辜 建 儒，　蔣 從 軍

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都　610081)

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先進(jìn)電氣控制技術(shù)在錦屏一級(jí)水電站400 t+400 t橋機(jī)中的運(yùn)用

辜 建 儒，蔣 從 軍

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610081)

摘要：介紹了錦屏一級(jí)水電站400 t+400 t橋機(jī)控制系統(tǒng)的配置結(jié)構(gòu)、工作原理及技術(shù)特點(diǎn)，以及Profibus-DP、MPI等通訊在橋機(jī)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：Profibus-DP；MPI；變頻器；PLC；ET200(分布式I/O)；錦屏一級(jí)水電站

1概述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水電站橋機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用了PLC、變頻傳動(dòng)等工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，PLC+變頻調(diào)速逐漸成為起重機(jī)的主流電控系統(tǒng)方案。如何最大限度地發(fā)揮和利用工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的先進(jìn)性能，滿足橋機(jī)的工藝要求，降低故障率，提高維護(hù)效率亦成為電控系統(tǒng)的主要目標(biāo)。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展，為先進(jìn)電氣控制技術(shù)在電站橋機(jī)的成功應(yīng)用提供了可靠的支持平臺(tái)。

筆者以錦屏一級(jí)水電站2臺(tái)400 t+400 t橋機(jī)為例，介紹了利用PLC及Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、MPI通訊、變頻控制技術(shù)構(gòu)成先進(jìn)電控系統(tǒng)在橋機(jī)中的應(yīng)用。

2系統(tǒng)情況

錦屏一級(jí)水電站主廠房設(shè)有2臺(tái)(400 t+400 t/160 t)雙小車橋式起重機(jī)，主要用于發(fā)電機(jī)組等設(shè)備的安裝、檢修。最大載荷為吊水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和平衡梁總重1 400 t)，需要2臺(tái)橋機(jī)中的4套獨(dú)立的起升機(jī)構(gòu)共同抬吊完成。在起吊過(guò)程中要求平衡梁保持水平。2臺(tái)橋機(jī)抬吊作業(yè)時(shí)可以任意指定主機(jī)、從機(jī)，在主機(jī)上實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的單獨(dú)或聯(lián)動(dòng)操作。

每臺(tái)橋機(jī)由起升機(jī)構(gòu)、大車行走機(jī)構(gòu)、小車行走機(jī)構(gòu)等部分組成，其中起升機(jī)構(gòu)通過(guò)手動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高速輕載160 t或低速重載400 t的切換。電氣控制系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、各機(jī)構(gòu)傳動(dòng)調(diào)速裝置、消息管理裝置組成。每臺(tái)橋機(jī)有1套西門子公司生產(chǎn)的S7-300系列PLC、1臺(tái)PC577觸摸式面板工控機(jī)、6臺(tái)西門子公司生產(chǎn)的6SE70系列交流變頻器、3套ET200(分布式I/O)。PLC通過(guò)Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線連。

聯(lián)接各變頻器、ET200和工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和檢測(cè)，完成對(duì)各機(jī)構(gòu)變頻器的控制。2臺(tái)橋機(jī)并機(jī)抬吊作業(yè)時(shí)，通過(guò)MPI通信實(shí)現(xiàn)2臺(tái)橋機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)配置情況見(jiàn)圖1。

橋機(jī)各起升機(jī)構(gòu)吊點(diǎn)的上、下極限均設(shè)置了雙重保護(hù)。一套是起升機(jī)構(gòu)卷筒上安裝的進(jìn)口絕對(duì)值編碼器，實(shí)時(shí)檢測(cè)起升機(jī)構(gòu)高度對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)送入可編程控制器，PLC程序按一定的比例關(guān)系處理運(yùn)算后，實(shí)際高度值送觸摸屏顯示；另一套為機(jī)械式上、下極限限位開關(guān)，當(dāng)?shù)蹉^運(yùn)行到上、下極限時(shí)，自動(dòng)停止起升機(jī)構(gòu)的升降。各起升機(jī)構(gòu)還設(shè)置有重錘式限位開關(guān)以防止起升時(shí)吊具沖頂。橋機(jī)各起升機(jī)構(gòu)荷重檢測(cè)裝置采用進(jìn)口產(chǎn)品，通過(guò)荷重變送器輸出4～20 mA電流信號(hào)送入PLC，經(jīng)PLC內(nèi)部運(yùn)算處理后，通過(guò)內(nèi)部設(shè)置的接點(diǎn)作為起升機(jī)構(gòu)負(fù)荷保護(hù)。當(dāng)起吊重量為90%額定負(fù)荷時(shí)，荷重預(yù)報(bào)警；當(dāng)荷重達(dá)到110%額定負(fù)荷時(shí)，起升機(jī)構(gòu)因過(guò)載而停止起升，此時(shí)下降控制不受影響，重物可以下降。

