先进电气控制技术在锦屏一级水电站400 t+400 t桥机中的运用

辜 建 儒，　蒋 从 军

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都　610081)



先进电气控制技术在锦屏一级水电站400 t+400 t桥机中的运用

辜 建 儒，蒋 从 军

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都610081)

摘要：介绍了锦屏一级水电站400 t+400 t桥机控制系统的配置结构、工作原理及技术特点，以及Profibus-DP、MPI等通讯在桥机中的应用。

关键词：Profibus-DP；MPI；变频器；PLC；ET200(分布式I/O)；锦屏一级水电站

1概述

随着科学技术的发展，水电站桥机已经广泛应用了PLC、变频传动等工业自动化技术，PLC+变频调速逐渐成为起重机的主流电控系统方案。如何最大限度地发挥和利用工业自动化技术的先进性能，满足桥机的工艺要求，降低故障率，提高维护效率亦成为电控系统的主要目标。伴随着计算机技术、现场总线技术、网络通信技术及微电子技术的发展，为先进电气控制技术在电站桥机的成功应用提供了可靠的支持平台。

笔者以锦屏一级水电站2台400 t+400 t桥机为例，介绍了利用PLC及Profibus-DP现场总线技术、MPI通讯、变频控制技术构成先进电控系统在桥机中的应用。

2系统情况

锦屏一级水电站主厂房设有2台(400 t+400 t/160 t)双小车桥式起重机，主要用于发电机组等设备的安装、检修。最大载荷为吊水轮发电机转子(水轮发电机转子和平衡梁总重1 400 t)，需要2台桥机中的4套独立的起升机构共同抬吊完成。在起吊过程中要求平衡梁保持水平。2台桥机抬吊作业时可以任意指定主机、从机，在主机上实现机构的单独或联动操作。

每台桥机由起升机构、大车行走机构、小车行走机构等部分组成，其中起升机构通过手动换挡机构实现高速轻载160 t或低速重载400 t的切换。电气控制系统主要由控制系统、各机构传动调速装置、消息管理装置组成。每台桥机有1套西门子公司生产的S7-300系列PLC、1台PC577触摸式面板工控机、6台西门子公司生产的6SE70系列交流变频器、3套ET200(分布式I/O)。PLC通过Profibus-DP现场总线连。

联接各变频器、ET200和工控机，实现数据采集和检测，完成对各机构变频器的控制。2台桥机并机抬吊作业时，通过MPI通信实现2台桥机之间的数据交换。系统配置情况见图1。

桥机各起升机构吊点的上、下极限均设置了双重保护。一套是起升机构卷筒上安装的进口绝对值编码器，实时检测起升机构高度对应的脉冲数送入可编程控制器，PLC程序按一定的比例关系处理运算后，实际高度值送触摸屏显示；另一套为机械式上、下极限限位开关，当吊钩运行到上、下极限时，自动停止起升机构的升降。各起升机构还设置有重锤式限位开关以防止起升时吊具冲顶。桥机各起升机构荷重检测装置采用进口产品，通过荷重变送器输出4～20 mA电流信号送入PLC，经PLC内部运算处理后，通过内部设置的接点作为起升机构负荷保护。当起吊重量为90%额定负荷时，荷重预报警；当荷重达到110%额定负荷时，起升机构因过载而停止起升，此时下降控制不受影响，重物可以下降。

采用了先进控制技术的电控系统具有三大特点：控制系统的信息交换全部采用工业现场总线通信；配备工业工控计算机实现信息集中管理，方便维护运行；应用传动均衡控制技术实现多点同步提升和纠偏功能。

3控制系统

图1　系统配置图

控制系统的主要功能是负责电控系统的信息交换和处理，保障设备技术性能以满足其使用运行要求。它包括电源控制、安全保护、PLC通信控制、照明及辅助设备控制。工业现场总线技术按照公开通信协议，在控制设备之间实现数据传输和信息交换，形成各种符合生产现场的自动化控制系统。Profibus-DP现场总线是目前国际上通用的标准现场总线之一，它以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准而得到众多厂商的支持，成为最重要的现场总线标准之一。Profibus-DP现场总线传输速率最高可以达到12 Mb/s，最多可以挂126个从站。该桥机采用Profibus-DP总线通信控制；系统绝大多数的控制指令和数据采集都通过通信实现，从而提高了系统的实时性；系统的给定指令从以前常用的继电器分段给定或模拟量给定模式变成PLC程序中直接数据读写，使数据的精度和准确度得到了很大程度地提高，更加提高了系统的抗干扰能力，保证了系统的长期稳定运行。

