摘要：本文主要介紹了觀音巖2×1600KN雙向尾水門機的特點及電氣系統(tǒng)的設(shè)計，著重介紹了本電氣系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計流程，并針對現(xiàn)場情況給出了起升機構(gòu)的調(diào)試參數(shù)，且針對本門機調(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)計的2×1600kN雙向門式啟閉機安裝在觀音巖水電站廠房尾水壩頂平臺，2×1600kN起升機構(gòu)雙吊點運行，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。本門機的電控系統(tǒng)采用目前國際上先進的“觸摸屏+PLC+變頻器”控制方案，整機具有以下優(yōu)點：

1. 大噸位高揚程。本門機起吊噸位高達3200KN，且揚程高達73.5米，其中軌下60米，軌上13.5米。
2. 小車起升機構(gòu)采用雙吊點機構(gòu)形式，由兩套驅(qū)動裝置及兩套折線卷筒裝置組成，實現(xiàn)起升機構(gòu)多層纏繞。
3. 起升機構(gòu)采用主從控制技術(shù)來保證兩起升機構(gòu)的速度和轉(zhuǎn)矩的一致性。
4. 采用先進的觸摸屏監(jiān)控技術(shù)，使整機具有良好的人機對話和高品質(zhì)的信息處理功能。
5. 通過PLC來采集各種信號，運用PLC內(nèi)部的虛擬觸點來實現(xiàn)整機的時序邏輯控制，大大減少控制柜內(nèi)的中間繼電器和時間繼電器，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. 各傳動機構(gòu)均采用安川H1000系列變頻調(diào)速控制方式，調(diào)速比高達1:20。
7. 完備的安全保護功能。本機除具有電控系統(tǒng)必需的短路保護、過電流保護、失壓保護、缺相保護、接地保護、零位保護、限位保護、超載保護、主隔離開關(guān)以及斷開總電源的緊急開關(guān)等常規(guī)保護外，還具有荷重保護、起升高度限制和超速保護等。

2電氣系統(tǒng)的設(shè)計

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

2.1供電系統(tǒng)

本機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，能切斷本機的所有電源，為安全檢修提供了一個明顯的斷開點，并設(shè)有斷路器QF01，只作短路保護。一般情況下QF01不動作，用總接觸器KM1來合上或斷開總電源。QF01中附有分勵脫扣線圈，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脫扣裝置。

2.2起升機構(gòu)控制系統(tǒng)

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

⑴速度指針：

輕載時0.44～4.4/min（Q≦300KN）

重載時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)動臺上轉(zhuǎn)換開關(guān)來判斷是否輕載,并由聯(lián)動臺主令開關(guān)的擋位元來決定速度。正反各五擋，輕載時分別為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運行與保護

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

②變頻器或制動單元故障時，裝置內(nèi)部各輸出故障的一對常開觸點，以實現(xiàn)故障停車,并報警。

⑷起升機構(gòu)設(shè)有荷重、高度綜合儀綜合保護裝置。當(dāng)?shù)觞c荷載達到額定起重量的90％時，自動發(fā)出提示性報警信號；當(dāng)達到額定起重量的105%時，延時報警斷電；當(dāng)達到額定起重量的110%時，立即報警斷電（下降仍可工作）；當(dāng)?shù)蹙呱系暮奢d為零時，給出欠載預(yù)警信號；當(dāng)起升機構(gòu)達到極限位置時自動切斷相應(yīng)方向的電源并報警。起升機構(gòu)設(shè)有機械式限位開關(guān)，當(dāng)?shù)蹉^到達上、下極限位置時，能自動切斷相應(yīng)方向的電源，機構(gòu)停止運行，與綜合儀構(gòu)成機電雙重保護。

2.3小車行走機構(gòu)控制系統(tǒng)

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

⑴速度指針：

運行速度：0.2~2m/min

⑵調(diào)速方式：

由司機室聯(lián)動臺主令開關(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運行與保護

①該機構(gòu)設(shè)有兩個液壓電動夾軌器，小車機構(gòu)只有在夾軌器打開的情況下和外部風(fēng)速沒超過20m/s的情況下才能運行。

②各電機均設(shè)有熱超載保護。變頻器或制動單元故障時，裝置內(nèi)部各輸出故障的一對常開觸點，以實現(xiàn)故障停車,并報警。

2.4大車行走機構(gòu)控制系統(tǒng)

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

⑴速度指針：

運行速度：2～20m/min

⑵調(diào)速方式：

由司機室聯(lián)動臺主令開關(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運行與保護

①該機構(gòu)設(shè)有兩個液壓電動夾軌器、一個風(fēng)速儀及2套錨定裝置，大車機構(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行。

②各電機均設(shè)有熱超載保護。變頻器或制動單元故障時，裝置內(nèi)部各輸出故障的一對常開觸點，以實現(xiàn)故障停車,并報警。

2.5液壓抓梁控制系統(tǒng)

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

2.6照明和接地、防雷保護系統(tǒng)

本機設(shè)有單獨的照明系統(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，本機設(shè)有專門的接地線。司機室鋼結(jié)構(gòu)與整機本體可靠連接，保護本機上鋼結(jié)構(gòu)的任何一點接地電阻均不大于4。

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

3電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1電氣控制的硬件設(shè)計

S7-200系列PLC出色表現(xiàn)在以下幾個方面：

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實時特性；⑦強勁的通訊能力；⑧豐富的擴展模塊。

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

整個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、各機構(gòu)的運行狀態(tài)信號、聯(lián)動臺的輸入信號以及輸出各機構(gòu)的控制命令，以完成各運行機構(gòu)的啟動、運行，制動。而模擬量模塊EM235主要接收高度模擬量信圖1PLC硬件組成

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

3.2電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

由于本門機采用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起升機構(gòu)的調(diào)試

在設(shè)定起升機構(gòu)變頻器的參數(shù)前，需要對起升電機進行旋轉(zhuǎn)型自學(xué)習(xí)。如果電機無法與負載分離，則起升電機應(yīng)進行停止型自學(xué)習(xí)。

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

表1起升機構(gòu)變頻器參數(shù)

5常見故障機處理辦法

本文主要針對起升機構(gòu)調(diào)試時比較常見的、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)過長時間的研發(fā)、調(diào)試，我單位自主設(shè)計的電控系統(tǒng)已成功的運用在觀音巖水電站2×1600KN雙向尾水門機上，如圖3所示。經(jīng)現(xiàn)場測試，門機整體運行平穩(wěn)，整機啟動、制動沖擊小，受到業(yè)主的一致好評。