采用了先進(jìn)控制技術(shù)的電控系統(tǒng)具有三大特點(diǎn)：控制系統(tǒng)的信息交換全部采用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信；配備工業(yè)工控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)信息集中管理，方便維護(hù)運(yùn)行；應(yīng)用傳動(dòng)均衡控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步提升和糾偏功能。

3控制系統(tǒng)

圖1　系統(tǒng)配置圖

控制系統(tǒng)的主要功能是負(fù)責(zé)電控系統(tǒng)的信息交換和處理，保障設(shè)備技術(shù)性能以滿足其使用運(yùn)行要求。它包括電源控制、安全保護(hù)、PLC通信控制、照明及輔助設(shè)備控制。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)按照公開通信協(xié)議，在控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，形成各種符合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線是目前國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線之一，它以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)而得到眾多廠商的支持，成為最重要的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一。Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸速率最高可以達(dá)到12 Mb/s，最多可以掛126個(gè)從站。該橋機(jī)采用Profibus-DP總線通信控制；系統(tǒng)絕大多數(shù)的控制指令和數(shù)據(jù)采集都通過(guò)通信實(shí)現(xiàn)，從而提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；系統(tǒng)的給定指令從以前常用的繼電器分段給定或模擬量給定模式變成PLC程序中直接數(shù)據(jù)讀寫，使數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確度得到了很大程度地提高，更加提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

MPI協(xié)議是基于SIEMENS內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)的一種令牌網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，通訊速率為187.5 kb/s。SIEMENS PLC內(nèi)置MPI接口，通過(guò)全局?jǐn)?shù)據(jù)(GD)通信服務(wù)，在聯(lián)網(wǎng)的CPU之間進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)傳遞。MPI通信是西門子PLC的一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效的網(wǎng)絡(luò)通信解決方案。MPI通訊方式主要有全局?jǐn)?shù)據(jù)包通訊方式、無(wú)組態(tài)連接通訊方式、組態(tài)連接通訊方式等3種。該橋機(jī)控制系統(tǒng)在并車抬吊時(shí)采用MPI通訊連接。

該橋機(jī)控制系統(tǒng)選用SIEMENS公司生產(chǎn)的S7-300可編程控制器，組成分布式I/O機(jī)構(gòu)。其網(wǎng)絡(luò)上的主要設(shè)備包括：CPU315-2DP主站、各ET200從站、各機(jī)構(gòu)變頻傳動(dòng)裝置等。CPU315-2DP主站是控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)電控設(shè)備的控制指揮以及進(jìn)入PLC內(nèi)的數(shù)據(jù)運(yùn)算、處理等工作，接受和執(zhí)行用戶程序，是整個(gè)系統(tǒng)的中樞。CPU315-2DP主站裝設(shè)于橋機(jī)司機(jī)室照明箱內(nèi)，主要由電源模塊、帶DP通訊口的CPU模塊、通訊處理器模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊組成。

ET200作為I/O從站分布式共三個(gè)，分別為小車一ET200、小車二ET200、主梁電氣室ET200，主要負(fù)責(zé)收集輸入、輸出信號(hào)等工作。ET200從站主要由電源模塊、通訊模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、位置模塊、模擬量輸入模塊等組成，并通過(guò)通訊模塊連接到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)上。由于在兩個(gè)小車上設(shè)置了ET200，通過(guò)專用通信線與CPU相連，分布式I/O數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)通訊線傳送至CPU，從而減少了電纜的長(zhǎng)距離連接，使小車滑車上的電纜數(shù)量大大減少。

各機(jī)構(gòu)的操作控制由司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)上主令手柄和旋鈕開關(guān)給定，信號(hào)送入PLC。PLC在接受到聯(lián)動(dòng)臺(tái)的給定、經(jīng)程序處理后將轉(zhuǎn)換為對(duì)傳動(dòng)裝置和外圍設(shè)備的控制命令，改變主令手柄的檔位即可改變變頻器的輸出頻率，改變各機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度。

