烏東德水電站雙向門機(jī)大車同步與定位控制技術(shù)

覃建青，王孝魯

（中國葛洲壩集團(tuán) 機(jī)械船舶有限公司，宜昌 440007）

1 項(xiàng)目背景

烏東德水電站壩址所處河段的右岸隸屬云南省祿勸縣，左岸隸屬四川省會東縣。烏東德水電站開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪；電站建成后可發(fā)展庫區(qū)航運(yùn)，具有改善下游河段通航條件和攔沙等作用。水庫正常蓄水位975.0m，設(shè)計洪水位979.38m，校核洪水位986.17m，水庫總庫容74.08億m3，電站裝機(jī)容量10200MW。兩岸靠河側(cè)各布置6臺單機(jī)容量為850MW的機(jī)組，電站廠房采用左、右岸各布置6臺機(jī)組的首（中）部式地下廠房。

發(fā)電機(jī)組引水系統(tǒng)采用單機(jī)單洞，左岸布置2條低導(dǎo)流洞，右岸布置2條低導(dǎo)流洞，4條低導(dǎo)流隧洞的出口和電站尾水洞相結(jié)合，電站尾水檢修門兼作4條低導(dǎo)流隧洞封堵時的隧洞出口擋水門。其中左岸電站尾水2×2000kN（單向）門式啟閉機(jī)1臺，軌道及附件1套，液壓自動掛脫梁1套。右岸電站尾水2×2000kN（雙向）門式啟閉機(jī)1臺，軌道及附件1套，液壓自動掛脫梁1套。本文以右岸門機(jī)為例，根據(jù)雙向門機(jī)的工藝特點(diǎn)和技術(shù)要求，闡述了西門子變頻器在雙向門機(jī)應(yīng)用的方案，主要說明了大車同步與定位控制技術(shù)。

圖1 烏東德水電站效果圖

2 工藝介紹

圖2 雙向門機(jī)結(jié)構(gòu)圖

雙向門式啟閉機(jī)簡稱門機(jī)，安裝在水電站的壩頂，用來啟閉泄洪閘門，控制閘門進(jìn)行泄洪，調(diào)節(jié)水庫區(qū)內(nèi)正常水位，保護(hù)大壩樞紐和水電站安全運(yùn)行。門機(jī)主要有駕駛室、電氣室、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、小車、門架、電纜卷筒、大車夾軌器等組成。其中小車由起升機(jī)構(gòu)、小車架、卷筒裝置、電動機(jī)、制動器、減速器、集中潤滑系統(tǒng)、液壓掛脫梁電纜收放機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、小車機(jī)房罩、機(jī)房內(nèi)檢修吊、電力拖動和控制設(shè)備等組成。其中大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)由電動機(jī)、制動器、減速器、集中潤滑系統(tǒng)、臺車架和車輪組、電力拖動和控制設(shè)備等組成。雙向門機(jī)通過大車行走機(jī)構(gòu)沿著壩頂鋪設(shè)的軌道行走至閘門位置，閘門通過液壓自動掛拖梁在主起升機(jī)構(gòu)帶動下啟閉，主起升機(jī)構(gòu)可以通過小車行走機(jī)構(gòu)沿著橫梁行走，主提升機(jī)構(gòu)可以通過小車行走機(jī)構(gòu)沿著橫梁行走使得雙向門機(jī)區(qū)別于單向門機(jī)。

圖3 烏東德雙向門機(jī)

圖4 雙向門機(jī)大車

3 控制要求

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)不同時工作。大車最大連續(xù)運(yùn)行距離133.3m，運(yùn)行速度范圍為2m/min～20m/min，滿載恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍1:10，啟制動加速度≤0.1m/s2，大車兩側(cè)分別驅(qū)動并能實(shí)現(xiàn)電氣同步。大車運(yùn)行能自動對位（對位閘門孔口中心線和閘門門庫中心線），并且可運(yùn)行到設(shè)定位置（可調(diào)整的6個位置）自動停車。

4 系統(tǒng)方案

本項(xiàng)目為2×2000kN雙向門機(jī)控制系統(tǒng)。上位機(jī)采用10寸MP277觸摸屏，安裝在司機(jī)室的操作臺上?？刂破鞑捎肧7-300西門子可編程序控制器，安裝在電氣室的電氣柜內(nèi)，ET200M負(fù)責(zé)采集司機(jī)室的控制信號，安裝在司機(jī)室的操作臺內(nèi)。主提升卷揚(yáng)由兩臺160kW的S120變頻器驅(qū)動，采用帶傳感器矢量控制方式；大車行走機(jī)構(gòu)由相同的四套行走裝置組成，兩臺45kW G120變頻器分別各驅(qū)動4臺電機(jī)，采用V/F控制方式。小車行走機(jī)構(gòu)由相同的兩套行走裝置組成，一臺5.5kW G120變頻器驅(qū)動2臺電機(jī)，采用V/F控制方式。變頻器均安裝在電氣室的電氣柜內(nèi)。

