智能化控制在引水隧洞斜井提升机电控系统的应用.pdf

DOI:1016617/jcnki11-5543/TK20240208智能化控制在引水隧洞斜井提升机电控系统的应用徐 冬(中铁十八局集团第二工程有限公司,河北 唐山 064000)【摘 要】文章对滇中引水工程香炉山隧道 2 号施工斜井提升机普通电控、PLC 及变频电控三种方案进行了详细分析研究,建立了基于双 PLC 控制的变频提升机电控系统,并进行了应用与关键技术实践验证。结果表明:将 PLC 控制功能与全数字变频技术相结合,极大提高了提升机运行的稳定性和可靠性,调速精度高,能够实现电机满功率向电网进行能量回馈。基于 S7-300 的双 PLC 主控制系统是整个控制系统的核心,能对提升机电控系统的实时运行状态进行采集,从而对电机进行精确、稳定的控制;通过位移传感器、摄像头等多传感器在线监测,实现了提升机系统闸瓦磨损监控、信号通信、视频监控与远程故障诊断。【关键词】智能控制;引水隧洞;斜井提升;电控系统;安全可靠性中图分类号:TV672 1 文献标识码:B 文章编号:1673-8241(2024)02-040-04Application of Intelligent Control in Inclined Shaft Hoist Electronic ControlSystem of Water Diversion TunnelXU Dong(The Second Engineering Co,Ltd.of China Railway 18th Bureau Group,Tangshan 064000,China)收稿日期:2022-07-01作者简介:徐冬(1982),男,本科,工程师,从事水利水电施工技术工作。Abstract:Three schemes in Center Yunnan Water Diversion Project Xianglushan Tunnel No 2 construction inclined shafthoist are analyzed and studied in details,namely general electric control,PLC and frequency conversion electric control.The frequency conversion hoist electronic control system based on double PLC control is established.The application andkey technology practice are verified.The results show that PLC control function and full digital frequency conversiontechnology are combined to greatly improve the stability and reliability of the operation.The speed regulation precision ishigh,thereby realizing the energy feedback of the motor to the power grid at full power.The double PLC main controlsystem based on S7-300 is the core of the whole control system,which can be used for collecting the real-time running stateof the hoist system,thereby controlling the motor accurately and stably.The brake shoe wear monitoring,signalcommunication,video monitoring and remote fault diagnosis of the hoist system are realized through on-line monitoring ofmultiple sensors such as displacement sensor,camera,etc.Key words:intelligent control;water diversion tunnel;inclined shaft hoist;electronic control system;safety reliability041 工程概况香炉山 2 号施工斜井是滇中引水工程先期开工的试验工程项目,设计为长陡坡斜井,长 1227m,倾角为 17 63,坡比为 31 8%,高差 349m,与主洞水平投影夹角 36 76。