基于双D445控制模块的升船机通信同步性测试研究

2016-03-14刘炳锋秦闻宇

综合智慧能源 2016年2期

关键词：脉冲数升船机控制站

刘炳锋，秦闻宇

（1.华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450015；2.郑州铁路局电务处，郑州 450009）

基于双D445控制模块的升船机通信同步性测试研究

刘炳锋1，秦闻宇2

（1.华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450015；2.郑州铁路局电务处，郑州 450009）

三峡升船机具有吨位大、提升高度高、上下游水位变幅快等特点，是目前世界上技术难度和规模最大的升船机。以三峡升船机厂内联调试验为基础，通过在AB公司PLC和西门子变频传动装置之间增加一套协调控制模块（双D445）的方法，搭建仿真模型，试验数据表明，该方法极大地提高了各吊点之间的同步性能。

三峡升船机；通信时间；仿真试验；同步性分析

0 引言［1］

三峡升船机是三峡水利枢纽的永久通行设施之一，主要用于为客货轮和特种船舶提供快速过坝通道。与国内外同类工程相比，三峡升船机具有提升重量大、升程高等技术特点，其设计方案几经修改，最终确定为齿轮齿条爬升式方案，整体结构由承船厢、钢丝绳、滑轮组、平衡重、驱动及刹车机构等组成。

三峡升船机作为三峡工程的重要组成部分，安全、可靠性要求高。由于其吨位大、涉及设备多，导致其控制流程十分复杂。三峡升船机采用四吊点同步运行，每个吊点设1个传动控制站，以AB公司可编程控制器（PLC）为主站；每个吊点含2套西门子变频传动装置，每套变频传动装置控制1台电机，2台电机通过刚性同步轴连接以实现运行过程中的出力均衡。为了保障三峡升船机在运行过程中四吊点同步能够达到较高的精度（三峡升船机四吊点同步误差要求为2mm），传动控制站与变频传动装置之间的通信同步就显得尤为重要。本文根据三峡升船机厂内联调试验建立仿真模型，对升船机运行过程中AB公司PLC与西门子变频装置之间的通信同步性进行研究。

1 试验方案［2］

AB公司PLC默认通信协议为ContorlNet通信协议，采用同轴电缆连接传输。而西门子变频传动装置采用PROFIBUS－DP现场总线通信协议。两者在通信协议、传输速率、传输方式、传输材质上要求各有不同，不能采用直连的方式互联互通。因此，在本次试验中将采用Woodhead公司生产的SST模块作为通信网关，SST模块通过自身的内部数据库来实现ControlLogix处理器和PROFIBUS网络间的数据交换。

为了提高三峡升船机传动控制站与变频传动装置之间的实时性，协调各个吊点位置控制的一致性，对传动控制系统的配置和组网结构进行优化。本次仿真试验将在三峡升船机原吊点同步方案的基础上增加2个SIMOTION D445控制器协调各个吊点之间的同步工作，实现位置给定、速度给定等全局变量的生成和调节，2个D445控制器“一主一备”，实时连接。

1.1 试验设备［3－5］

传动控制柜，1套（双冗余AB PLC）；西门子变频传动装置，6套（含SIMOTION 445－2 DP／PN）；西门子电机，6台；测试PLC，1套（S7－416 PLC含配套模板）；SIMOTION D445，2块（冗余配置）；SST模块，2块；光端机，8台；光纤，通信电缆、动力电缆、控制电缆等。

1.2 组成

在现有8套传动装置中取6套参加试验，用增加的2个D445中的1个作为全局控制器协调整个电气传动系统的运行。接收传动控制站发出的运行命令和参数，将传动装置的状态回送传动控制站并协调各个传动装置间的运行。在系统配置中使用了控制器和传动装置的通信同步功能，试验时各台电机之间并无机械连接。

为了记录电气同步控制功能试验中各电机之间的同步性能，特设置1套SIEMENSS7－400 PLC，接收各传动电动机双编码器中的一路脉冲编码器信号，通过计数积分分别得出各个驱动电机在同一时刻的实际运行位置（转动角度）。

1.3 网络结构

6个变频柜之间通过光纤环网连接，变频柜与传动控制站之间采用PROFIBUS协议通信，用增加的＃1 D445作为主控制器协调电气传动系统工作。仿真试验网络结构如图1所示。