1）系統(tǒng)配置

S7-300PLC站：

CPU313C-2DP

訂貨號6ES7313-6CG04-0AB0 版本 V3.3 數(shù)量1

DI16*DC24V

訂貨號6ES7321-1BH02-0AA0 數(shù)量4

DO16*DC24V/0.5A

訂貨號6ES7322-1BH01-0AA0 數(shù)量1

AI8*12Bit

訂貨號6ES7331-7KF02-0AB0 數(shù)量1

SM338 POS-Input

訂貨號6ES7338-4CB01-0AB0 版本V2.0 數(shù)量1

ET200M站：

IM153-1

訂貨號6ES7153-1AA03-0XB0 數(shù)量1

DI16*DC24V

訂貨號6ES7321-1BH02-0AA0 數(shù)量3

DO16*DC24V/0.5A

訂貨號6ES7322-1BH01-0AA0 數(shù)量1

觸摸屏：

MP277

訂貨號6AV6643-0CD01-1AX1 數(shù)量1

主提升：

CU320-2DP

訂貨號6SL3040-1MA01-0AA0 CF卡V4.5 數(shù)量1

SLM 355KW

訂貨號6SL3330-6TE37-3AA3 數(shù)量1

MM 160KW

訂貨號6SL3320-1TE33-1AA3 數(shù)量2

SMC30

訂貨號6SL3055-0AA00-5CA2 數(shù)量2

大車變頻：

G120 CU240E-2DP

訂貨號6SL3244-0BB12-1PA1 版本V4.5 數(shù)量2

G120 PM240

訂貨號6SL3224-0BE33-7UA0 數(shù)量2

小車變頻：

G120 CU240E-2DP

訂貨號6SL3244-0BB12-1PA1 版本V4.5 數(shù)量1

G120 PM240

訂貨號6SL3224-0BE25-5UA0 數(shù)量1

圖5 電氣控制柜

2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3）硬件配置

圖7 硬件配置圖

圖8 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5）監(jiān)視畫面

圖9 監(jiān)控畫面

5 功能調(diào)試

主起升、小車、液壓抓梁等控制這里不再講述，這里主要介紹大車同步及定位控制技術(shù)。

1）大車同步

門機(jī)的大車行走機(jī)構(gòu)由四個車輪構(gòu)成，每個車輪由2臺電機(jī)驅(qū)動，軌道上同側(cè)兩車輪的4臺電機(jī)由一臺G120變頻器驅(qū)動，采用V/F控制。因?yàn)閮蓚?cè)車輪分別由兩臺變頻控制，為了避免啃軌，兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速需要保持一致。因此采用叢叢通信的方式，將大車變頻1的實(shí)際轉(zhuǎn)速設(shè)為大車變頻2的設(shè)定轉(zhuǎn)速，在一個DP周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)定轉(zhuǎn)速同步。

首先在硬件配置中設(shè)置報文，CPU313C接收大車變頻1的PZD同時，將其作為PZD發(fā)送給大車變頻2。

圖10 大車變頻1報文

圖11 大車變頻2報文

在Starter中將大車變頻1報文設(shè)為自由報文，修改報文P2050[0]=R2050[0]、P2050[1]=R63。

圖12 大車變頻1自由報文

在CPU313C中調(diào)用SFC14、SFC15周期一致性讀寫報文。

圖13 讀大車變頻1報文

圖14 寫大車變頻1報文

圖15 讀大車變頻2報文

通過叢叢通信，大車變頻1的控制字和實(shí)際轉(zhuǎn)速成為大車變頻2的控制字和設(shè)定轉(zhuǎn)速，無需調(diào)用SFC15寫大車變頻2報文。

