卷扬垂直升船机电气传动主/从控制系统研究

吕科，车晓杰，张光乐

（1.华电电力科学研究院，浙江 杭州 310030；2.杭州国电机械设计研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

卷扬提升式升船机采用对称安装在塔架顶部的多台卷扬机，通过卷筒上的钢丝绳使承船厢作升降运行。为保证各卷筒的同步运行，在各卷筒之间加设闭环刚性同步轴。卷扬垂直升船机一般采用4台电动机同轴驱动，用矩形闭环刚性轴联接，组成多台电动机同轴传动系统。

垂直升船机不同于一般的提升下降起重机械设备，其稳定性、可靠性和安全性是升船机船厢稳定运行的重要因素，必须首先考虑。因此设计过程中，有许多复杂的问题有待试验研究，如多电机拖动系统控制方案和控制策略的选择、各电机出力均衡控制、平稳升降控制、冗余控制等［1-2］。

1 升船机传动系统特性

卷扬垂直升船机主拖动系统为多点传动，主拖动方案采用交流变频器传动，通过机械同步轴拖动有水的承船厢。其传动结构如图1所示。

图1 传动装置示意图Fig.1 Drive schematic diagram

其中每台电机经过各自的减速机带动卷筒，通过钢丝绳提升、下放船厢。绳的另一端悬挂平衡重，船厢和水的重量与平衡重部分或全平衡，电机仅提供加、减速力矩和不平衡力矩［3］。

针对升船机的传动结构及功能实现，要求电气传动控制具有以下特性。

1）电气传动能够准确实现给定的速度曲线，且速度稳定波动小。

2）由于多轴刚性连接，电机速度，位置被迫一致，因此要求各个电机出力一致。

3）设计中4台驱动同时驱动承船厢，考虑了一定的余量，因此要求一台电机故障退出驱动时，主提升拖动仍能可靠地运行一次。

4）由于同步轴的刚性系数、惯量，长度，齿隙等因素影响，每个电机受力在动态上是不一致的，容易造成机械轴的变形及振荡。

通过以上传动系统的特性分析可得：在多电机同轴传动中，各电机速度是被强制同步在机械轴上。由于加工制造等因素，使电机、变频器、编码器等之间的固有机械特性总存在差异。如果各电机都采用各自的速度环控制，那么各电机之间会产生巨大的力矩差，严重时甚至扭断同步轴，使整个升船机发生故障，因此，在电机运行过程中必须要求电机出力均衡［4］。

2 主/从控制系统方案研究

通过以上传动系统特性分析，电机驱动装置不能独立控制，而必须协调控制［5］。因此设计了以下2种方案。

2.1 主/从控制-转矩环出力均衡控制

如图2所示。4套传动装置，设置其中一套为主传动装置，其余为从传动装置。主传动装置采用速度环、电流环双闭环控制，能够实现承船厢的速度精度控制。从传动共用主传动的速度环，而自身采用独立的电流环闭环控制。从而实现整个传动装置出力均衡。在此方案中，速度环，电流环均采用PI控制。

图2 主/从控制-转矩环出力均衡控制Fig.2 M/F control-torque loop out put balance controlsystem

2.2 主/从控制-速度环出力均衡控制

如图3所示。4套传动装置，都通过速度环和转矩环双闭环控制，并且以1#传动装置为主传动。从传动通过设置力矩均衡控制器，以主传动速度环输出的力矩给定和从传动速度环输出的力矩给定之差为输入，经过比例调节控制器，累加到各自从传动装置的速度给定上，能够使从传动跟随主传动的出力，软化从站速度环控制特性以实现主从站的电流均衡。此种方案既能减小各自速度控制造成的出力差，保证出力均衡，又能保证各自转动装置由于负载差异变化的响应速度。