表1 主D445与变频装置之间通信时间测试记录ms

2 试验过程［6］

三峡升船机设计运行速度为0.2m／s，西门子电机额定转速为1 000 r／min，电机角编码器频率为每转2 048个脉冲，因此，为了满足升船机四吊点同步2mm误差限要求，主控制器与各个变频装置之间的单次通信时间须小于10ms，全行程同步测试每隔20 s记录一次脉冲值，任何时刻两吊点之间的脉冲差值必须小于200。

2.1 通信时间测试［7］

试验在标准程序下进行，D445循环扫描周期为2ms，D445的运行负荷约为45%，＃1 D445通过广播形式发送40个字到＃1～＃6变频装置，＃1～＃6变频装置再将从＃1 D445接收到的40个字反馈给＃1 D445，测量循环时间，试验结果见表1。

由于10次测试的时间均为往返时间，因此主D445与各个变频装置之间的直接通信时间应取一半，各次试验测试最大通信时间为12ms，所以最大直接通信时间应为6ms，满足系统小于10ms的要求。同时由于各个吊点数据收发时间一致，单次通信时间满足时间同步性要求。

2.2 全行程同步性测试［8－9］

通过传动控制站PLC的操作面板发出启动命令，各个电动机以1000 r／min的速度运行120m行程，系统模拟升船机到达指定高度自动到位停止。用西门子S7－400来采集＃1，＃2，＃3，＃4吊点的脉冲数，每隔20 s记录1次。其中，＃1吊点指＃1，＃2变频装置，测得的脉冲数为对应电机脉冲的平均数；＃2吊点指＃3，＃4变频装置，测得的脉冲数为对应电机脉冲的平均数；＃3吊点单指＃5变频装置，测得的脉冲数为＃5电机脉冲数；＃4吊点单指＃6变频装置，测得的脉冲数为＃6电机脉冲数。全行程试验分为上下行程，上行程结果为正值，下行程结果为负值，两者具有相似性，本文仅列举下行程。下行程中各时刻采集的脉冲数见表2。

＃1，＃2指两个吊点间相应时间点的脉冲差值，依此类推。由于篇幅过长，吊点间差值数不再单独列表，具体试验结果如图2所示。由图2可知，在模拟三峡升船机全行程运行过程中，对应时刻各吊点的脉冲差值均在200以内，能够满足厂内联调各吊点同步性要求。

图1 网络结构

表2 下行过程各时刻采集的脉冲数

图2 脉冲差值

3 结束语

经过现场调试，实现了1套AB公司PLC与6套西门子变频装置之间的实时通信，通信过程中无丢包、错包现象，通信速率完全满足三峡升船机四吊点同步需要。实际应用表明，在传动控制站与变频装置之间额外增加2套D445作为协调控制器，相对于传动控制站与变频装置通过通信网关直连，极大地改善了ControlNet网与ProfiBus总线之间通信的可靠性，提高了系统响应速率，既能满足复杂的控制需要，也能为同类应用提供借鉴。

［1］陆文娟，王玉芬，胡海滨.ControlNet与Profibus－DP总线的性能比较［J］.机电工程，2006，2（4）：54－55.

［2］陈在平，岳有军.工业控制网络与现场总线技术［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［3］李彬，谭明波.Control Logix与西门子变频器DP通信解决方案［J］.船电技术，2014，34（8）：18－20.

［4］朱建平，辛伊波.工业控制系统串行异步通信研究［J］.自动化仪表，2003，24（5）：60－63.

［5］李凤阁，佟为明.电气控制与可编程控制技术［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［6］郭彬，金海军.三峡升船机关键技术问题［J］.水力发电，2009（12）：79－81.

［7］陈铭.基于MODBUS协议的设备和PLC实现通信的研究［J］.湖南科技学院学报，2009，30（4）：60－62.

［8］西安东风机电有限公司.质量流量计通信协议手册［Z］.西安：西安东风机电有限公司，2005.

［9］张云生，祝晓红，王静.网络控制系统［M］.重庆：重庆大学出版社，2002.

（本文责编：白银雷）

TV74

1674－1951（2016）02－0011－03