卷揚垂直升船機電氣傳動主/從控制系統(tǒng)研究

呂科，車曉杰，張光樂

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030；2.杭州國電機械設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

卷揚提升式升船機采用對稱安裝在塔架頂部的多臺卷揚機，通過卷筒上的鋼絲繩使承船廂作升降運行。為保證各卷筒的同步運行，在各卷筒之間加設(shè)閉環(huán)剛性同步軸。卷揚垂直升船機一般采用4臺電動機同軸驅(qū)動，用矩形閉環(huán)剛性軸聯(lián)接，組成多臺電動機同軸傳動系統(tǒng)。

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

1 升船機傳動系統(tǒng)特性

卷揚垂直升船機主拖動系統(tǒng)為多點傳動，主拖動方案采用交流變頻器傳動，通過機械同步軸拖動有水的承船廂。其傳動結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳動裝置示意圖Fig.1 Drive schematic diagram

其中每臺電機經(jīng)過各自的減速機帶動卷筒，通過鋼絲繩提升、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，電機僅提供加、減速力矩和不平衡力矩［3］。

針對升船機的傳動結(jié)構(gòu)及功能實現(xiàn)，要求電氣傳動控制具有以下特性。

1）電氣傳動能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)給定的速度曲線，且速度穩(wěn)定波動小。

2）由于多軸剛性連接，電機速度，位置被迫一致，因此要求各個電機出力一致。

3）設(shè)計中4臺驅(qū)動同時驅(qū)動承船廂，考慮了一定的余量，因此要求一臺電機故障退出驅(qū)動時，主提升拖動仍能可靠地運行一次。

4）由于同步軸的剛性系數(shù)、慣量，長度，齒隙等因素影響，每個電機受力在動態(tài)上是不一致的，容易造成機械軸的變形及振蕩。

通過以上傳動系統(tǒng)的特性分析可得：在多電機同軸傳動中，各電機速度是被強制同步在機械軸上。由于加工制造等因素，使電機、變頻器、編碼器等之間的固有機械特性總存在差異。如果各電機都采用各自的速度環(huán)控制，那么各電機之間會產(chǎn)生巨大的力矩差，嚴(yán)重時甚至扭斷同步軸，使整個升船機發(fā)生故障，因此，在電機運行過程中必須要求電機出力均衡［4］。

2 主/從控制系統(tǒng)方案研究

通過以上傳動系統(tǒng)特性分析，電機驅(qū)動裝置不能獨立控制，而必須協(xié)調(diào)控制［5］。因此設(shè)計了以下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套傳動裝置，設(shè)置其中一套為主傳動裝置，其余為從傳動裝置。主傳動裝置采用速度環(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。從傳動共用主傳動的速度環(huán)，而自身采用獨立的電流環(huán)閉環(huán)控制。從而實現(xiàn)整個傳動裝置出力均衡。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套傳動裝置，都通過速度環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)雙閉環(huán)控制，并且以1#傳動裝置為主傳動。從傳動通過設(shè)置力矩均衡控制器，以主傳動速度環(huán)輸出的力矩給定和從傳動速度環(huán)輸出的力矩給定之差為輸入，經(jīng)過比例調(diào)節(jié)控制器，累加到各自從傳動裝置的速度給定上，能夠使從傳動跟隨主傳動的出力，軟化從站速度環(huán)控制特性以實現(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

針對以上幾種控制方式，在Matlab中建立相對應(yīng)的4套傳動裝置模型。各傳動裝置有各自的獨立性、各自的測速裝置、各自的交流逆變裝置、速度控制裝置等，因此在仿真過程中各個傳動裝置參數(shù)不是完全一樣，在小范圍內(nèi)具有一定的差異性。各個轉(zhuǎn)動裝置的差異性，最終主要表現(xiàn)在傳動裝置末端共軸的轉(zhuǎn)動角度上，使末端轉(zhuǎn)動角度有差異，從而形成了聯(lián)動軸上的轉(zhuǎn)矩。相對電機來說是負(fù)載的擾動。仿真中采用兩兩電機間的轉(zhuǎn)角差乘以聯(lián)動軸的剛性系數(shù)作為電機的擾動干擾。如果每套傳動裝置采用獨立的速度環(huán)，聯(lián)動軸上的轉(zhuǎn)矩由于轉(zhuǎn)角差的積累，此轉(zhuǎn)矩可能會達(dá)到很大，甚至使聯(lián)動軸斷裂，影響整個主提升的正常工作，因此需要保證各電機的出力均衡。圖4～圖6分別對幾種控制方式進(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#電機加入階躍擾動。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現(xiàn)各電機的速度控制，且能夠使各傳動裝置出力差控制在一定范圍內(nèi)。速度環(huán)獨立控制中的各傳動裝置，隨著時間的增長，各傳動之間的轉(zhuǎn)矩會變得越來越大，從而影響整個控制。因此升船機傳動控制系統(tǒng)推薦使用前兩種方式。

3 主/從控制系統(tǒng)方案實現(xiàn)

在升船機運行過程中，4臺傳動中的從傳動故障切換，相對容易，難點是4臺傳動中的主傳動故障切換，將1臺原來的主傳動裝置切除，從傳動升為主傳動，實現(xiàn)傳動的無擾動切換。以下為兩種實現(xiàn)方案。

3.1 I/O方式主/從控制實現(xiàn)方案

多臺傳動通過傳動控制站PLC的I/O實現(xiàn)傳動控制，多臺傳動中一臺為主，一臺為備。在正常運行過程中，備主傳動與從傳動一樣，跟隨主傳動力矩。一旦主傳動故障，PLC立即切除主傳動，備傳動升為主傳動，實現(xiàn)簡單直觀，控制容易。

