摘要：本文以南歐江一級水電站2×500KN雙向門式起重機為研究對象，介紹了雙向門機的電氣系統(tǒng)特點，描述了控制系統(tǒng)各個組成部分的設(shè)計，闡述了系統(tǒng)PLC控制器與變頻器的選擇，并針對起升機構(gòu)變頻主回路圖給出了起升機構(gòu)的調(diào)試參數(shù)，最后列出了系統(tǒng)軟件邏輯設(shè)計流程。

關(guān)鍵詞：門式起重機；控制系統(tǒng)；軟件設(shè)計；起升機構(gòu)；調(diào)試參數(shù)；

1引言

我單位為南歐江流域水電站二期工程自主研發(fā)設(shè)計的2×500kN雙向門式啟閉機安裝在南歐江一級水電站進水口，2×500kN起升機構(gòu)雙吊點運行，通過液壓抓梁啟閉發(fā)電系統(tǒng)進水口閘門，雙向門機同時兼用于水機、電氣專業(yè)設(shè)備的安裝吊運。本門機的電控系統(tǒng)采用“觸摸屏+PLC+變頻器+起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)”控制方案，整機具有以下優(yōu)點：

①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；

②各傳動機構(gòu)均采用ABBACS880系列變頻調(diào)速控制，使各機構(gòu)啟制動平穩(wěn)，并能準(zhǔn)確就位；起升機構(gòu)采用ABB系列變頻器的D2D功能來保證兩起升機構(gòu)的速度同步性和轉(zhuǎn)矩大小的一致性；

③整機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；

④整機采用西門子PLC作為控制中樞，系統(tǒng)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，減少電氣系統(tǒng)的硬件故障，提高了系統(tǒng)控制的可靠性；

⑤整機具有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；

⑥整機安裝有起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，能夠?qū)崟r顯示、管理、記錄門機各種數(shù)據(jù)，大大提升設(shè)備的操作安全性；

⑦門機設(shè)有視頻監(jiān)視系統(tǒng)，設(shè)備操作者在司機室內(nèi)可以清楚的觀看雙向門機水上各運行區(qū)域內(nèi)以及水下抓梁部位穿退銷的實時狀況。

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)、起重機械安全管理系統(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)

本機供電采用磁滯式電纜卷筒供電，電源為三相四線AC380V，50HZ，控制電源為AC220V，由專用變壓器提供?？傠娫丛O(shè)有隔離刀開關(guān)，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)有總斷路器，只作短路保護，一般情況下不動作，用總接觸器來合上或斷開總電源。總斷路器中附有分勵脫扣線圈，由電源柜或司機室聯(lián)動臺上的急停按鈕來控制。

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YZPF225M-8C-TH30KW變頻電機驅(qū)動，采用兩臺ABBACS880系列變頻器分別傳動，閉環(huán)控制。兩臺變頻器之間采用ABBACS880系列變頻器的D2D功能，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、缺相、超載保護等等。

⑴速度指標(biāo)：0.2～2m/min

⑵調(diào)速方式：

由聯(lián)動臺主令開關(guān)的擋位元來決定速度。正反各四擋，分別為10%、30%、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安全制動器構(gòu)成。

②變頻器故障時，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。

③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，由兩臺2.2kW變頻電機驅(qū)動，采用ABBACS880系列變頻器傳動，開環(huán)控制。

⑴速度指標(biāo)：0.5~5m/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、后各四擋，分別為10%、30%、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，由四臺4kW變頻電機驅(qū)動，采用ABBACS880系列變頻器傳動，開環(huán)控制。

⑴速度指標(biāo)：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、右各四擋，分別為10%、30%、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。

穿銷回路和退銷回路中串有停止按鈕，如遇穿銷、退銷到位后，油泵電機和電磁閥沒有斷電，可以用停止按鈕來停止穿、退銷動作。

在液壓抓梁穿銷裝置附近設(shè)有4套水下攝像頭，信號經(jīng)由電纜卷筒傳至司機室液晶顯示屏，司機室內(nèi)操作員可以在線實時觀察液壓抓梁穿退銷狀態(tài)。

2.6起重機械安全管理系統(tǒng)

