1 引言
世界第三大、中国第二大水电站—溪洛渡电站,位于四川省雷波县和云南省永善县境内的金沙江干流上。上接白鹤滩电站尾水,下与向家坝水库相连。电站总投资503亿元,装机总容量1260万千瓦,仅次于三峡电站。左右两岸布置地下式厂房,各装机9台单机70万千瓦机组,总装机1260万千瓦,初期保证出力339.5万千瓦,多年平均发电量571.2~640亿千瓦时。由中信重机公司制造的8000KN固定式启闭机已安装用于导流开截闸。启闭机由2组卷筒组成,其直径为2.786米,长度4.49米,左右分布24圈绳槽,双向卷扬,螺距60mm,每个卷筒与闸门的一个吊点相连,闸门净重800吨,正常截流闭闸时,在水的压力下,提升重量可达1400吨,电机运行于50Hz, 闸门运行速度1米/分钟,提升高度80米,提升能力高达1600吨。如此大型的启闭机必须要求控制系统具有极高的可靠性和稳定性,否则一旦发生事故,后果不堪设想。
2 启闭机系统
启闭机是用来开启和关闭闸门的机械设备,也称闸门操作设备。启闭机除满足一般起重机的设计要求外,工作安全可靠和操作灵活方便也十分重要。启闭机的类型可分为固定式和移动式。主要参数包括启闭力、闸门开启或下降的牵引力或施加的压力、开启行程和开启速度。选择启闭机时主要考虑以下因素:闸门形式、封口尺寸和运行条件、同型闸门孔口数量和闸门设置扇数,闸门起吊点的个数、启闭力、启闭行程和启闭速度、启闭动力状况,设置地点,空间尺寸和其他操作要求等等。本项目选用的是固定式启闭机。
启闭机的主要配置:Siemens触摸屏和S7-315-2Dp PLC各1个、Vacon变频器4台及制动电阻柜,110KW变频电动机4台,减速箱(减速比80:1) 4套,电动液压抱闸4套,卷筒2组,吊点2个,高度计4个,荷重计2个,及其他主令控制器和信号指示等。系统结构见图1
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图1 启闭机系统配置图
3.控制系统设计
控制系统要有极高的可靠性、稳定性及严格的同步控制,其控制核心为PLC、Vacon变频器、Profibus Dp和System Bus。其中,PLC采用的是Siemens S7-315-2Dp。Vacon变频器采用了先进的矢量控制算法和领先的模块化设计,配合电机参数识别,动态补偿负载波动,及时地快速响应和控制,具有很高的过载能力、稳态精度和快速动态响应能力,可满足要求很高的应用场合。同时还具有开放式的基于IEC61131-3标准的编程软件工具NC61131, 利用它可以设计出满足客户特殊要求的应用程序和参数。Vacon变频器自带的面板支持热插拔,同时具有存储多组参数的功能,便于机器间参数的复制和调试,支持众多流行的现场总线,与其他控制器兼容性非常强。System Bus总线为Vacon开发的基于CAN的现场总线,传输介质为光纤,波特率高达12M,它可以实现64台变频器的主从同步控制。Profibus是一种国际化、开放式、不依赖于生产商的现场总线标准,广泛应用于工业自动化。Profibus根据应用特点可分为Profibus Dp、Profibus FMS、Profibus PA三个兼容版本。其中Profibus Dp是一种高速(速率9.6-12MKbit/s)的经济设备网络,主要用于现场控制器和分散式I/O之间的通讯,可满足交流调速系统快速响应的时间要求。因此,由PLC、变频器、Profibus Dp和System Bus组成的控制系统可以实时、可靠、快速、准确、高效满足控制要求,为启闭机提升提供了全新的解决方案。控制过程见图2。
整个过程须保证闸门匀速,稳定的上升或下降。闸门提升速度推导如下:
已知三相异步电机转速
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可得卷筒转速
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卷筒线速度
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闸门提升速度
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启闭机采用常规控制方式-本地操作。在柜门上装有主令控制按钮用于设备的起停操作,触摸屏上有闸门高度显示、载荷显示、信号指示、电压表、电流表、频率速度表和转矩显示等。闸门运行方式可分为点动和联动,点动用于高度微调和修正,联动则用于正常工作。运行速度分为3档,即低速、中速、高速;低速用于调试或点动微调,中速为正常运行速度,高速则用于无负载快速检修。上升或下降时,由主令元件给出启动及正反转信号到PLC, PLC接到命令后通过Profibus Dp把控制字送给第一个卷筒的Master变频器,Master变频器为开环矢量速度控制,,Master变频器把控制信号传给follow变频器,follow变频器为转矩控制,并通过System Bus与Master变频器同步,保持Master和Follow转矩相等。同时,PLC也会根据两个吊点的高度差和荷重进行PID调节并计算出第二个卷筒Master变频器运行的参考速度,并通过Profibus Dp传送过去,2#卷筒的Follow变频器也将近一步同步跟随Master,进而达到2个卷筒连个吊点在同一水平位置匀速上升或下降。电机运行曲线见图3。
![](http://www.ck365.cn/data/upload/201307/03/141314-98-94188.jpg)
图3 电机转矩/速度运行曲线
4.系统电气保护设计
为了维持启闭机负荷-闸门水平的上升或下降,防止闸门倾斜,在卷筒上装有高度计和压力传感器用于检测闸门的高度和荷重,当两吊点高度差大于5mm或者荷重差大于50吨时,控制系统将报警,停止变频器和电机。除此之外,变频器还提供了PT100电机温度报警等。
5.结束
以Vacon变频器、PLC、现场总线为控制核心的水电站启闭机控制方案,可以实时控制,还具有启闭力矩大,节能效果显著,机械冲击小,运行安全可靠,操作简单等优点,可满足不同工况的应用场合,为重型启闭机提供了一个可靠稳定的解决方案。