傳動控制PLC將傳動控制命令發(fā)到變頻器傳動I/O板的開關(guān)量輸入端口，用于遠(yuǎn)程控制啟動、停止等功能。變頻器傳動I/O板輸出端口，用于輸出傳動內(nèi)部的狀態(tài)信息，PLC能夠?qū)崟r監(jiān)測傳動運行狀態(tài)。升船機速度給定，通過PLC模擬量輸出模塊輸出±10 V電壓信號給變頻器傳動的模擬量輸入端口1。轉(zhuǎn)矩給定信號通過PLC模擬量電壓輸出模塊給到傳動模擬量輸入端口2。

通過PLC的模擬量輸入、輸出模塊，能夠很好地實現(xiàn)電機的速度、轉(zhuǎn)矩給定，及獲取電機的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)從傳動的力矩跟隨。此方案實現(xiàn)簡單，經(jīng)濟性較好，但力矩跟隨信號需要通過PLC接受轉(zhuǎn)發(fā)，從傳動力矩跟隨具有一定的滯后性。

3.2 總線方式主/從控制實現(xiàn)方案

本升船機的提升機構(gòu)由4臺變頻電機驅(qū)動，4套傳動機構(gòu)直接由機械同步軸連接，屬于硬性聯(lián)接的運行結(jié)構(gòu)，特別適合采用高性能的4象限交流傳動變頻器來控制該升船機的升降運行。為了滿足升船機安全、可靠、同步、平穩(wěn)的升降運行要求，系統(tǒng)采用冗余傳動控制方案。

由4臺升船電機、4臺分別對應(yīng)于4象限變頻器、1個冗余主-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、冗余主控網(wǎng)絡(luò)等組成了升船機冗余同步傳動控制系統(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NDTU-95將4臺變頻器傳動裝置組成M/F星形鏈路。通常設(shè)置1#升船電機變頻器為主傳動，將其他變頻器設(shè)置為從傳動，從傳動變頻器接受來自主傳動變頻器啟動/停止、運行方向、速度和力矩給定信號，而主傳動變頻器通過通訊環(huán)路接受來自PLC系統(tǒng)的啟動、停止、速度給定信號，啟動/停止升船機時傳動系統(tǒng)只需操作控制主傳動變頻器，而主傳動變頻器會通過同步光纜通訊自動將啟動/停止、運行方向、力矩給定信號以廣播方式送到其他從傳動變頻器并啟動/停止其他從傳動變頻器的運行，在正常啟動升船機后，主傳動變頻器能自動分配每臺從傳動電機的力矩，通過平衡力矩來自動調(diào)整每臺從傳動電機的速度，從而達(dá)到升船機4臺電機的同步升/降運行。一旦主機變頻器發(fā)生故障而不能運行時，傳動系統(tǒng)可以將某一臺從機的變頻器切換成主機，從而由3臺正常的升船機變頻器組成新的主-從傳動系統(tǒng)。

4 主/從控制方案應(yīng)用

黃山升船機部分設(shè)計參數(shù)如下。

最大提升載荷：下游水位以上1310 kN；入水后2190 kN（峰值）。

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

承船廂行程：最大工作行程8.00 m，最小1.00 m。

升船機選用4臺電機驅(qū)動，電機功率75 kW，按重載選配，電氣傳動系統(tǒng)選用ABB直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的ACS800-17系列的單傳動，4象限運行，柜式結(jié)構(gòu)。并配置如下選項：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，主開關(guān)等。

升船機傳動控制站采用施耐德公司Quantum系列PLC，組成雙機冗余PLC系統(tǒng)。通過以太網(wǎng)與上位監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，實現(xiàn)升船機傳動系統(tǒng)的集中監(jiān)控，通過標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線與4套交流變頻傳動裝置通訊，實現(xiàn)監(jiān)控保護(hù)。通過NDBU-95將4臺變頻傳動裝置和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)形鏈路和傳動控制站連接。黃山升船機采用方案2實現(xiàn)。

將 4臺 ACS800 變頻器分別配置成 1#，2#，3#，4#傳動，將1#設(shè)為主機，其余設(shè)為從機。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#主機故障時，通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)主機的切除，將2#從機設(shè)置為主機。將1#傳動主狀態(tài)8.01內(nèi)容實時的監(jiān)控，當(dāng)主機故障或非正常斷電時，主狀態(tài)字由0變1，作為主動切換的觸發(fā)條件。

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

5 結(jié)論

升船機電氣傳動系統(tǒng)的被控對象是一個同側(cè)二軸聯(lián)動的機械系統(tǒng)。由于二軸的剛性連接，理論上各個驅(qū)動點的力矩、速度和位置要求嚴(yán)格一致，但由于聯(lián)動軸的剛性系數(shù)、聯(lián)動軸慣量、磨損差異、生產(chǎn)制造離散性、軸變形等肯定會引起系統(tǒng)的位置、速度偏差。因此，每個傳動裝置不能單獨的速度控制，必須相互協(xié)調(diào)控制。從對不同控制模式下的仿真實驗可以得出，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對電氣傳動控制的要求。前者各傳動點的力矩出力控制更均衡，實現(xiàn)簡單，調(diào)試方便。后者更強調(diào)各個傳動點的速度控制及單個傳動點負(fù)載擾動下的動態(tài)響應(yīng)能力，實現(xiàn)較復(fù)雜，調(diào)試比較困難。針對不同的控制要求及拖動的機械特性選擇響應(yīng)的控制模式。

針對以上兩種控制方式的實現(xiàn)方案，兩種方案都可以實現(xiàn)。傳統(tǒng)的I/O控制方案更加直觀、經(jīng)濟。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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