根据施工条件并结合主洞开挖对斜井提升系统的要求,采用 2 套 JK-2 52 5/20A 型提升机,单钩提升双轨布置,每台提升机配置一台 KZ-8 型曲轨侧卸式矿车,作为物料提升设备,洞内采用挖掘机进行装渣,提升机电控系统采用基于双 PLC 控制的变频电控模式。2 提升机电控系统2 1 提升控制系统比选目前,国内提升机有普通电控、PLC 及变频电控三种方案(见表 1)。普通电控采用继电器-接触器调速模式,性能差,处于淘汰状态。PLC 电控优势在于设备体积小、安装调试方便、系统安全可靠。变频电控在节能和电机性能及稳定性方面有优势。通过对三种电控模式主要设备配置、工作原理和优缺点等进行对比分析,结合现阶段矿井提升机电控技术发展,本工程采用 PLC 变频控制提升机系统。表 1 提升机控制方案对比项 目普 通 电 控PLC 电控变 频 电 控主要配置 定子屏、控制屏、转子屏、动力制动屏、继电器屏、金属电阻器 操作台、电源换向柜、测速发电机、动力控制柜、转子控制柜、副 PLC 控制台、轴编码器等 电源柜、操作台、变频器柜、电阻柜工作原理 改变转子绕组的电阻,以改变异步电动机的转差率,从而改变电动机的转矩。在以星形连接的每相转子回路中串接电阻,启动时通过接触器逐步切除电阻,到最高档时电阻完全切除,分档位控制 采用双 PLC 控制,司机可通过操控操作台上的操纵杆及按钮来控制提升机运行,通过局域网络数据传输并显示矿车所处位置及速度。并通过指示灯和显示屏及时了解提升机的运行状态、运行参数及各种控制元器件的工作情况 变频调速方法是根据电机转速与工作电源输入频率成正比关系,通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的,从而实现调速优点缺点 设备简单维修方便,一次性投入成本小。设备运营后资源浪费,调速性能差 设备体积小,安装、调试方便,系统安全可靠 节能、无级调速、电机性能好、工作稳定2 2 系统硬件配置提升机电机控制系统主要由主控计算机系统(PLC 控制系统)、全数字高压变频调速系统、提升信号系统、闸瓦在线检测系统、上位机监控系统、高低压配电系统、视频监控系统等组成1。系统组成、功能和主要设备见表 2。表 2 提升机电控系统组成及功能、设备系统组成功能设备控制系统 由 PLC 提供提升机控制逻辑和安全保护 PLC 柜、操作台高、低压配电 主电机供电电压的分合及转换,控制回路、其他辅助设备的低压配电回路 低压电源柜、高压开关柜、整流变压器、其他动力变压器电气传动系统 负责主电动机的供电及调速,命令来自控制系统 IGBT 模块、控制芯片、母线电容、电抗器、变压器传感器 采集位置、温度、速度、油压及深度等信号 闸间隙检测传感器、测速机、编码器、松绳/闸偏检测开关、井筒开关、温度传感器、油压传感器等上位监控系统 运行状态监视、PLC 程序修改上位监控系统 工控机、编程及监控软件等视频监控系统 对矿车运行全过程进行监控和录像,实现可视化 摄像头、机房数字监视录像机、监视器、联动模块远程诊断系统 运行状态远程监控、远程故障诊断与管理 VPN 路由器、以太网交换机、PLC 以太通信模块等14科学研究Scientific Research 本系统采用 S7-300 双 PLC 作为整个控制系统的核心(见图 1)对电机进行精确、稳定的控制2。PLC 冗余系统由两套 PLC 控制系统组成。当主系统运行出现故障时,控制系统会自动切换到备用系统。这种切换过程是模块的整体切换,系统运行过程中,也可以通过手动操作实现主备系统切换。图 1 PLC 控制系统3 提升机电控系统应用与关键技术实践验证斜井提升机电控系统的主要功能为对提升机系统的工况检测与故障诊断、提升机的状态监测监控、提升机故障预测与远程故障诊断分析3。为实现系统功能,提升机电控为多系统融合,其关键技术包括 PLC技术、变频技术、传感器技术、计算机与网络技术等,对整个提升机运行过程进行检测、控制、显示、保护、报警和管理。