摘要：本文主要介紹了觀音巖2×1600KN雙向尾水門機(jī)的特點(diǎn)及電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，著重介紹了本電氣系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)流程，并針對(duì)現(xiàn)場情況給出了起升機(jī)構(gòu)的調(diào)試參數(shù)，且針對(duì)本門機(jī)調(diào)試過程中容易出現(xiàn)的常見故障給出了具體的解決辦法。

1引言

我單位為觀音巖水電站自主研發(fā)設(shè)計(jì)的2×1600kN雙向門式啟閉機(jī)安裝在觀音巖水電站廠房尾水壩頂平臺(tái)，2×1600kN起升機(jī)構(gòu)雙吊點(diǎn)運(yùn)行，通過液壓抓梁啟閉發(fā)電系統(tǒng)尾水檢修閘門和防洪閘門，并起吊閘門孔口蓋板。本門機(jī)的電控系統(tǒng)采用目前國際上先進(jìn)的“觸摸屏+PLC+變頻器”控制方案，整機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 大噸位高揚(yáng)程。本門機(jī)起吊噸位高達(dá)3200KN，且揚(yáng)程高達(dá)73.5米，其中軌下60米，軌上13.5米。
2. 小車起升機(jī)構(gòu)采用雙吊點(diǎn)機(jī)構(gòu)形式，由兩套驅(qū)動(dòng)裝置及兩套折線卷筒裝置組成，實(shí)現(xiàn)起升機(jī)構(gòu)多層纏繞。
3. 起升機(jī)構(gòu)采用主從控制技術(shù)來保證兩起升機(jī)構(gòu)的速度和轉(zhuǎn)矩的一致性。
4. 采用先進(jìn)的觸摸屏監(jiān)控技術(shù)，使整機(jī)具有良好的人機(jī)對(duì)話和高品質(zhì)的信息處理功能。
5. 通過PLC來采集各種信號(hào)，運(yùn)用PLC內(nèi)部的虛擬觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)整機(jī)的時(shí)序邏輯控制，大大減少控制柜內(nèi)的中間繼電器和時(shí)間繼電器，從而減少了電氣系統(tǒng)的硬件故障，提高了系統(tǒng)控制的可靠性。
6. 各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用安川H1000系列變頻調(diào)速控制方式，調(diào)速比高達(dá)1:20。
7. 完備的安全保護(hù)功能。本機(jī)除具有電控系統(tǒng)必需的短路保護(hù)、過電流保護(hù)、失壓保護(hù)、缺相保護(hù)、接地保護(hù)、零位保護(hù)、限位保護(hù)、超載保護(hù)、主隔離開關(guān)以及斷開總電源的緊急開關(guān)等常規(guī)保護(hù)外，還具有荷重保護(hù)、起升高度限制和超速保護(hù)等。

2電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本門機(jī)的電氣系統(tǒng)主要包括供電系統(tǒng)、起升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)、小車行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)、大車行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)、液壓抓梁控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、照明和接地、防雷保護(hù)系統(tǒng)。

2.1供電系統(tǒng)

本機(jī)供電采用電纜卷筒供電，電源為三相四線AC380V，50HZ，控制電源為AC220V，由專用變壓器提供。

總電源設(shè)有隔離刀開關(guān)Q1，能切斷本機(jī)的所有電源，為安全檢修提供了一個(gè)明顯的斷開點(diǎn)，并設(shè)有斷路器QF01，只作短路保護(hù)。一般情況下QF01不動(dòng)作，用總接觸器KM1來合上或斷開總電源。QF01中附有分勵(lì)脫扣線圈，由電源柜上的急停按鈕來控制，只有在總接觸器因某種原因無法正常切斷電源回路的緊急情況下，才偶然使用一下分勵(lì)脫扣裝置。

2.2起升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)

起升機(jī)構(gòu)載荷為典型的位能性負(fù)載，由兩臺(tái)QABP315M8A75kW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用兩臺(tái)日本安川H1000系列變頻器分別傳動(dòng)，閉環(huán)控制。兩臺(tái)變頻器之間采用主從控制，保證兩臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和速度一致。起升機(jī)構(gòu)具有各種故障自診斷及顯示報(bào)警功能，包括瞬時(shí)過電流保護(hù)、瞬時(shí)斷電失壓保護(hù)、接地保護(hù)、冷卻風(fēng)機(jī)異常、超頻（超速）保護(hù)、接觸器粘結(jié)、缺相、控制器零位保護(hù)、超載保護(hù)等等。