4傳動(dòng)調(diào)速裝置

該橋機(jī)各機(jī)構(gòu)傳動(dòng)采用西門子公司生產(chǎn)的6SE70系列變頻器，其特點(diǎn)是性能可靠、功能強(qiáng)大而靈活、結(jié)構(gòu)緊湊。裝置本身帶有自整定功能和參數(shù)設(shè)定單元，不需要其他的任何附加設(shè)備即可以完成參數(shù)的設(shè)定。所有的控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)視、制動(dòng)器控制及附加功能均由微處理器實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)具有零速滿轉(zhuǎn)矩功能，在裝置啟動(dòng)建立轉(zhuǎn)矩后，PLC接到裝置輸出制動(dòng)器打開命令后，機(jī)械制動(dòng)器打開，傳動(dòng)電機(jī)按預(yù)先設(shè)定的加速度運(yùn)行至給定速度。變頻裝置通過(guò)交流-直流-交流控制變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)速度控制及轉(zhuǎn)矩控制，其特點(diǎn)是啟停平穩(wěn)，減少電氣及機(jī)械沖擊，速度的平滑性非常好。所有傳動(dòng)裝置均通過(guò)CBP通信板實(shí)現(xiàn)與PLC控制網(wǎng)絡(luò)連接，與PLC、各分布I/O子站、工控機(jī)一起構(gòu)成整個(gè)橋機(jī)的Profibus網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過(guò)CBP板對(duì)變頻器的過(guò)程數(shù)據(jù)“控制字、狀態(tài)字、設(shè)定值、實(shí)際值”進(jìn)行讀、寫。PLC適時(shí)讀取裝置狀態(tài)字、電流、電壓等，以達(dá)到監(jiān)控的目的。變頻器外接制動(dòng)斬波電阻，下降過(guò)程中或停車時(shí)通過(guò)制動(dòng)電阻消耗重物勢(shì)能，實(shí)現(xiàn)恒定的速度下降。

起升機(jī)構(gòu)采用閉環(huán)、矢量控制，提高了速度的穩(wěn)定性，增加了轉(zhuǎn)矩的硬特性。在每臺(tái)電機(jī)高速軸上設(shè)有工作制動(dòng)器和安全制動(dòng)器。當(dāng)出現(xiàn)起升機(jī)構(gòu)超速飛車等故障時(shí)，兩臺(tái)制動(dòng)器均瞬時(shí)閉合上閘。制動(dòng)器的動(dòng)作由調(diào)速裝置和PLC雙重邏輯控制，從而防止了輕載上升和重載溜鉤，提高了吊裝作業(yè)的準(zhǔn)確性和安全性。

多點(diǎn)同步提升和糾偏技術(shù)的應(yīng)用，成功地解決了錦屏一級(jí)水電站400 t+400 t橋機(jī)使用上的一項(xiàng)難題。錦屏一級(jí)水電站廠房有2臺(tái)(400 t+400 t)橋機(jī)，每臺(tái)橋機(jī)有2個(gè)單獨(dú)的起升機(jī)構(gòu)，當(dāng)用2臺(tái)橋機(jī)并車抬吊時(shí)，共有4個(gè)起升機(jī)構(gòu)共同參與，這就需要保證它們之間的提升同步和力矩平衡。我們應(yīng)用6SE70變頻器的內(nèi)置主從功能塊并配合提升高度的偏差糾正控制成功實(shí)現(xiàn)了提升同步和力矩平衡，該技術(shù)的運(yùn)用，使得四起升機(jī)構(gòu)力矩相對(duì)偏差小于5%，提升的同步差小于1 cm。這項(xiàng)技術(shù)不僅可以應(yīng)用于起升機(jī)構(gòu)，還可以應(yīng)用于大車機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)大車兩側(cè)電機(jī)的同步、均衡控制，從而有效地保證了大車機(jī)構(gòu)的無(wú)沖擊平穩(wěn)運(yùn)行。

5工控機(jī)與信息管理

觸摸式面板工控機(jī)作為人機(jī)對(duì)話界面，主要承擔(dān)維護(hù)、調(diào)試人員對(duì)電控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢測(cè)、程序調(diào)試、故障診斷功能，通過(guò)工控機(jī)上預(yù)裝的軟件，工程師能夠訪問(wèn)PLC、變頻器，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)修改數(shù)據(jù)、參數(shù)、程序，從而大大提高了維護(hù)、調(diào)試的方便性。它還可以顯示橋機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，便于操作人員隨時(shí)了解設(shè)備狀態(tài)、故障信息、橋機(jī)的正常運(yùn)行信息。

在工控機(jī)上安裝有DriveMonitor, DriveMonitor，它是實(shí)現(xiàn)對(duì)西門子傳動(dòng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的一個(gè)工具軟件，可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、故障分析和跟蹤記錄等。這樣實(shí)施在工控機(jī)上可以直接訪問(wèn)各變頻器、在線監(jiān)測(cè)等(圖2)。

