1引言

　　馬里古伊娜水電站位于馬里西部，巴富拉貝(Bafoulabé)與卡伊(Kayes)兩城市之間的塞內(nèi)加爾河流上，為徑流式電站。廠房進(jìn)水口設(shè)置2000 k N/ 2 ×30 k N雙向門機(jī)1 臺(tái)，安裝在壩頂El.80.00m高程，門機(jī)主起升機(jī)構(gòu)用于廠房進(jìn)水口攔污柵、檢修閘門的啟閉及檢修吊運(yùn)、事故閘門和液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的檢修吊運(yùn)，配置兩套液壓自動(dòng)抓梁。副起升機(jī)構(gòu)用于攔污柵清污工作，配置液壓耙斗一套。門機(jī)主要由大車軌道、起升機(jī)構(gòu)、耙斗機(jī)構(gòu)、機(jī)房、門架、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、抓梁裝置、夾軌器、緩沖器、電氣系統(tǒng)等組成。

　　本機(jī)的電氣系統(tǒng)采用目前國(guó)際上先進(jìn)的“PLC+ 變頻調(diào)速+HMI”控制方式，它具有以下優(yōu)良特性：

　　(1) 邏輯控制系統(tǒng)采用西門子PLC，HMI采用西門子觸摸屏，可實(shí)時(shí)監(jiān)視清污機(jī)的工作情況;

　　(2) 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)采用ABB變頻調(diào)速，具有完善的自診斷系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)各種故障自診斷及顯示報(bào)警功能，各機(jī)構(gòu)啟、制動(dòng)平穩(wěn)，控制性能極佳;

　　(3)主要低壓電氣元件采用施耐德產(chǎn)品，能適應(yīng)濕熱的工作環(huán)境條件;

　　(4)電控系統(tǒng)具有完備的安全保護(hù)功能，具有必需的短路、過(guò)流、過(guò)熱和過(guò)載、欠流、欠壓保護(hù)、限位及起升機(jī)構(gòu)超速保護(hù)等;

(5) 在電源引入端安裝了浪涌保護(hù)器，可以有效地保護(hù)電氣設(shè)備，避免雷擊對(duì)電氣設(shè)備的損壞;

　　(6) 增加了照明變壓器和控制變壓器作為隔離措施，有效防止供電質(zhì)量對(duì)設(shè)備的影響，同時(shí)防止了漏電引起的觸電危險(xiǎn);

　　(7) 各控制柜中均設(shè)置一套除濕加熱自動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)有手動(dòng)/自動(dòng)控制，可有效防止潮濕環(huán)境對(duì)電氣設(shè)備的影響。

　　2 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　本機(jī)的電氣系統(tǒng)主要包括供電系統(tǒng)、主、副起升電氣傳動(dòng)系統(tǒng)、小車電氣傳動(dòng)系統(tǒng)、大車電氣傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓抓梁、液壓耙斗控制系統(tǒng)、門機(jī)的操作控制系統(tǒng)、門機(jī)信號(hào)檢測(cè)裝置、照明系統(tǒng)及接地、防雷保護(hù)等幾個(gè)部分組成。

　　2.1 供電系統(tǒng)

　　本門機(jī)供電系統(tǒng)如圖1所示，采用電纜卷筒供電， 電源為三相四線制AC415V/240V 。電纜卷筒位于門架上， 通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)， 可以根據(jù)電纜的重量自動(dòng)調(diào)整張力，在大車運(yùn)行時(shí)保證電纜不被拉斷。電纜卷筒電動(dòng)機(jī)的電壓是AC415V， 如果電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，可以手動(dòng)卷繞電纜。有單獨(dú)的導(dǎo)纜架，保證收放電纜時(shí)不會(huì)損壞電纜。大車運(yùn)行時(shí)，電纜卷筒內(nèi)部的磁滯式聯(lián)軸器，將根據(jù)大車的行走速度、卷徑、電纜拉力的變化， 自動(dòng)調(diào)整輸出速度，保證電纜的收放速度和大車的行走速度同步。

圖 1 供電系統(tǒng)圖 

圖 2 主起升系統(tǒng)圖 

圖 3 副起升系統(tǒng)圖 

圖 4 小車系統(tǒng)圖

　　總電源設(shè)有主隔離刀開關(guān)Q100，能切斷門機(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)有總斷路器QF100 作短路保護(hù)，一般情況下總斷路器QF100 不動(dòng)作，由主接觸器KM1來(lái)開合動(dòng)力回路。QF100 中附有分勵(lì)脫扣線圈，由司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)上的急停按鈕、電源控制柜上的急停按鈕來(lái)控制，只有在總接觸器因某種原因無(wú)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。

　　門機(jī)控制電源由單獨(dú)的控制變壓器提供AC 240V電源，控制變壓器的原端和副端均設(shè)有斷路器保護(hù)。電源控制回路設(shè)有啟/停按鈕、鑰匙開關(guān)、緊急停車按鈕、各種門限位與相序保護(hù)繼電器的觸點(diǎn)。

　　2.2主副起升電氣傳動(dòng)系統(tǒng)

　　(1)主起升系統(tǒng)

