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摘要：文章介绍了水电站门机的变频控制技术，以供同行借鉴。
关键词：门机；PLC；触摸屏；变频器；现场总线
1.概述
水工门机是水电站起吊闸门的关键设备，随着人们对生产效率和产品可靠性要求的不断提高，对门机的电气传动及其控制技术要求越来越高，传统的控制技术已不能满足一些水工门机的控制要求。结合我公司桥巩水电站坝顶2×1600kN双向门机的控制系统，谈谈现代控制技术在水工门机上的应用。
桥巩水电站坝顶2×1600kN双向门机，装于坝顶101.60m的坝面上，轨面高程101.90m。门机设有独立运行的主小车和副小车，主小车起升机构启闭力为2×1600KN，副小车起升机构启闭力为2×800KN。门机主要用于进水口固定拦污栅和挡水闸门的启闭、吊运和清污；用于机组设备和主变压器设备等卸车和吊运。
根据门机的用途及其机构设置情况，门机电气传动及控制系统由主小车起升机构电气传动系统、主小车运行机构电气传动系统、副小车起升机构电气传动系统、副小车运行机构电气传动系统、大车运行机构电气传动系统、PLC控制系统、开度载荷信号检测系统、自动抓梁及大车夹轨器控制系统等组成。门机设有司机室，司机室位于下游侧中横梁上，内设联动控制台，通过控制台上的手柄控制门机各机构的运行。
2.控制系统介绍
在2×1600 KN双向门机的控制系统中，采用“触摸屏＋PLC＋变频器（传感器）”控制模式。PLC是整个控制系统的核心，全面控制门机的运行，并对起升高度、起升载荷和抓梁行程等过程数据进行处理；触摸屏对门机进行全面的监控，包括门机各机构的运行指示信号、起升机构实时载荷和当前高度显示、自动抓梁穿脱销行程显示及故障诊断显示；主、副小车起升机构、小车运行机构、大车运行机构均采用变频调速，各机构变频器由PLC通过继电器进行控制。PLC将联动台或触摸屏发出的指令信号通过继电器接点传送给各机构变频器，变频器接到指令信号后将按指定要求控制该机构电机运行。
控制系统组成如下图：
2.1 PLC
控制系统中的PLC采用西门子S7-300，中央处理单元为CPU313C，S7-300是模块化中小型PLC系统，内置装载存储器80KB,最大可扩展至512KB,随机存储器48KB,最大数字量点数1024，最大模拟量点数128。能满足中等性能要求的应用。其显著特点是结构紧凑、功能强、速度快、扩展灵活，加上多界面的网络能力，应用十分灵活。
2.2 HMI触摸屏
门机控制系统中配置的触摸屏为西门子的SIMATIC MP270系列彩色触摸操作面板。由于使用了触摸操作面板，从而使门机的监控与操作变得非常简单，工作人员可随时通过面板上的画面观察门机各机构的运行状况，并根据实际运行情况由输入域随时修改运行参数或通过触摸按钮起动某些机构。
触摸操作面板的画面采用网页式设计，浏览画面像上网一样简单。触摸操作面板的页面设计分布如下图：
3.2主小车起升机构电气传动
主小车起升机构采用变频调速，变频器采用安川电机G7系列产品，由两台变频器驱动两台电机运行。由于主起升的两台电机采用机械同步轴连接，这样要求变频器务必控制两台电机实现负荷均衡分配，否则两台电机出力不均衡，会出现一台电机拖动另一台电机运行的情况，驱动出力大电机的变频器必然会报过电流停机故障。
原电气传动系统中的两台变频器采用主从控制，主变频器的转矩设定值通过变频器的模拟量输出接口输出为4-20mA的电流信号，该信号通过两芯屏蔽电缆连接到从变频器模拟量输入接口，作为从变频器的转矩设定值，也就是通过模拟量传输转矩设定值实现两电机的负荷均衡分配。但实际运行中两台电机在启动瞬间冲击较大，有时会出现尖锐的撞齿声，高频段两电机出力不均衡，出现一台电机拖动另一台电机运行的情况，致使出力大的变频器报过流故障而停机，导致起升机构停止运行。
根据上述故障现象，分析产生故障的原因主要有以下几点：
◆启动瞬间由于模拟量传输的延迟造成主从变频器转矩设定值存在较大的差异，从而造成较大的冲击；
◆通过屏蔽电缆以模拟量的形式传输转矩设定值，模拟量易被变频器或其它设备产生的高次谐波污染，从而造成两变频器转矩设定值的波动，直至出力大的变频器故障停机；
◆变频器部分参数设置不当或电机参数辨识存在问题，致使变频器未达到最优运行状态。
3.3改造方案
基于上述原因，决定对主小车起升机构变频器进行更新，由于安川电机G7系列变频器已淘汰，所以选用ABB ACS800系列变频器进行更新。选用ACS800系列变频器的理由如下：
◆直接转矩控制：ACS800系列变频器采用直接转矩控制（DTC）方式，与其它控制方式相比，DTC具有力矩阶跃上升时间小，动态控制精度高，并且起动转矩大，电流小。特别是在低速运行，电网供电质量不好，波动发生畸形时，DTC方式仍能保持较高的控制精度。它的零速转矩可达到100%，具有很高的可靠性、安全性和实用性，避免溜钩发生。
◆抱闸控制功能：在门机起升机构上，采用ACS800变频器，当变频器接到停止命令后，传动系统通过电气制动减速至变频器设置的相对零速，此时变频器的给出抱闸指令，制动器闭合，从而实现制动器的零速闭合，减小了抱闸的磨损，同时实现了无冲击制动。
◆主从控制宏：ACS800变频器设计有主从宏N697，硬件上通过光纤和RMIO控制电路板将主从两个变频器连接起来，将主变频器的转矩设定值通过光纤传输到从变频器，实现主从变频器的负荷均衡控制。由于光信号传输不存在电磁干扰且传输速率高，这样避免了从变频器转矩设定值的波动，且相应速度更快，有效的解决了主从变频器不同步的问题。
3.4改造电路图
4．结束语
从改造运行效果看，本次改造非常成功，完全解决了主小车起升机构两电机出力不均的现象。
论文作者:周新春1,黄明2
论文发表刊物:《基层建设》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/13
标签：变频器论文; 机构论文; 转矩论文; 小车论文; 电机论文; 设定值论文; 控制系统论文; 《基层建设》2017年第8期论文;