为施工单位监测中心和机电设备管理人员提供准确、快速、全面的数据信息,实现提升机的智能化控制与远程监控。3 1 全数字变频技术3 1 1 变频调速控制系统组成模块化多传动变频器原理系统硬件结构由变频器、行程控制、能耗制动和抱闸制动等组成(见图2),采用低频全数字制动电源柜,全数字式变频器是其核心设备。调速系统采用 GD 系列 945kW 重载 AFE四象限交流变频器。将 PLC 控制功能与变频技术相结合,极大地提高了系统的稳定性和可靠性,调速精度高,能够实现电机满功率向电网进行能量回馈。图 2 模块化多传动变频器原理3 1 2 主要技术原理采用全数字矢量控制,使系统调速范围宽、精度高。无速度传感器矢量控制技术使交流三相异步电机的调速性能可以和直流电机一样好,其调速精度高,性能好。3 2 双 PLC 控制技术3 2 1 主控系统组成提升机主控系统采用 S7-300 系列双 PLC 作为整个控制系统的核心,主 PLC 负责程序及系统管理4。PLC 构成电子行程监控器并负责深度指示及监控,实现了模块化设计,功能强大、投资安全并且完全适合各种应用。3 2 2 技术特征a 实现提升机半自动、手动、检修、慢动、紧急停车、低速爬行方式的控制。实现提升机机械、液压、电气等方面的控制故障检测、报警、保护功能。b 监视提升系统各路电源。c 实现连续速度包络线监测保护和逐点速度监测保护功能,实现提升机位置控制,保证提升机安全运行。d 软件设计采用功能模块化、结构线性化设计,具有良好的维护性和可移植性。24科学研究Scientific Research两套 PLC 之间、PLC 与监控系统的通信通过工业以太网实现。PLC 对外 I/O 接口预留不少于10%的余量,留有与企业局域网和 internet 的接口,具有通过物联网对现场调速和监控系统进行实时远程诊断的能力。3 2 3 运行方式系统可在手动、半自动、检修、调闸、应急模式下运行。a 手动。操作室通过控制台操作,可通过操作台选择水平信号或根据信号系统打点信号水平功能开车。b 半自动。司机可通过按钮或信号工打点开车,让系统完成一个提升循环。c 检修。系统可在检修模式下低速运行(2m/s)。d 调闸。调闸模式下可对盘形闸进行检修,具有调闸闭锁功能。e 应急。当一套 PLC 出现故障时,可直接切换到备用 PLC 实现完整的开车功能。备用 PLC 可实现所有主 PLC 具备的保护功能,但应急模式下的运行速度受到一定的限制。3 3 上位计算机监控系统3 3 1 系统设备与显示主操作台内嵌入式安装一台 10 4 英寸触摸屏及电压电流表。选用 4G 内存、500G 硬盘、工业以太网交换机、19 寸液晶显示器。其中显示器的人机界面是司机与提升控制设备之间传递和交流信息的平台(见图 3),该平台主要由提升机升降监控系统、深度指示、工作状态指示、信号指示、高低压电压电流指示及提升机行程速度等组成5。3 3 2 系统功能a 实现提升机运行情况与监控系统联动。b 井筒开关动作情况记忆及显示。c 故障检测、显示、报警,详细到什么位置、什么时间及什么原因导致的故障。对提升系统运行参数、状态进行实时检测,如速度、电流、电压等,对图 3 工控机监控界面一些重要参数如速度图等存储并保留至少十个班次。d 具备多种历史曲线查询功能,例如提升速度历史曲线、电机电流历史曲线,可以在控制软件内实时监控其他所有数据。3 4 传感器技术传感器是提升机电控系统非常重要的组成部分,通过位移传感器、摄像头等多传感器在线监测,实现提升系统闸瓦磨损监控、信号通信、视频监控与远程故障诊断6。3 4 1 闸瓦磨损监控通过位移传感器,可对闸的实时间隙进行检测,可通过校零装置对闸进行校零处理,校零完成后具有开闸间隙和磨损检测显示功能。通过与液压站的压力传感器数据进行比较,可对蝶形弹簧进行疲劳计算。闸瓦系统具有闸间隙显示功能、闸瓦弹簧疲劳检测功能及制动盘偏摆检测功能。3 4 2 信号系统提升系统采用以 PLC 可编程控制器为控制核心的信号系统,配合 PLC 冗余技术,用 LCD 液晶屏进行显示,具有汉字显示、数字存储故障诊断、安全闭锁等功能。信号装置采用独立西门子 S7 PLC、欧姆龙电源模块等,通过光纤通信使进出斜井洞口控制台及提升机机房显示箱间传输、音响报警信号。显示屏用来显示提升机工作状态,扬声器用来发出语言报警信号,从而为斜井提升机运转提供准确、方便、直观的安全控制信号,指挥司机安全操作。