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先进电气控制技术在锦屏一级电站400t+400t桥机中的应用
发表时间:2011-10-31   |  来源于:  |  编辑:  |  点击数:2355 
先进电气控制技术在锦屏一级电站400t+400t桥机中的应用
 
【摘  要】:先容锦屏一级400t+400t桥机的控制系统的配置结构、工作原理及技术特点,以及Profibus-DP、MPI等通讯在桥机的应用。
【关键词】:Profibus-DP;MPI;变频器;PLC;ET200(分布式I/O) 
1、引言
    随着科学技术的发展,水电站桥机已经广泛应用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、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、提高维护效率也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、网络通讯技术以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撑平台。
    下面以锦屏一级电站2台400t+400t桥机为例,先容利用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上的应用。
2、系统概述
    锦屏一级水电站主厂房设有2台400t+400t/160t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1400t),需要2台桥机的4套独立的构共同抬吊完成。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160t或低速重载400t的切换。电控系统主要由控制系统,各机构传动调速装置、信息管理装置组成。每台桥机有一套Siemens企业的S7-300系列PLC、一台PC577触摸式面板工控机、六台Siemens企业的6SE70系列交流变频器、三套ET200(分布式I/O)。PLC通过Profibus-DP现场总线连接各变频器、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。两台桥机并机抬吊作业时,通过MPI通讯,实现两台桥机之间的数据交换。系统配置图如图1所示。
图1 系统配置图
    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多转编码器,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;另一套是机械式上、下极限限位开关。当吊钩运行到上、下极限时,自动停止起升机构升降。各起升机构还设置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4~20mA电流信号送入PLC,经PLC内部处理运算后,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讯;配备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
    控制系统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通讯控制、照明及辅助设备控制。工业现场总线技术按照其通信协议,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撑,成为最重要的现场总线标准之一。Profibus-DP现场总线的传输速率最高可以达12Mb/s,最多可以挂126个从站。本桥机采用Profibus-DP总线通讯控制,系统绝大多数的控制指令和数据采集都通过通讯实现,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设定或模拟量给定模式变成PLC程序中直接的数据读写,使数据的精度和可靠性得到很大提高更提高了控制系统的抗干扰能力,保证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187.5kb/s。SIEMENS PLC内置MPI接口,通过全局数据(GD)通讯服务,联网的CPU之间进行周期性数据传递, MPI通讯是SIEMENS PLC的一个经济有效的网络通讯解决方案。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。本桥机控制系统在并车抬吊时采用MPI通讯连接。
    本桥机控制系统选用SIEMENS企业S7-300可编程控制器,组成分布式I/O结构。其主要设备包括: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,接受和实行用户程序,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从站作为分布式I/O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。由于在两小车上设置了ET200,通过专用通讯线与CPU相连,分布式I/O数据采集的数据通过通讯线传送至CPU,这样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接受到联动台的给定后,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
    本桥机各机构传动采用SIEMENS企业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都由微处理器实现。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到给定速度。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。所有传动装置都通过CBP通讯板实现与PLC控制网络连接,与PLC、各分布式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适时读取装置的状态字、电流、电压等,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和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,防止轻载上升和重载溜钩,提高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解决了锦屏一级400t+400t桥机使用上的一项难题。锦屏一级电站厂房有两台400t+400t桥机,每台桥机有两个单独的起升机构,当用两台桥机并车抬吊时,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。大家应用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,该技术的应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1cm。这项技术不仅应用于起升机构还运用于大车机构,实现大车两侧电机的同步、均衡控制,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App,工程师能够访问PLC、变频器,实现在线监测,实时修改数据、参数甚至程序大大提高了维护、调试的方便性。它还可以显示桥机运行参数便于操作人员随时了解设备状态,保障桥机的正常运行。
    在工控机上安装有DriveMonitor, DriveMonitor是实现对西门子传动设备现场调试的一个工具App. 可以进行参数设定, 故障分析和跟踪记录等功能。这样在工控机上可以直接访问各变频器,在线监测等。如图2所示。
图2  DriveMonitor在线监测
    工控机上装有S7-300 PLC的编程AppSTEP7-V5.4,STEP7对SIEMENS自动化工程各方面都有友好的用户支撑功能:硬件的配置和参数设置、通讯的定义、编程、测试-启动-维护、文件-建档、操作/诊断功能,还有大量的在线帮助。主要功能块,数据块如图3所示。
 图3  主要功能块和数据块
    工控机还可以完成一些功能设置,如:荷重设置、高度设置、纠偏投入/切除等,用于显示桥机起升机构起重量、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;如果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形关系,此线形值由特定的存储器保存。此功能操作简单,易实现荷重标定,避免以往解决仪表故障时的麻烦。
6、结束语
    桥机采用先进控制系统,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,不但满足合同文件、标准和规范的要求,还采用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更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。
 
本文编辑:蒋从军、辜建儒
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