MPI协议是基于SIEMENS内部标准的一种令牌网络通讯协议，通讯速率为187.5 kb/s。SIEMENS PLC内置MPI接口，通过全局数据(GD)通信服务，在联网的CPU之间进行周期性数据传递。MPI通信是西门子PLC的一个经济有效的网络通信解决方案。MPI通讯方式主要有全局数据包通讯方式、无组态连接通讯方式、组态连接通讯方式等3种。该桥机控制系统在并车抬吊时采用MPI通讯连接。

该桥机控制系统选用SIEMENS公司生产的S7-300可编程控制器，组成分布式I/O机构。其网络上的主要设备包括：CPU315-2DP主站、各ET200从站、各机构变频传动装置等。CPU315-2DP主站是控制系统的核心，负责电控设备的控制指挥以及进入PLC内的数据运算、处理等工作，接受和执行用户程序，是整个系统的中枢。CPU315-2DP主站装设于桥机司机室照明箱内，主要由电源模块、带DP通讯口的CPU模块、通讯处理器模块、数字量输入模块、数字量输出模块组成。

ET200作为I/O从站分布式共三个，分别为小车一ET200、小车二ET200、主梁电气室ET200，主要负责收集输入、输出信号等工作。ET200从站主要由电源模块、通讯模块、数字量输入模块、数字量输出模块、位置模块、模拟量输入模块等组成，并通过通讯模块连接到Profibus-DP网络上。由于在两个小车上设置了ET200，通过专用通信线与CPU相连，分布式I/O数据采集的数据通过通讯线传送至CPU，从而减少了电缆的长距离连接，使小车滑车上的电缆数量大大减少。

各机构的操作控制由司机室联动台上主令手柄和旋钮开关给定，信号送入PLC。PLC在接受到联动台的给定、经程序处理后将转换为对传动装置和外围设备的控制命令，改变主令手柄的档位即可改变变频器的输出频率，改变各机构运行速度。

4传动调速装置

该桥机各机构传动采用西门子公司生产的6SE70系列变频器，其特点是性能可靠、功能强大而灵活、结构紧凑。装置本身带有自整定功能和参数设定单元，不需要其他的任何附加设备即可以完成参数的设定。所有的控制、调节、监视、制动器控制及附加功能均由微处理器实现。该系统具有零速满转矩功能，在装置启动建立转矩后，PLC接到装置输出制动器打开命令后，机械制动器打开，传动电机按预先设定的加速度运行至给定速度。变频装置通过交流-直流-交流控制变频电机实现速度控制及转矩控制，其特点是启停平稳，减少电气及机械冲击，速度的平滑性非常好。所有传动装置均通过CBP通信板实现与PLC控制网络连接，与PLC、各分布I/O子站、工控机一起构成整个桥机的Profibus网络系统。通过CBP板对变频器的过程数据“控制字、状态字、设定值、实际值”进行读、写。PLC适时读取装置状态字、电流、电压等，以达到监控的目的。变频器外接制动斩波电阻，下降过程中或停车时通过制动电阻消耗重物势能，实现恒定的速度下降。

起升机构采用闭环、矢量控制，提高了速度的稳定性，增加了转矩的硬特性。在每台电机高速轴上设有工作制动器和安全制动器。当出现起升机构超速飞车等故障时，两台制动器均瞬时闭合上闸。制动器的动作由调速装置和PLC双重逻辑控制，从而防止了轻载上升和重载溜钩，提高了吊装作业的准确性和安全性。

多点同步提升和纠偏技术的应用，成功地解决了锦屏一级水电站400 t+400 t桥机使用上的一项难题。锦屏一级水电站厂房有2台(400 t+400 t)桥机，每台桥机有2个单独的起升机构，当用2台桥机并车抬吊时，共有4个起升机构共同参与，这就需要保证它们之间的提升同步和力矩平衡。我们应用6SE70变频器的内置主从功能块并配合提升高度的偏差纠正控制成功实现了提升同步和力矩平衡，该技术的运用，使得四起升机构力矩相对偏差小于5%，提升的同步差小于1 cm。这项技术不仅可以应用于起升机构，还可以应用于大车机构，实现大车两侧电机的同步、均衡控制，从而有效地保证了大车机构的无冲击平稳运行。