(下转第 50 页)34科学研究Scientific Research涡量呈“稳定、缓增、陡增”变化,以进水通道断面涡流分布最为显著;淹没水深越大,涡量分布变幅越大,且涡量值越高,但在淹没水深 1 8m 后,进水通道上涡量分布逐步趋于饱和。不同进水流量下,泵站进水通道上流线分布密集区均位于喉管进口处;进水通道内涡量变化具有“波浪式”上升特点;进水流量越大,进水通道内涡量值越高,且在不同进水流量方案间涡量值增幅较稳定均衡。参考文献1 吕和品,顾梦凡,邱龙,等.分流墩对排涝泵站进出水流态的影响研究J.治淮,2023(5):55-57.2 张亚,陈亚军.梁寨闸站泵装置流道 CFD 优化设计J.水利规划与设计,2019(2):99-104.3 彭远春.基于正交试验的泵站斜式进水流道优化设计研究J.水利技术监督,2022(1):156-159.4 潘世虎,潘源.水工模型试验对泵闸结构的优化与改进J.水利规划与设计,2020(1):59-63.5 徐波,吕和品,谭超,等.泵站正向大扩散角前池八字形导流墩整流研究J.水电能源科学,2023,41(4):127-130.6 李蕴升,庄伟栋.弧形钢闸门主梁翼缘宽厚比设计对静力与流场稳定性影响研究J.广东水利水电,2022(11):8-13.7 胥维纤,张晓斐,孙斌.基于模型试验的泵站进水前池优化和特性研究J.西北水电,2023(3):82-87.8 王琪,朱文辰,周济人,等.侧向泵站进水前池流态数值计算与优化J.中国农村水利水电,2023(1):152-157.9 王红.竖向隔板对泵站前池进水流态影响的试验研究J.中国水能及电气化,2023(3):35-38.10 付小莉,郁片红,李君菡.城镇排水泵站进水流道水力优化设计试验研究J.中国给水排水,2023,39(1):99-104.11 许经宇,韩冬梅.结构形式对泵站前池流态影响的数值模拟研究J.东北水利水电,2022,40(3):32-35,71.12 申屠华斌,魏俊,潘笑文,等.排水泵站流场特性及漩涡特征数值模拟J.浙江水利水电学院学报,2022,34(5):47-50,62.13 吴燕武,罗明,高琛.某泵站前池流态模型试验研究J.江西水利科技,2021,47(1):21-25.(上接第 43 页)3 4 3 视频监控基于光纤技术的远程视频监控系统可靠性高,抗干扰能力强,为提升机司机提供直观的斜井运行信息。系统有 8 路硬盘录像机(含 2T 硬盘)、25 英寸高清显示器、高清摄像头,并提供满足光纤连接的所有材料。现场控制系统和远程上位机之间通过局域网络传输将现场各种参数数据传输并显示在远程端上位机上,同时现场高清视频监控画面传输至监控中心,实现对整个提升系统运行情况的直观监视。4 结 语本文对滇中引水工程香炉山 2 号施工斜井提升机的机电设备电控系统从功能设计、硬件配置、软件设计等方面进行全面分析,实现了机电设备控制自动化、数字化、可视化、智能化,保证了提升系统安全可靠运行。斜井提升电控系统采用自动化智能控制、网络通信、视频监视、远程智能诊断等技术,实现了提升系统全方位、实时的多传感器在线监测,为斜井提升运行更加安全可靠提供了技术导向,为预防和减少斜井提升机运行故障和安全事故提供了理论技术支撑,促进了工程建设安全健康发展,保障了企业社会声誉和经济利益。斜井提升机是洞内和洞外联系的大动脉。随着物联网技术越来越成熟,将其应用在斜井提升设备状态监测上,将更能保证提升机运行的安全性和稳定性,但需进一步深入研究以期减少监测盲区、提高数据传输可靠性。参考文献1 张建国,杨春雨,范胜祥.东坡煤矿提升机电控系统技术方案优化与实施J.煤矿机械,2013,34(10):187-188.2 张明珠.基于 S7-300PLC 的矿井提升机控制系统的设计J.煤矿机械,2015,36(9):258-260.3 刘冬雯.水利隧洞长陡坡斜井控制主洞施工资源配置计算J.工程建设,2021,53(12):57-64.4 王鹏翃.地下输水隧洞围岩稳定监测系统设计研究J.中国水能及电气化,2020(4):37-40.5 郝俊锁.引水隧洞突涌段变形特征及控制关键技术研究J.铁道建筑技术,2022(2):99-103,121.6 杨启贵,李建贺.深埋软岩隧洞围岩-支护体系安全控制研究J.人民长江,2021,52(5):139-148.05科学研究Scientific Research