⑴速度指針：

輕載時(shí)0.44～4.4/min（Q≦300KN）

重載時(shí)0.22～2.2/min（Q≧300KN）

⑵調(diào)速方式：

由荷重儀輸出的輕、重載狀態(tài)以及聯(lián)動(dòng)臺(tái)上轉(zhuǎn)換開關(guān)來判斷是否輕載,并由聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令開關(guān)的擋位元來決定速度。正反各五擋，輕載時(shí)分別為20%、60%、100%、150%、200%額定速度，其中前三擋為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，第四、五擋為恒功率調(diào)速；重載時(shí)分別為10%、20%、40%、70%、100%額定速度，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。系統(tǒng)采用主令擋位開關(guān)量輸入至PLC，經(jīng)軟件處理后，再由PLC輸出開關(guān)量信號(hào)給變頻器。速度擋可在變頻器內(nèi)任意設(shè)定，以滿足不同速度要求。

⑶運(yùn)行與保護(hù)

①每套起升機(jī)構(gòu)分別由一套工作制動(dòng)器和一套液壓安全制動(dòng)器構(gòu)成，工作制動(dòng)器抱高速軸，安全制動(dòng)器抱低速軸。其中安全制動(dòng)器在起升機(jī)構(gòu)總接觸器合閘后立即打開，在起升機(jī)構(gòu)連續(xù)沒動(dòng)作1h后立即抱閘。

②變頻器或制動(dòng)單元故障時(shí)，裝置內(nèi)部各輸出故障的一對(duì)常開觸點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)故障停車,并報(bào)警。

⑷起升機(jī)構(gòu)設(shè)有荷重、高度綜合儀綜合保護(hù)裝置。當(dāng)?shù)觞c(diǎn)荷載達(dá)到額定起重量的90％時(shí)，自動(dòng)發(fā)出提示性報(bào)警信號(hào)；當(dāng)達(dá)到額定起重量的105%時(shí)，延時(shí)報(bào)警斷電；當(dāng)達(dá)到額定起重量的110%時(shí)，立即報(bào)警斷電（下降仍可工作）；當(dāng)?shù)蹙呱系暮奢d為零時(shí)，給出欠載預(yù)警信號(hào)；當(dāng)起升機(jī)構(gòu)達(dá)到極限位置時(shí)自動(dòng)切斷相應(yīng)方向的電源并報(bào)警。起升機(jī)構(gòu)設(shè)有機(jī)械式限位開關(guān)，當(dāng)?shù)蹉^到達(dá)上、下極限位置時(shí)，能自動(dòng)切斷相應(yīng)方向的電源，機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行，與綜合儀構(gòu)成機(jī)電雙重保護(hù)。

2.3小車行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)

小車機(jī)構(gòu)載荷為典型的位移性負(fù)載，由四臺(tái)AWV90S-4-B1.1kW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用日本安川H1000系列變頻器傳動(dòng)，開環(huán)控制。

⑴速度指針：

運(yùn)行速度：0.2~2m/min

⑵調(diào)速方式：

由司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令開關(guān)的擋位元來決定速度。前、后各五擋，分別為10%、30%、50%、70%、100%額定速度。系統(tǒng)采用主令擋位開關(guān)量輸入至PLC，經(jīng)軟件處理后，再由PLC輸出開關(guān)量信號(hào)給變頻器。速度擋可在變頻器內(nèi)任意設(shè)定，以滿足不同速度要求。

⑶運(yùn)行與保護(hù)

①該機(jī)構(gòu)設(shè)有兩個(gè)液壓電動(dòng)夾軌器，小車機(jī)構(gòu)只有在夾軌器打開的情況下和外部風(fēng)速?zèng)]超過20m/s的情況下才能運(yùn)行。

②各電機(jī)均設(shè)有熱超載保護(hù)。變頻器或制動(dòng)單元故障時(shí)，裝置內(nèi)部各輸出故障的一對(duì)常開觸點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)故障停車,并報(bào)警。

2.4大車行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)

大車機(jī)構(gòu)載荷為典型的位移性負(fù)載，由八臺(tái)AWV132S-4-B5.5kW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用日本安川H1000系列變頻器傳動(dòng)，開環(huán)控制。

⑴速度指針：

運(yùn)行速度：2～20m/min

⑵調(diào)速方式：

由司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令開關(guān)的擋位元來決定速度。左、右各五擋，分別為10%、30%、50%、70%、100%額定速度。系統(tǒng)采用主令擋位開關(guān)量輸入至PLC，經(jīng)軟件處理后，再由PLC輸出開關(guān)量信號(hào)給變頻器。速度擋可在變頻器內(nèi)任意設(shè)定，以滿足不同速度要求。

⑶運(yùn)行與保護(hù)

①該機(jī)構(gòu)設(shè)有兩個(gè)液壓電動(dòng)夾軌器、一個(gè)風(fēng)速儀及2套錨定裝置，大車機(jī)構(gòu)只有在夾軌器打開、外部風(fēng)速小于20m/s以及錨定裝置打開的情況下才能運(yùn)行。