图3 主/从控制-速度环出力均衡控制Fig.3 M/F control-speed loop out put balance controlsystem

2.3 仿真模型建立

针对以上几种控制方式，在Matlab中建立相对应的4套传动装置模型。各传动装置有各自的独立性、各自的测速装置、各自的交流逆变装置、速度控制装置等，因此在仿真过程中各个传动装置参数不是完全一样，在小范围内具有一定的差异性。各个转动装置的差异性，最终主要表现在传动装置末端共轴的转动角度上，使末端转动角度有差异，从而形成了联动轴上的转矩。相对电机来说是负载的扰动。仿真中采用两两电机间的转角差乘以联动轴的刚性系数作为电机的扰动干扰。如果每套传动装置采用独立的速度环，联动轴上的转矩由于转角差的积累，此转矩可能会达到很大，甚至使联动轴断裂，影响整个主提升的正常工作，因此需要保证各电机的出力均衡。图4～图6分别对几种控制方式进行了仿真［6］。

图4 主/从控制-转矩环出力均衡控制转矩和速度曲线Fig.4 The torque and speed curves of M/F controltorqueloop output balance control system

图5 速度环独立控制转矩和速度曲线Fig.5 The torque and speed curves of speedloop independent control system

图6 主/从控制-速度环出力均衡控制转矩和速度曲线Fig.6 The torque and speed curves of M/F control speedloop output balance control system

仿真程序在第2 s使4#电机加入阶跃扰动。从以上仿真图可以看出，主/从控制-转矩环出力均衡控制能够很好地控制各传动装置出力均衡，且速度控制也较快较稳。主/从控制-速度环出力均衡控制能够更好地实现各电机的速度控制，且能够使各传动装置出力差控制在一定范围内。速度环独立控制中的各传动装置，随着时间的增长，各传动之间的转矩会变得越来越大，从而影响整个控制。因此升船机传动控制系统推荐使用前两种方式。

3 主/从控制系统方案实现

在升船机运行过程中，4台传动中的从传动故障切换，相对容易，难点是4台传动中的主传动故障切换，将1台原来的主传动装置切除，从传动升为主传动，实现传动的无扰动切换。以下为两种实现方案。

3.1 I/O方式主/从控制实现方案

多台传动通过传动控制站PLC的I/O实现传动控制，多台传动中一台为主，一台为备。在正常运行过程中，备主传动与从传动一样，跟随主传动力矩。一旦主传动故障，PLC立即切除主传动，备传动升为主传动，实现简单直观，控制容易。

传动控制PLC将传动控制命令发到变频器传动I/O板的开关量输入端口，用于远程控制启动、停止等功能。变频器传动I/O板输出端口，用于输出传动内部的状态信息，PLC能够实时监测传动运行状态。升船机速度给定，通过PLC模拟量输出模块输出±10 V电压信号给变频器传动的模拟量输入端口1。转矩给定信号通过PLC模拟量电压输出模块给到传动模拟量输入端口2。

通过PLC的模拟量输入、输出模块，能够很好地实现电机的速度、转矩给定，及获取电机的运行状态，从而实现从传动的力矩跟随。此方案实现简单，经济性较好，但力矩跟随信号需要通过PLC接受转发，从传动力矩跟随具有一定的滞后性。

3.2 总线方式主/从控制实现方案

本升船机的提升机构由4台变频电机驱动，4套传动机构直接由机械同步轴连接，属于硬性联接的运行结构，特别适合采用高性能的4象限交流传动变频器来控制该升船机的升降运行。为了满足升船机安全、可靠、同步、平稳的升降运行要求，系统采用冗余传动控制方案。

由4台升船电机、4台分别对应于4象限变频器、1个冗余主-从同步控制单元、同步控制光缆、2套冗余PLC系统、2套冗余上位组态操作监控主机、冗余主控网络等组成了升船机冗余同步传动控制系统。如图7所示。

图7 总线方式主/从同步控制系统Fig.7 M/F synchronization control system based on field bus

通过NDTU-95将4台变频器传动装置组成M/F星形链路。通常设置1#升船电机变频器为主传动，将其他变频器设置为从传动，从传动变频器接受来自主传动变频器启动/停止、运行方向、速度和力矩给定信号，而主传动变频器通过通讯环路接受来自PLC系统的启动、停止、速度给定信号，启动/停止升船机时传动系统只需操作控制主传动变频器，而主传动变频器会通过同步光缆通讯自动将启动/停止、运行方向、力矩给定信号以广播方式送到其他从传动变频器并启动/停止其他从传动变频器的运行，在正常启动升船机后，主传动变频器能自动分配每台从传动电机的力矩，通过平衡力矩来自动调整每台从传动电机的速度，从而达到升船机4台电机的同步升/降运行。一旦主机变频器发生故障而不能运行时，传动系统可以将某一台从机的变频器切换成主机，从而由3台正常的升船机变频器组成新的主-从传动系统。

