基于冗余PLC的变频调速启闭机电气控制系统在千岛湖配水工程中的应用

岳伟强，赵志惠，叶 青

（浙江华东机电工程有限公司，浙江 杭州 311122）

1 设备组成和主要技术参数

千岛湖配水工程林山水闸1×8 000 kN固定卷扬式启闭机，用于启闭羊岩坞水闸1扇事故检修闸门。启闭机主要由电动机、制动器、减速器、卷筒装置、钢丝绳、滑轮组、机架、电控设备以及必要的附属设备组成。本机为单吊点，由1套卷扬系统组成，1台型号为YZP450L2-10 S3 40%355 kW的变频电机驱动。电机和减速机间的高速轴上设有1套工作制动器，在起升卷筒的盘边上设置1套安全制动器。启闭机主要参数见表1。

2 启闭机电控系统概述

电控系统主要由配电回路、变频调速装置、PLC回路、荷重开度综合仪等安全保护装置组成。系统采用触摸屏+传统继电器逻辑控制+冗余PLC（可编程控制器）+变频调速的整机控制方案。触摸屏用于监视本机设备I/O状态和数据显示，设备故障时方便查找原因；PLC为整机的逻辑控制中心，协调各机构的运行并将系统运行情况传输到监控中心；当遇到PLC故障时，切换到“现地手动”位置通过柜门上的控制按钮，仍可以对闸门进行操作，最大限度地保证设备在紧急情况下也能运行。操作分为现地手动、现地自动和远程3种模式，以满足不同工况的操作需要。

3 启闭机变频控制驱动系统

3.1 变频调速系统的选型及特点

由机械设计参数可知启闭机的启闭速度为0.2～4.0 m/min，总调速范围为1:20，重载时调速范围为1:10，此时电动机为恒转矩输出；轻载时调速范围达到1:20，50～100 Hz范围内电动机处于恒功率输出状态，实现轻载快速升降，缩短闸门启闭时间，提高工作效率。调速范围的变化由PLC根据载荷限制器及闸门的开度值逻辑判断后自动控制和切换。

变频器选用ABB公司新一代全数字ACS880系列产品，型号为ACS880-01-430A-3，内置提升机应用程序（N5050），闭环矢量控制。该系统安全可靠，能在电动机机械特性的4个象限运行，具有完备故障自诊断和保护功能，变频器控制原理见图1。

图1 变频器控制原理图

启闭机起升机构负载为典型的位能负载，变频控制系统的主要特点：

（1）变频器U200与PLC之间通过外部IO进行信息的发送和反馈，安全可靠，控制面板菜单集成全中文信息显示，大大降低运维难度。

（2）采用矢量控制方式，调速范围大，同时可实现电机低转速高转矩输出。

（3）借助电动机上轴套式增量型编码器的闭环控制，不仅提高系统的动态响应性，更重要的是保证起升机构的安全运行。

（4）变频器功能齐全，并内置电动机参数自适应功能，有静态和动态辨识可供选择，通过辨识可建立相应电机参数模型，控制更加精准。

（5）内置N5050提升程序专为起重机械的起升机构设计开发，内置制动器控制逻辑，只有检测到电机转矩达到预设值时才松开制动器，避免松开闸门的瞬间闸门失控下滑，杜绝溜钩现象发生。

3.2 变频调速系统的调试经验

各电气回路检查无误后，接通变频器主电源开始参数调试，按照起重机控制程序（选件+N5050）固件手册依次设置99组电机参数、10组标准DI/DO、20组启动/停止/方向、22组速度给定选择、23组速度给定斜坡、30组限值、31组故障功能、43组制动斩波器、44组机械抱闸控制，90组、91组、92组参数，以上参数设置无误后已满足闭环控制条件，此时可通过变频器控制面板或柜面启停按扭驱动起升卷筒正反向运行，如有异常根据面板上显示的故障代码在产品手册上查找相应的解决方案。通过多年的调试经验，以下3点故障现象比较常见：

（1）遇到电机运行时转速不稳定或存在顿挫感，需通过参数99.13对电机进行辨识。首选标准辨识，主要在电动机与减速机脱离时进行；否则选择静止辨识，此辨识满足大多数设备应用；如果仍不能解决故障，需脱开负载进行标准辨识或检查机械传动是否存在卡阻。

（2）制动器打开瞬间，重物有短时失速，需调整44组参数，增大制动开启转矩的百分比，直至消失。

（3）重物上升时运行正常，下降时速度不可控，有加速现象，重点确认参数30.30过压控制是否为禁用，如参数设置正确需复核制动电阻的功率是否偏小。

调试时，应逐步排查，缩小故障范围，直至问题解决。

4 启闭机M580 双机热备PLC系统

4.1 冗余PLC系统的结构组成及特点

PLC作为启闭机的控制核心，性能和稳定性非常重要，本项目选用施耐德公司M580双机热备（也称昆腾+）系列产品。作为Modicon ePAC高端控制器中的一员，昆腾+系统继承和发扬施耐德电气公司在PLC技术和热备技术上的领先优势，配置直观简单、易接线、结构合理牢固，便于维护、抗腐和抗干扰能力强，即使在极其恶劣环境下也能正常运行，MTBF均大于600 000 h。

热备系统的核心部分是2个昆腾+PLC机架，1个主机和1个备机。主机、备机架上的模块配置相同，根据系统的需求有多款CPU供选择，本系统主机、备机架各配有BMEH582040处理器和1只以太网模块，通过MODBUS TCP/IP总线与RIO站相连接，并构成环网，系统配置见图2。

图2 热备系统配置图

CPU液晶显示板上可显示当前主备状态、网络状态及远程RIO机架模块状态等信息。同一时刻，只有主用 PLC执行应用程序并且控制RIO。备机和主机之间通过集成在CPU 上的高速链路（1 Gbps）相连接实现数据实时同步，备用 PLC通过数据同步端口实时更新并备份IO状态值，做好随时接替准备。当主机PLC发生故障时，备用系统自动切换，由备用PLC使用最新的数据内容执行应用程序并更新I/O。只要主备机完成切换，原备机PLC 就将变为主用 PLC，且与外部相连的网络通信不会因主备机切换受到任何影响。

4.2 M580冗余PLC的调试要点

对于首次使用施耐德M580冗余PLC的调试工程师，有2点非常重要也极易出错。

（1）M580冗余PLC有2套配置相同的CPU，新购的CPU出厂默认是A，必须将其中1只拆下拨到B位置，否则会造成硬件权限冲突，无法实现冗余功能。

（2）通电后主备CPU切换正常，但无法识别RIO机架上的模块状态，此时打开硬件配置窗口找到更新CRA IP地址配置，确保CRA接口标识符地址及硬件拨码一致，可通过修改软件重新下载或更改CRA模块拨码位置使软件、硬件地址相同，硬件上修改必须在断电时进行。

5 结 语

本系统已在千岛湖配水工程上投运1 a，目前启闭机整体运行稳定，满足现地控制和远程计算机集中控制的要求。M580双机热备PLC充分发挥配置灵活，性能稳定可靠、编程方便以及便于维护等特点。ACS880变频器凭借独有的直接转矩DTC控制技术和出色的传动性能，保证设备良好运行。因此，基于施耐德M580冗余PLC的变频调速启闭机电气控制系统对同类工程有一定的借鉴意义。