置，設(shè)置其中一套為主傳動(dòng)裝置，其余為從傳動(dòng)裝置。主傳動(dòng)裝置采用速度環(huán)、電流環(huán)雙閉環(huán)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)承船廂的速度精度控制。從傳動(dòng)共用主傳動(dòng)的速度環(huán)，而自身采用獨(dú)立的電流環(huán)閉環(huán)控制。從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳動(dòng)裝置出力均衡。在此方案中，速度環(huán)，電流環(huán)均采用PI控制。

圖2 主/從控制-轉(zhuǎn)矩環(huán)出力均衡控制Fig.2 M/F control-torque loop out put balance controlsystem

2.2 主/從控制-速度環(huán)出力均衡控制

如圖3所示。4套傳動(dòng)裝置，都通過(guò)速度環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)雙閉環(huán)控制，并且以1#傳動(dòng)裝置為主傳動(dòng)。從傳動(dòng)通過(guò)設(shè)置力矩均衡控制器，以主傳動(dòng)速度環(huán)輸出的力矩給定和從傳動(dòng)速度環(huán)輸出的力矩給定之差為輸入，經(jīng)過(guò)比例調(diào)節(jié)控制器，累加到各自從傳動(dòng)裝置的速度給定上，能夠使從傳動(dòng)跟隨主傳動(dòng)的出力，軟化從站速度環(huán)控制特性以實(shí)現(xiàn)主從站的電流均衡。此種方案既能減小各自速度控制造成的出力差，保證出力均衡，又能保證各自轉(zhuǎn)動(dòng)裝置由于負(fù)載差異變化的響應(yīng)速度。

圖3 主/從控制-速度環(huán)出力均衡控制Fig.3 M/F control-speed loop out put balance controlsystem

2.3 仿真模型建立

針對(duì)以上幾種控制方式，在Matlab中建立相對(duì)應(yīng)的4套傳動(dòng)裝置模型。各傳動(dòng)裝置有各自的獨(dú)立性、各自的測(cè)速裝置、各自的交流逆變裝置、速度控制裝置等，因此在仿真過(guò)程中各個(gè)傳動(dòng)裝置參數(shù)不是完全一樣，在小范圍內(nèi)具有一定的差異性。各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的差異性，最終主要表現(xiàn)在傳動(dòng)裝置末端共軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度上，使末端轉(zhuǎn)動(dòng)角度有差異，從而形成了聯(lián)動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩。相對(duì)電機(jī)來(lái)說(shuō)是負(fù)載的擾動(dòng)。仿真中采用兩兩電機(jī)間的轉(zhuǎn)角差乘以聯(lián)動(dòng)軸的剛性系數(shù)作為電機(jī)的擾動(dòng)干擾。如果每套傳動(dòng)裝置采用獨(dú)立的速度環(huán)，聯(lián)動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩由于轉(zhuǎn)角差的積累，此轉(zhuǎn)矩可能會(huì)達(dá)到很大，甚至使聯(lián)動(dòng)軸斷裂，影響整個(gè)主提升的正常工作，因此需要保證各電機(jī)的出力均衡。圖4～圖6分別對(duì)幾種控制方式進(jìn)行了仿真［6］。

圖4 主/從控制-轉(zhuǎn)矩環(huán)出力均衡控制轉(zhuǎn)矩和速度曲線Fig.4 The torque and speed curves of M/F controltorqueloop output balance control system

圖5 速度環(huán)獨(dú)立控制轉(zhuǎn)矩和速度曲線Fig.5 The torque and speed curves of speedloop independent control system

圖6 主/從控制-速度環(huán)出力均衡控制轉(zhuǎn)矩和速度曲線Fig.6 The torque and speed curves of M/F control speedloop output balance control system

仿真程序在第2 s使4#電機(jī)加入階躍擾動(dòng)。從以上仿真圖可以看出，主/從控制-轉(zhuǎn)矩環(huán)出力均衡控制能夠很好地控制各傳動(dòng)裝置出力均衡，且速度控制也較快較穩(wěn)。主/從控制-速度環(huán)出力均衡控制能夠更好地實(shí)現(xiàn)各電機(jī)的速度控制，且能夠使各傳動(dòng)裝置出力差控制在一定范圍內(nèi)。速度環(huán)獨(dú)立控制中的各傳動(dòng)裝置，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，各傳動(dòng)之間的轉(zhuǎn)矩會(huì)變得越來(lái)越大，從而影響整個(gè)控制。因此升船機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)推薦使用前兩種方式。

3 主/從控制系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)