4 主/从控制方案应用

黄山升船机部分设计参数如下。

最大提升载荷：下游水位以上1310 kN；入水后2190 kN（峰值）。

承船厢运行速度：0.13 m/s（力矩零点以上），0.03 m/s（力矩零点以下）。

承船厢行程：最大工作行程8.00 m，最小1.00 m。

升船机选用4台电机驱动，电机功率75 kW，按重载选配，电气传动系统选用ABB直接转矩控制技术的ACS800-17系列的单传动，4象限运行，柜式结构。并配置如下选项：1）编码器接口板：RTAC-01；2）以太网通讯板；3）主/从控制软件；4）提升机控制软件；5）4套构成主从应用所需的接口板及通讯辅件（RDCU-02C控制单元、NDBU-95光纤分配器等）；6）柜输入侧接触，急停，主开关等。

升船机传动控制站采用施耐德公司Quantum系列PLC，组成双机冗余PLC系统。通过以太网与上位监控系统进行通讯，实现升船机传动系统的集中监控，通过标准现场总线与4套交流变频传动装置通讯，实现监控保护。通过NDBU-95将4台变频传动装置和RDCU-02C的CH2通道组成M/F星形链路，并将它们的CH3通道组成环形链路和传动控制站连接。黄山升船机采用方案2实现。

将 4台 ACS800 变频器分别配置成 1#，2#，3#，4#传动，将1#设为主机，其余设为从机。参数设置如下：38.01：MASTER CONFIG SEL 0；38.02：MASTER SELECTION 8H；70.20：CH3 HW CONNECTION RING；70.32：CH2 HW CONNECTION STAR；99.02：APPLIC SELECTOR M/F。

当1#主机故障时，通过现场总线实现主机的切除，将2#从机设置为主机。将1#传动主状态8.01内容实时的监控，当主机故障或非正常断电时，主状态字由0变1，作为主动切换的触发条件。

通过现场总线修改参数：38.02：MASTER SELECTION 8H→10H（2#）3#传 动 ；70.17：FOLL SPEED REF MASTER→FOLL；70.29：FOLL DS SEL FOLL NODE2→FOLL NODE3（跟随新主机 2#）。

5 结论

升船机电气传动系统的被控对象是一个同侧二轴联动的机械系统。由于二轴的刚性连接，理论上各个驱动点的力矩、速度和位置要求严格一致，但由于联动轴的刚性系数、联动轴惯量、磨损差异、生产制造离散性、轴变形等肯定会引起系统的位置、速度偏差。因此，每个传动装置不能单独的速度控制，必须相互协调控制。从对不同控制模式下的仿真实验可以得出，主/从控制-转矩环出力均衡控制和主/从控制速度环出力均衡控制都能满足升船机对电气传动控制的要求。前者各传动点的力矩出力控制更均衡，实现简单，调试方便。后者更强调各个传动点的速度控制及单个传动点负载扰动下的动态响应能力，实现较复杂，调试比较困难。针对不同的控制要求及拖动的机械特性选择响应的控制模式。

针对以上两种控制方式的实现方案，两种方案都可以实现。传统的I/O控制方案更加直观、经济。新型的总线式控制方案，更加安全可靠，控制效果更好。

［1］刘红兵.升船机主拖动系统性能研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2003.

［2］易春晖，李天石.多电机直流传动系统在钢丝绳卷扬提升机中的应用［J］.电气传动，2004，34（4）：57-59.

［3］秦雅岚，唐勇，王伟.垂直升船机多轴多电机机械同步出力均衡控制技术的研究与应用［J］.中国水运，2011，11（1）：106-108.

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［6］王坚，桂卫华，奚国华，等.基于MATLAB的异步电机直接转矩控制系统的建模与仿真［J］.电机与控制应用，2006，33（12）：3-8.