三峡升船机传动控制系统电气行程同步性能测试

李彬，谭明波，翁晨雷

（1．武汉船用电力推进装置研究所 430064； 2.西门子（中国）有限公司，上海 200120）

0 引言

三峡升船机承船厢的有效尺寸是 120×18×3.5 m，总质量11800 t，可以提升的船舶 吨位3000 t，最大提升高度113 m，目前是全世界规模最大、难度最高的升船机。

三峡升船机传动控制系统采用了冗余的可编程控制器进行控制，可编程控制器因其可靠性高、功能完善、实用性强、编程容易、易于扩展、维修方便等特点而成为现代工业实现自动化的核心设备，在工业控制的各个领域获得了极为广泛的应用[1]。

船厢驱动系统由四组驱动单元和八台变频调速装置及对应的电机组成。四个驱动单元通过机械轴刚性连接（机械同步轴系统）。在正常运行情况下（四台驱动单元同时运行），同步轴上没有转矩的传递。同步轴上安装的转矩测量轴实现对机械同步轴上的转矩检测。当驱动单元或传动装置出现故障时，机械同步轴将对船厢的稳定性进行调节，以维持其同步性。

船厢驱动控制系统采用电气同步控制技术，8套传变频调速装置各自接受由D445发送的、统一的速度给定信号进行行程同步控制，使4个驱动点的高程一致（行程高差≤±2 mm）。

2 传动控制系统设计方案

为了满足电气行程同步的控制要求，传动控制系统设置了2个PROFIBUS SCANNER模块构成冗余，经Profibus DP网络分别对2个D445-2进行数据收发，再由这两个D445-2作为2级主站分别与传动区的8个D445通过PROFINET通讯，8个SCALANCE通过光纤连接形成环网.

在此结构下，2个互备的D445-2控制器起到了承上启下的作用，向上接收PLC的指令，并将指令通过PROFINET网络等时发送到8个传动控制站，以确保控制的实时性和精确性。

SIMOTION D435工艺板采用多任务快速扫描方式，中断处理功能，事件处理功能，能根据任务的不同实时性控制要求，采用相应的不同的扫描周期，以保证系统的快速响应[2]。

3 同步性能测试方法及结果

图1 测试平台一网络组态示意图

试验首先采用西门子的FM350计数器模块对系统同步性进行测试，FM350计数器模块安装在ET200远程机架上，通过DP电缆和CPU处理器进行通讯，主要用到的硬件设备包括：CPU模块416-2DP、通讯模块CP443-1、计数器模块FM350、ET200接口模块IM153-1、主机架背板等。将测试平台硬件进行组态，如图1所示：CPU通过DP电缆和IM153从4块FM350上采集数据,这4块FM350分别连接1、2和3、4的编码器。DP电缆长度为2 M，通讯速率为12 Mbp。

对计数器模块FM350的设置如图2。CPU的程序扫描周期设为3 ms。测试平台硬件组态和设置完成后，通过触摸屏操作面板发出启动命令，以992 rpm运行120 M全行程（上行/下行），船厢到位自动停止。用400CPU+IM153+FM350来采集1、2、3、4号传动点的脉冲数，每隔20 s记录一次，编码器转动一周产生2048个脉冲。同一时刻四个传动点脉冲编码器产生的脉冲数进行两两相减，所得差值用来检测该时刻四个传动点运行的同步性能。将测试的数据以曲线表示如图3。其中横向轴为时间轴，表示系统运行全过程所需的时间，纵向轴表示任意两个传动点脉冲数的差值，由图可见，运行过程中最大脉冲数相差不超过160个脉冲，即最大误差小于30°（2048脉冲数对应360°）。

图2 计数器模块参数设置示意图

为了确保试验数据的准确性和可靠性，我们又采用了西门子的FM450计数器模块对该系统的同步性能进行重新测试，由于FM450计数器模块直接安装在S7400的主机架背板上，每个FM450模块可以采集两个脉冲编码器的脉冲信号。所以不再需要ET200远程机架，将测试平台硬件进行重新组态，组态方法和平台一的方式类似。 2块FM450-1,分别连接1、2和3、4的编码器。

组态完成后对计数器模块FM450-1进行参数设置。

CPU的程序扫描周期为3 ms。

测试平台硬件组态和设置完成后，采取和第一种测试方案相同的步骤运行系统，记录四个传动点之间的脉冲差值，将测试的数据以曲线表示。

由图4可见，系统运行全过程最大脉冲数相差不超过200，即最大误差小于36°（2048脉冲数对应360°）。

4 测试结论

在试验测试过程中采取2种不同计数模块分别对系统进行了测试，根据三峡升船机对电气行程同步控制方案的性能要求，电气行程同步控制方案工作时，四个驱动点之间的行程偏差不大于2 mm。减速齿轮箱的总传动比为263，最后折算到驱动电机输出轴的转角约为50°。

综合上述两种测试平台所测数据可得，电气行程同步控制方案以两个D445作为程序主站，带动其他传动点运行的控制方式是可以满足行程偏差小于2 mm的误差要求（相差50°）。

[1]李凤阁,佟为明编著.电气控制与可编程控制技术.北京:机械工业出版社,2008.

[2]李方圆等 编著.零起点学西门子变频器应用.北京:机械工业出版社,2012.