在升船機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，4臺(tái)傳動(dòng)中的從傳動(dòng)故障切換，相對(duì)容易，難點(diǎn)是4臺(tái)傳動(dòng)中的主傳動(dòng)故障切換，將1臺(tái)原來(lái)的主傳動(dòng)裝置切除，從傳動(dòng)升為主傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換。以下為兩種實(shí)現(xiàn)方案。

3.1 I/O方式主/從控制實(shí)現(xiàn)方案

多臺(tái)傳動(dòng)通過(guò)傳動(dòng)控制站PLC的I/O實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)控制，多臺(tái)傳動(dòng)中一臺(tái)為主，一臺(tái)為備。在正常運(yùn)行過(guò)程中，備主傳動(dòng)與從傳動(dòng)一樣，跟隨主傳動(dòng)力矩。一旦主傳動(dòng)故障，PLC立即切除主傳動(dòng)，備傳動(dòng)升為主傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單直觀，控制容易。

傳動(dòng)控制PLC將傳動(dòng)控制命令發(fā)到變頻器傳動(dòng)I/O板的開(kāi)關(guān)量輸入端口，用于遠(yuǎn)程控制啟動(dòng)、停止等功能。變頻器傳動(dòng)I/O板輸出端口，用于輸出傳動(dòng)內(nèi)部的狀態(tài)信息，PLC能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)傳動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。升船機(jī)速度給定，通過(guò)PLC模擬量輸出模塊輸出±10 V電壓信號(hào)給變頻器傳動(dòng)的模擬量輸入端口1。轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)通過(guò)PLC模擬量電壓輸出模塊給到傳動(dòng)模擬量輸入端口2。

通過(guò)PLC的模擬量輸入、輸出模塊，能夠很好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩給定，及獲取電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)從傳動(dòng)的力矩跟隨。此方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性較好，但力矩跟隨信號(hào)需要通過(guò)PLC接受轉(zhuǎn)發(fā)，從傳動(dòng)力矩跟隨具有一定的滯后性。

3.2 總線方式主/從控制實(shí)現(xiàn)方案

本升船機(jī)的提升機(jī)構(gòu)由4臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，4套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直接由機(jī)械同步軸連接，屬于硬性聯(lián)接的運(yùn)行結(jié)構(gòu)，特別適合采用高性能的4象限交流傳動(dòng)變頻器來(lái)控制該升船機(jī)的升降運(yùn)行。為了滿足升船機(jī)安全、可靠、同步、平穩(wěn)的升降運(yùn)行要求，系統(tǒng)采用冗余傳動(dòng)控制方案。

由4臺(tái)升船電機(jī)、4臺(tái)分別對(duì)應(yīng)于4象限變頻器、1個(gè)冗余主-從同步控制單元、同步控制光纜、2套冗余PLC系統(tǒng)、2套冗余上位組態(tài)操作監(jiān)控主機(jī)、冗余主控網(wǎng)絡(luò)等組成了升船機(jī)冗余同步傳動(dòng)控制系統(tǒng)。如圖7所示。

圖7 總線方式主/從同步控制系統(tǒng)Fig.7 M/F synchronization control system based on field bus

通過(guò)NDTU-95將4臺(tái)變頻器傳動(dòng)裝置組成M/F星形鏈路。通常設(shè)置1#升船電機(jī)變頻器為主傳動(dòng)，將其他變頻器設(shè)置為從傳動(dòng)，從傳動(dòng)變頻器接受來(lái)自主傳動(dòng)變頻器啟動(dòng)/停止、運(yùn)行方向、速度和力矩給定信號(hào)，而主傳動(dòng)變頻器通過(guò)通訊環(huán)路接受來(lái)自PLC系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止、速度給定信號(hào)，啟動(dòng)/停止升船機(jī)時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)只需操作控制主傳動(dòng)變頻器，而主傳動(dòng)變頻器會(huì)通過(guò)同步光纜通訊自動(dòng)將啟動(dòng)/停止、運(yùn)行方向、力矩給定信號(hào)以廣播方式送到其他從傳動(dòng)變頻器并啟動(dòng)/停止其他從傳動(dòng)變頻器的運(yùn)行，在正常啟動(dòng)升船機(jī)后，主傳動(dòng)變頻器能自動(dòng)分配每臺(tái)從傳動(dòng)電機(jī)的力矩，通過(guò)平衡力矩來(lái)自動(dòng)調(diào)整每臺(tái)從傳動(dòng)電機(jī)的速度，從而達(dá)到升船機(jī)4臺(tái)電機(jī)的同步升/降運(yùn)行。一旦主機(jī)變頻器發(fā)生故障而不能運(yùn)行時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)可以將某一臺(tái)從機(jī)的變頻器切換成主機(jī)，從而由3臺(tái)正常的升船機(jī)變頻器組成新的主-從傳動(dòng)系統(tǒng)。