起重機設(shè)有起升機械安全管理監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為視頻監(jiān)控與數(shù)據(jù)監(jiān)控，安裝在司機室內(nèi)。整機所需的監(jiān)控數(shù)據(jù)經(jīng)由PLC采集后通過以太網(wǎng)發(fā)送至司機室數(shù)據(jù)監(jiān)控中心并上傳至遠程的服務(wù)器，大大增加了整機的操作安全性。在門機的行走區(qū)域以及水下抓梁上共設(shè)有十二套攝像頭，各攝像頭采集的信號通過以太網(wǎng)的通訊方式傳輸至司機室，各區(qū)域?qū)崟r畫面最終在司機室液晶顯示器上進行在線實時顯示，方便操作人員看到起重機各個工作區(qū)域。整機網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖如圖1所示。

圖1網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖

2.7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，供電端地線接地電阻不大于4 Ω。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 Ω。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系統(tǒng)硬件選擇

3.1PLC控制器的選擇

德國西門子公司推出的S7-200SMART系列PLC具有如下亮點：

機型豐富：提供不同類型、I/O點數(shù)豐富的CPU模塊，單體I/O點數(shù)最高可達60點，可滿足大部分小型自動化設(shè)備的控制需求。

可擴展選件：新穎的信號板設(shè)計可擴展通信端口、數(shù)字量通道、模擬量通道。在不額外占用電控柜空間的前提下，信號板擴展能更加貼合用戶的實際配置，提升產(chǎn)品的利用率，同時降低用戶的擴展成本。

性能卓越的高速芯片：配備西門子專用高速處理器芯片，基本指令執(zhí)行時間可達0.15μs，在同級別小型PLC中遙遙領(lǐng)先。

以太互聯(lián)，經(jīng)濟便捷：CPU模塊本體標(biāo)配以太網(wǎng)接口，集成了強大的以太網(wǎng)通信功能。一根普通的網(wǎng)線即可將程序下載到PLC中，方便快捷，省去了專用編程電纜。通過以太網(wǎng)接口還可與其它CPU模塊、觸摸屏、計算機進行通信，輕松組網(wǎng)。

通用SD卡，方便下載：本機集成MicroSD卡插槽，使用市面上通用的MicroSD卡即可實現(xiàn)程序的更新和PLC固件升級，極大地方便了客戶工程師對最終用戶的服務(wù)支持，也省去了因PLC固件升級返廠服務(wù)的不便。

軟件友好，編程高效：在繼承西門子編程軟件強大功能的基礎(chǔ)上，融入了更多的人性化設(shè)計，如新穎的帶狀式菜單、

全移動式編程界面窗口、方便的程序注釋功能、強大的密碼保護。圖2PLC硬件組成

基于S7-200SMARTPLC的以上優(yōu)點，本雙向門機采用S7-200SMARTPLC作為控制核心，完全滿足門機使用要求，PLC硬件組成如上圖2所示。

3.2變頻器的選擇

ABB變頻器由于其在起重機行業(yè)的專業(yè)優(yōu)勢和多年在起重行業(yè)應(yīng)用的成功案例，目前已成為電機電氣傳動的首選。ABB公司推出的ACS8800系列變頻器采用了ABB獨一無二的電機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，能夠為任何交流電機提供提供精確的速度與轉(zhuǎn)矩控制。門機起升機構(gòu)變頻調(diào)速硬件原理圖如下圖3所示。

圖3起升機構(gòu)變頻硬件原理圖

3.3起升變頻器主要參數(shù)

變頻器優(yōu)化辨識又稱為變頻器的自學(xué)習(xí)，變頻器通過辨識，自動測試電機的各項參數(shù)，充分了解電機的特性，這樣就會更好的控制電機的運行。為保證最大可能的控制精度，以達到最佳效果，辨識前應(yīng)將電機與負載解耦使電機完全處于空載狀態(tài)。變頻器優(yōu)化識別通過之后在進行D2D功能調(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)變頻器主要參數(shù)

4軟件設(shè)計

由于本門機采用S7-200SMART作為控制系統(tǒng)的核心，因而該系統(tǒng)的編程采用STEP7-MicroWINSMARTV2.2編程軟件。其具體的程序邏輯控制流程如下圖4所示。

圖4程序控制流程圖

5結(jié)束語 

該系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試與測試，各項性能優(yōu)良，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、視頻傳輸信號實時穩(wěn)定，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。老撾南歐江一級水電站2×500KN雙向門機現(xiàn)場使用如圖5所示。

圖52×500kN雙向門機總圖