②各電機(jī)均設(shè)有熱超載保護(hù)。變頻器或制動(dòng)單元故障時(shí)，裝置內(nèi)部各輸出故障的一對(duì)常開觸點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)故障停車,并報(bào)警。

2.5液壓抓梁控制系統(tǒng)

液壓自動(dòng)掛脫梁液壓系統(tǒng)供電及信號(hào)檢測采用磁力耦合式電纜卷筒。電纜收放速度與門機(jī)起升速度同步。液壓自動(dòng)掛脫梁穿銷、退銷由安裝在液壓泵站中的油泵電機(jī)和電磁換向閥實(shí)現(xiàn)。檢測信號(hào)由6個(gè)接近開關(guān)實(shí)現(xiàn)，分布在梁上各個(gè)部位。其中二個(gè)為對(duì)位到位信號(hào)，二個(gè)為穿銷到位信號(hào)，二個(gè)為退銷到位信號(hào)。

2.6照明和接地、防雷保護(hù)系統(tǒng)

本機(jī)設(shè)有單獨(dú)的照明系統(tǒng)，照明系統(tǒng)由專門的照明變壓器供電。

在接地系統(tǒng)方面，本機(jī)設(shè)有專門的接地線。司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)與整機(jī)本體可靠連接，保護(hù)本機(jī)上鋼結(jié)構(gòu)的任何一點(diǎn)接地電阻均不大于4。

本機(jī)還設(shè)有避雷器，可有效保護(hù)人身及門機(jī)電子設(shè)備免受雷擊損害。

3電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1電氣控制的硬件設(shè)計(jì)

S7-200系列PLC出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①極高的可靠性；②極豐富的指令集；③易于掌握；④便捷的操作；⑤豐富的內(nèi)置集成功能；⑥實(shí)時(shí)特性；⑦強(qiáng)勁的通訊能力；⑧豐富的擴(kuò)展模塊。

基于S7-200PLC的以上優(yōu)點(diǎn)，本雙向門機(jī)采用S7-200PLC作為控制核心，具體硬件組成如下圖1所示。

整個(gè)PLC控制系統(tǒng)由一塊CPU226、兩塊數(shù)字量輸入輸出模塊EM223、一塊數(shù)字量輸入模塊EM221以及一塊模擬量輸入輸出模塊EM235組成。其中CPU226為中央處理器，處理由外部輸入的各種信息。數(shù)字量輸入輸出模塊用來接收外部各種故障信號(hào)、各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、聯(lián)動(dòng)臺(tái)的輸入信號(hào)以及輸出各機(jī)構(gòu)的控制命令，以完成各運(yùn)行機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)、運(yùn)行，制動(dòng)。而模擬量模塊EM235主要接收高度模擬量信圖1PLC硬件組成

號(hào)、荷重模擬量信號(hào)以及風(fēng)速模擬量信號(hào)。以上這些信號(hào)經(jīng)由PLC模塊處理后經(jīng)過MPI網(wǎng)傳輸至司機(jī)室觸摸屏，以便操作員及時(shí)的了解門機(jī)的整個(gè)工作狀況。

3.2電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

由于本門機(jī)采用S7-200作為控制系統(tǒng)的核心，因而該系統(tǒng)的編程采用Step7Microwin4.0編程軟件。其具體的程序控制流程如下圖2所示。

圖2程序控制流程圖

4起升機(jī)構(gòu)的調(diào)試

在設(shè)定起升機(jī)構(gòu)變頻器的參數(shù)前，需要對(duì)起升電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)型自學(xué)習(xí)。如果電機(jī)無法與負(fù)載分離，則起升電機(jī)應(yīng)進(jìn)行停止型自學(xué)習(xí)。

變頻器自學(xué)習(xí)通過之后在進(jìn)行主從調(diào)試前，需要將兩起升機(jī)構(gòu)的同步剛性軸連接起來。起升機(jī)構(gòu)變頻器的參數(shù)見下表1。

表1起升機(jī)構(gòu)變頻器參數(shù)

5常見故障機(jī)處理辦法

本文主要針對(duì)起升機(jī)構(gòu)調(diào)試時(shí)比較常見的、容易發(fā)生的一些主要故障列出了如下解決辦法，見表2。

表2常見故障及解決辦法

6結(jié)束語
經(jīng)過長時(shí)間的研發(fā)、調(diào)試，我單位自主設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)已成功的運(yùn)用在觀音巖水電站2×1600KN雙向尾水門機(jī)上，如圖3所示。經(jīng)現(xiàn)場測試，門機(jī)整體運(yùn)行平穩(wěn)，整機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)沖擊小，受到業(yè)主的一致好評(píng)。