4 主/從控制方案應(yīng)用

黃山升船機(jī)部分設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

最大提升載荷：下游水位以上1310 kN；入水后2190 kN（峰值）。

承船廂運(yùn)行速度：0.13 m/s（力矩零點(diǎn)以上），0.03 m/s（力矩零點(diǎn)以下）。

承船廂行程：最大工作行程8.00 m，最小1.00 m。

升船機(jī)選用4臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)功率75 kW，按重載選配，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)選用ABB直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的ACS800-17系列的單傳動(dòng)，4象限運(yùn)行，柜式結(jié)構(gòu)。并配置如下選項(xiàng)：1）編碼器接口板：RTAC-01；2）以太網(wǎng)通訊板；3）主/從控制軟件；4）提升機(jī)控制軟件；5）4套構(gòu)成主從應(yīng)用所需的接口板及通訊輔件（RDCU-02C控制單元、NDBU-95光纖分配器等）；6）柜輸入側(cè)接觸，急停，主開(kāi)關(guān)等。

升船機(jī)傳動(dòng)控制站采用施耐德公司Quantum系列PLC，組成雙機(jī)冗余PLC系統(tǒng)。通過(guò)以太網(wǎng)與上位監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)升船機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的集中監(jiān)控，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線與4套交流變頻傳動(dòng)裝置通訊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控保護(hù)。通過(guò)NDBU-95將4臺(tái)變頻傳動(dòng)裝置和RDCU-02C的CH2通道組成M/F星形鏈路，并將它們的CH3通道組成環(huán)形鏈路和傳動(dòng)控制站連接。黃山升船機(jī)采用方案2實(shí)現(xiàn)。

將 4臺(tái) ACS800 變頻器分別配置成 1#，2#，3#，4#傳動(dòng)，將1#設(shè)為主機(jī)，其余設(shè)為從機(jī)。參數(shù)設(shè)置如下：38.01：MASTER CONFIG SEL 0；38.02：MASTER SELECTION 8H；70.20：CH3 HW CONNECTION RING；70.32：CH2 HW CONNECTION STAR；99.02：APPLIC SELECTOR M/F。

當(dāng)1#主機(jī)故障時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)主機(jī)的切除，將2#從機(jī)設(shè)置為主機(jī)。將1#傳動(dòng)主狀態(tài)8.01內(nèi)容實(shí)時(shí)的監(jiān)控，當(dāng)主機(jī)故障或非正常斷電時(shí)，主狀態(tài)字由0變1，作為主動(dòng)切換的觸發(fā)條件。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線修改參數(shù)：38.02：MASTER SELECTION 8H→10H（2#）3#傳 動(dòng) ；70.17：FOLL SPEED REF MASTER→FOLL；70.29：FOLL DS SEL FOLL NODE2→FOLL NODE3（跟隨新主機(jī) 2#）。

5 結(jié)論

升船機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的被控對(duì)象是一個(gè)同側(cè)二軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)。由于二軸的剛性連接，理論上各個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的力矩、速度和位置要求嚴(yán)格一致，但由于聯(lián)動(dòng)軸的剛性系數(shù)、聯(lián)動(dòng)軸慣量、磨損差異、生產(chǎn)制造離散性、軸變形等肯定會(huì)引起系統(tǒng)的位置、速度偏差。因此，每個(gè)傳動(dòng)裝置不能單獨(dú)的速度控制，必須相互協(xié)調(diào)控制。從對(duì)不同控制模式下的仿真實(shí)驗(yàn)可以得出，主/從控制-轉(zhuǎn)矩環(huán)出力均衡控制和主/從控制速度環(huán)出力均衡控制都能滿足升船機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)控制的要求。前者各傳動(dòng)點(diǎn)的力矩出力控制更均衡，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。后者更強(qiáng)調(diào)各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的速度控制及單個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)負(fù)載擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，調(diào)試比較困難。針對(duì)不同的控制要求及拖動(dòng)的機(jī)械特性選擇響應(yīng)的控制模式。

針對(duì)以上兩種控制方式的實(shí)現(xiàn)方案，兩種方案都可以實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的I/O控制方案更加直觀、經(jīng)濟(jì)。新型的總線式控制方案，更加安全可靠，控制效果更好。

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