摘要：交流變頻器以其良好的節能效果和卓越的矢量控制性能，越來越廣泛的被應用到工業各場合。多臺Vacon NX頻器通過主從同步控制在溪洛渡水電站的應用為啟閉機提升提供了一個全新的解決方案，提高了系統的自動化水平和機械的整體性能。

1 引言
世界第三大、中國第二大水電站—溪洛渡電站，位于四川省雷波縣和云南省永善縣境內的金沙江干流上。上接白鶴灘電站尾水，下與向家壩水庫相連。電站總投資503億元，裝機總容量1260萬千瓦，僅次于三峽電站。左右兩岸布置地下式廠房，各裝機9臺單機70萬千瓦機組，總裝機1260萬千瓦，初期保證出力339.5萬千瓦，多年平均發電量571.2～640億千瓦時。由中信重機公司制造的8000KN固定式啟閉機已安裝用于導流開截閘。啟閉機由2組卷筒組成，其直徑為2.786米，長度4.49米，左右分布24圈繩槽，雙向卷揚，螺距60mm，每個卷筒與閘門的一個吊點相連，閘門凈重800噸，正常截流閉閘時，在水的壓力下，提升重量可達1400噸，電機運行于50Hz, 閘門運行速度1米/分鐘，提升高度80米，提升能力高達1600噸。如此大型的啟閉機必須要求控制系統具有極高的可靠性和穩定性，否則一旦發生事故，后果不堪設想。

2 啟閉機系統
啟閉機是用來開啟和關閉閘門的機械設備，也稱閘門操作設備。啟閉機除滿足一般起重機的設計要求外，工作安全可靠和操作靈活方便也十分重要。啟閉機的類型可分為固定式和移動式。主要參數包括啟閉力、閘門開啟或下降的牽引力或施加的壓力、開啟行程和開啟速度。選擇啟閉機時主要考慮以下因素：閘門形式、封口尺寸和運行條件、同型閘門孔口數量和閘門設置扇數，閘門起吊點的個數、啟閉力、啟閉行程和啟閉速度、啟閉動力狀況，設置地點，空間尺寸和其他操作要求等等。本項目選用的是固定式啟閉機。
啟閉機的主要配置：Siemens觸摸屏和S7-315-2Dp PLC各1個、Vacon變頻器4臺及制動電阻柜，110KW變頻電動機4臺，減速箱(減速比80：1) 4套，電動液壓抱閘4套，卷筒2組，吊點2個，高度計4個，荷重計2個，及其他主令控制器和信號指示等。系統結構見圖1

圖1 啟閉機系統配置圖
3.控制系統設計
控制系統要有極高的可靠性、穩定性及嚴格的同步控制，其控制核心為PLC、Vacon變頻器、Profibus Dp和System Bus。其中，PLC采用的是Siemens S7-315-2Dp。Vacon變頻器采用了先進的矢量控制算法和領先的模塊化設計，配合電機參數識別，動態補償負載波動，及時地快速響應和控制，具有很高的過載能力、穩態精度和快速動態響應能力，可滿足要求很高的應用場合。同時還具有開放式的基于IEC61131-3標準的編程軟件工具NC61131, 利用它可以設計出滿足客戶特殊要求的應用程序和參數。Vacon變頻器自帶的面板支持熱插拔，同時具有存儲多組參數的功能，便于機器間參數的復制和調試，支持眾多流行的現場總線，與其他控制器兼容性非常強。System Bus總線為Vacon開發的基于CAN的現場總線，傳輸介質為光纖，波特率高達12M，它可以實現64臺變頻器的主從同步控制。Profibus是一種國際化、開放式、不依賴于生產商的現場總線標準，廣泛應用于工業自動化。Profibus根據應用特點可分為Profibus Dp、Profibus FMS、Profibus PA三個兼容版本。其中Profibus Dp是一種高速(速率9.6-12MKbit/s)的經濟設備網絡，主要用于現場控制器和分散式I/O之間的通訊，可滿足交流調速系統快速響應的時間要求。因此，由PLC、變頻器、Profibus Dp和System Bus組成的控制系統可以實時、可靠、快速、準確、高效滿足控制要求，為啟閉機提升提供了全新的解決方案。控制過程見圖2。

整個過程須保證閘門勻速，穩定的上升或下降。閘門提升速度推導如下：

已知三相異步電機轉速

可得卷筒轉速

卷筒線速度

閘門提升速度


啟閉機采用常規控制方式-本地操作。在柜門上裝有主令控制按鈕用于設備的起停操作，觸摸屏上有閘門高度顯示、載荷顯示、信號指示、電壓表、電流表、頻率速度表和轉矩顯示等。閘門運行方式可分為點動和聯動，點動用于高度微調和修正，聯動則用于正常工作。運行速度分為3檔，即低速、中速、高速；低速用于調試或點動微調，中速為正常運行速度，高速則用于無負載快速檢修。上升或下降時，由主令元件給出啟動及正反轉信號到PLC, PLC接到命令后通過Profibus Dp把控制字送給第一個卷筒的Master變頻器，Master變頻器為開環矢量速度控制,，Master變頻器把控制信號傳給follow變頻器，follow變頻器為轉矩控制，并通過System Bus與Master變頻器同步，保持Master和Follow轉矩相等。同時，PLC也會根據兩個吊點的高度差和荷重進行PID調節并計算出第二個卷筒Master變頻器運行的參考速度，并通過Profibus Dp傳送過去，2#卷筒的Follow變頻器也將近一步同步跟隨Master，進而達到2個卷筒連個吊點在同一水平位置勻速上升或下降。電機運行曲線見圖3。

圖3 電機轉矩/速度運行曲線
4.系統電氣保護設計
為了維持啟閉機負荷-閘門水平的上升或下降，防止閘門傾斜，在卷筒上裝有高度計和壓力傳感器用于檢測閘門的高度和荷重，當兩吊點高度差大于5mm或者荷重差大于50噸時，控制系統將報警，停止變頻器和電機。除此之外，變頻器還提供了PT100電機溫度報警等。

5.結束
以Vacon變頻器、PLC、現場總線為控制核心的水電站啟閉機控制方案，可以實時控制，還具有啟閉力矩大，節能效果顯著，機械沖擊小，運行安全可靠，操作簡單等優點，可滿足不同工況的應用場合，為重型啟閉機提供了一個可靠穩定的解決方案。

參考文獻
[1] 滿永奎、吳成東. 通用變頻技術[M]. 北京：機械工業出版社 1996
[2] 王云亮. 電力電子技術[M]. 北京：電子工業出版社 2004
[3] Vacon PLC. Vacon NX All in One 應用手冊[M]. 2007
[4] 中交水運規劃設計院. 船閘啟閉機設計規范. 北京：人民交通出版社 2006

作者簡介
李明星 (1979 - )， 男，2003年畢業于長春工程學院電氣自動化專業，現任偉肯(蘇州)電氣傳動有限公司應用工程師，從事Vacon變頻器的技術應用工作。