工控機(jī)上裝有S7-300 PLC的編程軟件STEP7-V5.4，STEP7對(duì)自動(dòng)化工程各方面具有友好的用戶功能：硬件的配置和參數(shù)設(shè)置、通信的定義、編程、測(cè)試-啟動(dòng)-維護(hù)、文件-建檔、操作/診斷功能，所有功能均有大量的在線幫助，其主要功能塊、數(shù)據(jù)塊如圖3所示。

工控機(jī)還可以完成一些功能設(shè)置，如荷重設(shè)置、糾偏投入/切除等，用于顯示橋機(jī)起升機(jī)構(gòu)的起吊重量、起升高度、各機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度、位置、各機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置狀態(tài)、故障指示、當(dāng)前報(bào)警信息、歷史故障信息等的顯示和記錄，各機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置的輸出電流和直流母線電壓等對(duì)于一般故障，橋機(jī)操作人員根據(jù)工控機(jī)的顯示內(nèi)容做相應(yīng)的操作即可使設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行。若操作人員無(wú)法解決故障時(shí)，維護(hù)人員可以根據(jù)工控機(jī)的提示快速查找相應(yīng)的故障源，修復(fù)或更換相應(yīng)的元件，使設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行。

荷重、高度監(jiān)測(cè)、顯示的標(biāo)定工作在觸摸屏上完成設(shè)置，通過(guò)空載和帶一定已知載荷時(shí)傳感器的不同輸入，PLC程序自動(dòng)計(jì)算各荷重的線性關(guān)系，此線性值由特定的存儲(chǔ)器保存。此功能操作簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)荷重標(biāo)定，從而避免了以往解決儀表故障時(shí)的麻煩。

圖2　DriveMonitor在線監(jiān)測(cè)示意圖

圖3　主要功能塊和數(shù)據(jù)塊示意圖

錦屏一級(jí)水電站橋機(jī)設(shè)置有工控機(jī)，利用Wincc軟件實(shí)現(xiàn)了信息報(bào)表，統(tǒng)計(jì)故障信息和操作信息，既有歷史數(shù)據(jù)，也有實(shí)時(shí)信息，作為一款監(jiān)控組態(tài)軟件，WinCC 針對(duì)需求提供了強(qiáng)大的報(bào)表組態(tài)功能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)輸出。WinCC 的過(guò)程歸檔功能提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可以在歸檔管理中靈活的控制歸檔，幾乎可以定義所有需要的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)種類。

(1)周期的記錄。

(2)非周期的動(dòng)作觸發(fā)。

(3)動(dòng)作觸發(fā)的周期記錄。

對(duì)于過(guò)程歸檔數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，可以使用WinCC 的在線表格控件、WinCC 報(bào)表編輯器中自帶的打印控件，同時(shí)，也可以使用Connectivity Pack 選件腳本讀出數(shù)據(jù)。用戶歸檔編輯器可以在服務(wù)器 PC連續(xù)的保存來(lái)自技術(shù)過(guò)程的數(shù)據(jù)。在圖形編輯器中，可以組態(tài) WinCC 用戶歸檔表格元素來(lái)以表格形式顯示運(yùn)行系統(tǒng)中用戶歸檔的在線數(shù)。利用WinCC 的選件DataMonitor 實(shí)現(xiàn)使用EXCEL、連接WinCC 的歸檔數(shù)據(jù)，主要是結(jié)合WinCC 的存儲(chǔ)功能和EXCEL強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能來(lái)滿足報(bào)表需求。

6結(jié)語(yǔ)

該橋機(jī)采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)，具有完善的安

全保護(hù)裝置和故障自診斷能力，能以圖文及中文文字形象地顯示各種參數(shù)，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控橋機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)計(jì)上，不但在滿足合同文件、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的條件下，還采用了成熟的先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，使設(shè)備在性能可靠、操作簡(jiǎn)便、維修方便的前提下具有較高的綜合性能，也使得水電站橋機(jī)在電氣控制方面具備了更高的技術(shù)水平。

辜建儒(1971-)，男，四川仁壽人，工程師，從事起重機(jī)械電氣設(shè)計(jì)工作；

蔣從軍(1964-)，男，重慶市人，高級(jí)工程師 ，學(xué)士，從事生產(chǎn)技術(shù)與管理工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-10-20

文章編號(hào):1001-2184(2015)06-0048-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV7;TV53+2;TV53+8.4;TP29

作者簡(jiǎn)介: