无机械同步的双吊点启闭机的电气同步控制系统的设计

无机械同步的双吊点启闭机的电气同步控制系统的设计
发表时间：2017-09-22T11:46:43.930Z 来源：《基层建设》2017年第15期作者：区兆琪
[导读] 摘要：本文主要介绍了无机械同步的双吊点启闭机，通过电气控制的方法实现同步运行，阐述了此电气同步控制系统的原理及实现方式，所涉及的控制系统具有性能好、可靠性高，实用性及可维护性强的特点。

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摘要：本文主要介绍了无机械同步的双吊点启闭机，通过电气控制的方法实现同步运行，阐述了此电气同步控制系统的原理及实现方式，所涉及的控制系统具有性能好、可靠性高，实用性及可维护性强的特点。

关键词：启闭机双吊点电气同步设计
1. 引言
深圳沙井河口水闸是沙井河排涝工程的一部分，为一座双向挡水闸，水闸的主要功能是防洪(潮)、排涝、通航和控制内河水位，闸孔共3孔,两边孔单宽15.5 m，中间大跨度通航闸孔,孔宽32 m，航道等级为VII级。

中孔闸门设计为双吊点直升式大型平面滑动钢闸门，门叶尺寸为34m×6.5m×3.5m(宽×高×厚)，采用固定卷扬式启闭机对闸门进行启闭控制，在闸门开度24m处设置了电动自动锁定装置，为确保安全运行分别设置了安全制动器和工作制动器。

启闭闸门所使用的固定卷扬启闭机型号为QP2×3200kN-28m，额定启门力2×3200kN，扬程28m，吊点距32.335m。

该启闭机是属于大吊点距的双卷扬式启闭机，由两套单独驱动的卷扬装置组成，由于吊点距大，而无法采用传统的机械同步轴来解决两套卷扬装置的同步问题。

由于两套卷扬装置是独立驱动的，电机的性能、两吊点受力大小的不同及其波动变化等原因，使两系统驱动电机的转速不可能一致；在启停过程中，制动器开闭的时间差、两吊点受力状态的不一致等，会引起启停过程中卷筒转过的角度不一致；电气调控系统的误差；机械制造存在的误差等。

所有这些因素都会使启闭机的两吊点在运行过程中产生高度差，当两吊点间的高差累积达到一定程度后，将影响到卷扬机和闸门的安全运行。

为此，必须有一套适合本工程使用要求的电控装置，保证两吊点的高度偏差控制在20mm以内，使闸门及启闭机安全平稳运行。

2. 控制要求
●保证传动性能、控制性能和保护性能的安全、准确、可靠，在紧急情况下能切断电源安全停车。

●高度偏差控制在15－20mm以内。

●能以机旁手动、机旁自动和远方自动的方式进行控制、监测。

●有100M以太网接口与上位机通讯。

3. 控制系统设计
3.1设计定位
本启闭机所控制的闸门是用于船闸中的，可靠性要求较高，为提高设备运行控制的可靠性，方便现场管理人员日后对设备的维护管理，本启闭机的电气设计的定位目标是“安全可靠、技术先进、经济实用、维护简单”。

如采用普通的电机交流调速控制系统来进行同步调速控制，存在着电机调速精度低、可控性差、输出力矩不平稳等缺点，不能满足控制要求。

目前可编程控制器PLC结合三相异步电机变频调速控制的技术已相当成熟，具有可靠、方便、简单、性价比较高的特点，且其控制性能、精度完全能满足本工程的要求。

为此，本控制系统以PLC和变频器控制技术为基础，采用电机闭环矢量调速、闭环同步控制的原理，实现电气控制双吊点同步运行的要求。

通过反复比对甄选，采用通用矢量控制变频器，通过闭环矢量控制和位置闭环控制的技术，既保证了控制的精度，又大幅地降低了成本；采用更为可靠、更易于维护的开关量无级调速的控制方式来控制变频器，使两台变频器无主从之分，独立运行，使控制更灵活，实时性更高。

控制方案确定采用以一台通用矢量变频器单独驱动一套卷扬装置的方式，应用变频器闭环矢量控制、位置闭环控制及PLC控制的组合技术，以吊点位移为主要测控对象，通过调节驱动电机的速度，对由各种因素引起两吊点的高差进行纠偏，使无机械同步的启闭机所控制的闸门，在规定的误差范围内可控、平稳地运行。

3.2控制原理、方式
每套卷扬装置均由一台通用矢量控制变频器控制驱动，在每台驱动电机上都安装了测速编码器，用于采集电机的转速信号，并将此信号反馈给变频器，形成闭环矢量控制。