5工控机与信息管理

触摸式面板工控机作为人机对话界面，主要承担维护、调试人员对电控系统的数据检测、程序调试、故障诊断功能，通过工控机上预装的软件，工程师能够访问PLC、变频器，实现在线监测，实时修改数据、参数、程序，从而大大提高了维护、调试的方便性。它还可以显示桥机的运行参数，便于操作人员随时了解设备状态、故障信息、桥机的正常运行信息。

在工控机上安装有DriveMonitor, DriveMonitor，它是实现对西门子传动设备现场调试的一个工具软件，可以进行参数设定、故障分析和跟踪记录等。这样实施在工控机上可以直接访问各变频器、在线监测等(图2)。

工控机上装有S7-300 PLC的编程软件STEP7-V5.4，STEP7对自动化工程各方面具有友好的用户功能：硬件的配置和参数设置、通信的定义、编程、测试-启动-维护、文件-建档、操作/诊断功能，所有功能均有大量的在线帮助，其主要功能块、数据块如图3所示。

工控机还可以完成一些功能设置，如荷重设置、纠偏投入/切除等，用于显示桥机起升机构的起吊重量、起升高度、各机构运行速度、位置、各机构传动装置状态、故障指示、当前报警信息、历史故障信息等的显示和记录，各机构传动装置的输出电流和直流母线电压等对于一般故障，桥机操作人员根据工控机的显示内容做相应的操作即可使设备恢复正常运行。若操作人员无法解决故障时，维护人员可以根据工控机的提示快速查找相应的故障源，修复或更换相应的元件，使设备恢复正常运行。

荷重、高度监测、显示的标定工作在触摸屏上完成设置，通过空载和带一定已知载荷时传感器的不同输入，PLC程序自动计算各荷重的线性关系，此线性值由特定的存储器保存。此功能操作简单，易实现荷重标定，从而避免了以往解决仪表故障时的麻烦。

图2　DriveMonitor在线监测示意图

图3　主要功能块和数据块示意图

锦屏一级水电站桥机设置有工控机，利用Wincc软件实现了信息报表，统计故障信息和操作信息，既有历史数据，也有实时信息，作为一款监控组态软件，WinCC 针对需求提供了强大的报表组态功能，实现了数据存储、数据分析和数据输出。WinCC 的过程归档功能提供了强大的数据处理能力，可以在归档管理中灵活的控制归档，几乎可以定义所有需要的数据统计种类。

(1)周期的记录。

(2)非周期的动作触发。

(3)动作触发的周期记录。

对于过程归档数据的访问，可以使用WinCC 的在线表格控件、WinCC 报表编辑器中自带的打印控件，同时，也可以使用Connectivity Pack 选件脚本读出数据。用户归档编辑器可以在服务器 PC连续的保存来自技术过程的数据。在图形编辑器中，可以组态 WinCC 用户归档表格元素来以表格形式显示运行系统中用户归档的在线数。利用WinCC 的选件DataMonitor 实现使用EXCEL、连接WinCC 的归档数据，主要是结合WinCC 的存储功能和EXCEL强大的数据处理功能来满足报表需求。

6结语

该桥机采用先进的控制系统，具有完善的安

全保护装置和故障自诊断能力，能以图文及中文文字形象地显示各种参数，便于实时监控桥机运行状态。设计上，不但在满足合同文件、标准和规范的条件下，还采用了成熟的先进技术实现创新，使设备在性能可靠、操作简便、维修方便的前提下具有较高的综合性能，也使得水电站桥机在电气控制方面具备了更高的技术水平。

辜建儒(1971-)，男，四川仁寿人，工程师，从事起重机械电气设计工作；

蒋从军(1964-)，男，重庆市人，高级工程师 ，学士，从事生产技术与管理工作.

(责任编辑：李燕辉)

收稿日期:2015-10-20

文章编号:1001-2184(2015)06-0048-04

文献标识码:B

中图分类号:TV7;TV53+2;TV53+8.4;TP29

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