圖16 大車變頻2接收報文

由于大車行走機(jī)構(gòu)跨距大、軌道高低平整不一致、車輪直徑差、減速機(jī)速比差、聯(lián)軸器聯(lián)接松緊不一，容易導(dǎo)致大車兩側(cè)行走速度不一致而產(chǎn)生啃軌，需要手動調(diào)整。因此通常情況下，兩臺G120主從控制，大車變頻2通過DX通信獲取大車變頻1的控制字和實(shí)際轉(zhuǎn)速，并作為自己的控制字和設(shè)定轉(zhuǎn)速，使得速度同步。當(dāng)門架兩邊位置產(chǎn)生偏差時，由操作員點(diǎn)動大車變頻1或2來調(diào)節(jié)大車位置偏差。

2）大車定位

工藝要求門機(jī)大車運(yùn)行能自動對位（閘門孔口中心線和閘門庫中心線），門機(jī)大車可以運(yùn)行至6個設(shè)定點(diǎn)位置自動停車，便于對閘門和設(shè)定位置其他重物的起吊。G120需要做簡單定位，可以采用停車后抱閘的方式。

OFF1和OFF3停車抱閘參數(shù)設(shè)置：P1215=1，P1216=100，P1217=100，P1226=20，p1227=400ms，P1228=10ms，P1335=0，P1351=0。勵磁完成后電機(jī)打開抱閘，但延時P1216才輸出頻率。

圖17 OFF1和OFF3停車抱閘曲線

實(shí)際頻率到達(dá)P1226所設(shè)置的靜態(tài)判斷值后，延長1228的時間，抱閘關(guān)閉。抱閘關(guān)閉后，延長1217的時間后，轉(zhuǎn)矩撤走。發(fā)出抱閘指令至到正抱緊抱閘，需要一定的響應(yīng)時間，因此如果設(shè)的過短，電磁轉(zhuǎn)矩撤走后，抱閘仍沒有抱緊，非被動負(fù)載會發(fā)生溜車。

圖18 靜態(tài)至抱閘關(guān)閉時間

圖19 抱閘關(guān)閉至撤磁時間

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)OFF1、OFF3停車后抱閘的方式效果不好，由于機(jī)械差異且門機(jī)慣量比較大，每次停車的位置差別不一。最終采用在定位點(diǎn)兩側(cè)設(shè)置減速點(diǎn)，以最小速度2m/min運(yùn)行至定位點(diǎn)后OFF2停車并抱閘。在大車的合適部位布置兩個瞬動型接近開關(guān)，一個為減速行程開關(guān)、一個為準(zhǔn)確停位行程開關(guān)。在大車軌道旁的若干位置布置撞塊，實(shí)現(xiàn)大車的準(zhǔn)確停位控制。

OFF2停車抱閘參數(shù)設(shè)置：

P1215=1, P1216=100, P1335=0, P1351=0。

圖20 OFF2停車抱閘控制圖

CU240B/E-2相對與CU240S有一個改進(jìn)，CU240B/E-2抱閘打開后，變頻器再輸出頻率，即使最小頻率不為0；而CU240S在抱閘打開之前就開始輸出頻率，最小頻率的時候打開抱閘，所以在抱閘打開之前就有了轉(zhuǎn)差形成了轉(zhuǎn)矩，而抱閘還沒有打開，可能對抱閘不好，還有可能產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。

由于電機(jī)存在轉(zhuǎn)差，需要對抱閘的啟動頻率做轉(zhuǎn)差補(bǔ)償。設(shè)置參數(shù)：V/F:P1300=0，P1352=1351 P1351=100（R0330），P1310=0，P1334=0，P1335=0。

圖21 OFF2停車抱閘曲線

圖22 CU240B/E-2抱閘控制圖

圖23 CU240S抱閘控制圖

圖24 轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能圖

圖25 轉(zhuǎn)差補(bǔ)償曲線

6 結(jié)論

本項(xiàng)目的難點(diǎn)在于門機(jī)兩側(cè)的大車同步和簡單位置控制。由于門機(jī)兩側(cè)行走機(jī)構(gòu)機(jī)械差異，雖然大車兩側(cè)給定速度一致，仍難免偶爾出現(xiàn)大車兩側(cè)位置不一致的情況，此時需要依靠點(diǎn)動來手動調(diào)整。工藝要求門機(jī)大車運(yùn)行能自動對位（閘門孔口中心線和閘門庫中心線），門機(jī)大車可以運(yùn)行至6個設(shè)定點(diǎn)位置自動停車，便于對閘門和設(shè)定位置其他重物的起吊。G120需要做簡單定位，可以采用停車后抱閘的方式。

[1] 《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》GB/T 3811.

[2] Sinamics S120調(diào)試手冊.

[3] Sinamics S7-300調(diào)試手冊.