这样，可以实现变频器对电机速度的精确调节，保证了电机速度的准确性。

即使负载发生变化(瞬时的冲击或缓慢的波动)，电机也能按的预定的速度曲线平稳运转，为闸门按既定的速度平稳运行奠定了坚实的基础。

使用闭环矢量控制技术，还可确保输出力矩满足负荷需求，防止溜钩现象发生。

另外，还在每台起升电机上设置了超速安全开关，当万一出现超速故障时，能立即停止运行，并使装在启闭机上的安全制动器和工作制动器立即动作，使闸门停止下滑，确保安全。

驱动系统使用两台通用矢量变频器分别单独驱动不同卷扬系统的起升电机。

两变频器的目标速度和加速度曲线，均预置成一致的参数。

使用单一的开关量接点同时控制两变频器，保证了两变频器同步接收指令，同步启停。

使系统更为可靠、更易于维护。

进行纠偏控制时，也采用了开关量信号向变频器发出变速指令的方式来实施。

两台变频器无主从之分，独立控制，独立运行，使控制更灵活高效，实时性更高。

虽然理论上两起升电机的运行曲线一致，但总有误差存在，为解决此问题，在两卷扬系统的卷筒轴上分别设置了绝对值编码器，用来
检测闸门两吊点的实际开度。

编码器数据通过PLC的处理运算后，得出两吊点的实际开度偏差值。

当偏差值累积达到一定程度时，由PLC 发出指令，改变其中一个电机的运行速度，使闸门两吊点回归至一致的高度。

该工程的现场常年风力较大，且启闭机平台到闸门顶的距离达39.5m，门槽处于露天状态，如采用拉绳式传感器，风力会严重影响测量精度。

因此，采用了在两卷扬系统的卷筒轴上设置绝对值编码器的方式来间接测量闸门两吊点的实际开度，实现闸门开度位置的半闭环控制。

半闭环位置控制，不能直接消除如卷筒直径一致性误差等的一些机械制造误差，但这些误差是有规律可循，且是相对确定的，为解决机械方面的误差累积，采取了在现场通过设置修正值(可单独分段调节)的办法来消除这些因机械制造所带来的误差，使闸门的升降运行和锁定状况更为准确、平顺。

当进行启动操作时，卷扬装置的驱动电机由静止加速到额定速度的过程中，如检测到两吊点的偏差超出一定的值时，PLC将根据当前的转速状况，发出速度限制指令，暂时限制过快的电机继续加速，直至两吊点达到同一水平位置后，再恢复其加速运行至额定速度。

从而保证在加速过程中闸门的水平运行。

当进行停止操作时，电机从运行到停止的减速过程中，如检测到两吊点的偏差超出所要求的范围，也是采取与加速过程相似的措施进行纠偏处理。

对于闭环矢量控制的变频器来说，50Hz以下的运行频率是恒转矩输出，而超过50Hz运行时，变频器将处在恒功率输出状态，输出转矩将以接近所增加速度的平方比下降，对本工程来说，是不允许的，这将严重影响安全运行。

如使用更高额定转速、更大功率的电机，使变频器的额定工作频率降低，从而增加调节范围的方法，显然不符合经济原则，也是不可行的。

基于上述原因，本系统设计采用减慢位移相对较快一侧的电机转速的方式，“抑快等慢”来实现纠偏控制。

在纠偏变速时，变频器的减速度和加速度曲线是被设成为对称的，在理论上，当减速纠偏到吊点偏差值为开始纠偏时偏差值的一半时，再转为加速状态，直到回归到额定速度，这时两吊点的偏差值刚好为零，这种方式称为“半差调节”，这样做，既可增大纠偏速度的调节范围，也有利于加快完成纠偏过程，并能提高系统运行的安全性。

本闸门在左右门槽的上方，分别设置了一套闸门的锁定装置。

在自动控制时，锁定装置由PLC上的程序自动控制解锁或锁定，无需手动操作。

手动操作时，可在启闭机旁或锁定装置现场进行，方便了检修和调试。

在PLC控制柜上装设有一个触摸屏，用于对启闭机的各种状态(负载状态、极限位置、闸门开度、运行状态、变频器内部状态等)进行监测，这些数据、状态均可通过以太网模块传送到上位机，为中心计算机操作控制提供了丰富的数据。

为了提高系统可调整性和检修维护的方便性，也为了提高系统的操作的冗余性，控制系统除可按自动方式进行操作外，还设有机旁手动操作的方式。

自动控制时，闸门通过PLC程序控制实现自动纠偏，自动锁定或解锁的自动运行。

手动控制时，可实现对启闭机进行任意一侧单独或双侧同时运行控制，也可进行手动纠偏控制。

4 系统特点
与当前国内同类研究、同类技术的综合比较,本控制系统具有如下特点：
使用通用矢量变频器，并用开关量接点控制方式来控制两台变频器，两台变频器无主从之分，独立运行，使控制更灵活，实时性、可靠性更高，更经济，更易于维护。

在启动加速和减速停止的过程中，采用变加速度及速度限制的方式进行纠偏控制，在减速停止的过程中，当速度降到一定程度时，采取了调平的措施，保证启动和停止阶段闸门的平顺运行，使停止后闸门两吊点停在相对水平的位置上。

采用半闭环位置控制，消除环境因素对传感器的影响，并通过分段修正的方式，消除半闭环位置控制所不能消除的机械制造及安装所带来的误差。

采用“抑快等慢、半差调节”的纠偏手段，使调节范围和调节的灵活性得以保证，还减少了纠偏过程的时间，有利于加快完成纠偏过程，并能提高系统运行的安全性。

为今后同类型的项目提供了一个很好的范例。

5 应用效果
在安装调试完成后，该启闭机在2013年9月5日通过检验测试，结果表明该启闭机的机械及电气设备运行正常，电控系统控制准确，指示明晰，状态良好。

目前该启闭机总体运转正常，已投入运行使用。

本控制系统的可靠性、实用性及经济性得到合理的平衡，为今后同类型控制系统的设计，提供了一个很好的借鉴例证。