　　主起升電氣傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示，主起升機(jī)構(gòu)載荷為位能負(fù)載，由一臺(tái)YZP 315M1- 8C- TH 90kW 變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用一臺(tái)ABB公司DTC控制的ACS880 -01 - 246A-3變頻器傳動(dòng)，閉環(huán)控制，調(diào)速范圍為1:10。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(guò)電流保護(hù)(變頻器內(nèi)含過(guò)電流檢測(cè)的傳感器)，瞬時(shí)斷電失壓保護(hù)(變頻器內(nèi)含電壓檢測(cè)的傳感器)，接地保護(hù)、冷卻風(fēng)機(jī)異常(PLC)、超頻(超速)保護(hù)(變頻器和超速開關(guān))、缺相(變頻器和相序繼電器)、控制器零位保護(hù)(PLC)、超載保護(hù)(重量限制器)等等。

　?、偎俣戎笜?biāo)：

　　起升速度為0.2m/min～2m/min。

　?、谡{(diào)速方式：

　　司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令開關(guān)的位置來(lái)決定速度，上升、下降各四個(gè)擋位。主令開關(guān)信號(hào)經(jīng)PLC處理后輸出給變頻器，每擋速度可以根據(jù)需求在變頻器內(nèi)部進(jìn)行設(shè)定，調(diào)速方式為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

　?、圻\(yùn)行與保護(hù)：變頻器裝置內(nèi)部檢測(cè)到故障時(shí)，輸出故障控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)故障停車，并報(bào)警。

　　(2)副起升系統(tǒng)

　　副起升電氣傳動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示，副起升機(jī)構(gòu)載荷為位能負(fù)載，由兩臺(tái)YZP180 L-8 C-TH 11 k W 變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩臺(tái)電機(jī)分別采用一臺(tái)ABB公司DTC控制的ACS880-01-038A-3變頻器傳動(dòng)，閉環(huán)控制，調(diào)速范圍為1:20。兩套傳動(dòng)系統(tǒng)之間采用主從控制方式，在剛性連接保證兩吊點(diǎn)速度同步的同時(shí)確保兩電機(jī)的出力平衡。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(guò)電流保護(hù)(變頻器內(nèi)含過(guò)電流檢測(cè)的傳感器)，瞬時(shí)斷電失壓保護(hù)(變頻器內(nèi)含電壓檢測(cè)的傳感器)，接地保護(hù)、冷卻風(fēng)機(jī)異常(PLC)、超頻(超速)保護(hù)(變頻器和超速開關(guān))、缺相(變頻器和相序繼電器)、控制器零位保護(hù)(PLC)、超載保護(hù)(重量限制器)等等。

　?、偎俣戎笜?biāo)：

　　輕載(≤2×40kN) 起升速度為0.5m/min~10m/ min;

　　重載(>2 ×40 k N) 起升速度為0 .5 m/ min~5 m/ min。

　?、谡{(diào)速方式：

　　司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令開關(guān)的位置來(lái)決定速度，上升、下降各四個(gè)擋位。主令開關(guān)信號(hào)經(jīng)PLC處理后輸出給變頻器，每擋速度可以根據(jù)需求在變頻器內(nèi)部進(jìn)行設(shè)定，調(diào)速方式為恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速。

　?、圻\(yùn)行與保護(hù)：變頻器裝置內(nèi)部檢測(cè)到故障時(shí)，輸出故障控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)故障停車，并報(bào)警。

　　2.3 小車電氣傳動(dòng)系統(tǒng)

　　小車電氣傳動(dòng)系統(tǒng)如圖4所示，小車機(jī)構(gòu)由兩臺(tái)YZPFE 112M1- 4- TH 3. 0kW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用具有DTC控制技術(shù)的ACS880-01-025A-3變頻器驅(qū)動(dòng)，開環(huán)控制。

　　運(yùn)行速度：0.5m/min-5m/min，采用主令控制器控制，前后行走各四個(gè)擋位。啟動(dòng)、停止和各擋速度過(guò)渡平穩(wěn)無(wú)沖擊。

　　2.4大車運(yùn)行系統(tǒng)

　　大車運(yùn)行系統(tǒng)如圖5所示，大車機(jī)構(gòu)載荷為典型的位移性負(fù)載， 由八臺(tái)三合一減速器驅(qū)動(dòng)， 變頻電機(jī)功率為YZPFE112M1-4-TH 4KW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用ABB公司最新推出的ACS880系列變頻器ACS880-01-087A- 3傳動(dòng)， 開環(huán)控制。

　　運(yùn)行速度：2m/min-20m/min，采用主令控制器控制，左右行走各四個(gè)擋位。啟動(dòng)、停止和各擋速度過(guò)渡平穩(wěn)無(wú)沖擊。

　　2.5 液壓抓梁、液壓耙斗控制系統(tǒng)

　　液壓自動(dòng)掛脫梁液壓系統(tǒng)供電及信號(hào)檢測(cè)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(cè)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2個(gè)為對(duì)位到位信號(hào)，2個(gè)為穿銷到位信號(hào)，2個(gè)為退銷到位信號(hào)。

　　穿銷回路和退銷回路中串有停止按鈕，可在任意情況下人為停止穿、退銷過(guò)程。

　　液壓耙斗系統(tǒng)供電及信號(hào)檢測(cè)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。

　　液壓耙斗系統(tǒng)開斗、閉斗由液壓泵站中的油泵電機(jī)和電磁換向閥實(shí)現(xiàn)。開斗、閉斗的信號(hào)檢測(cè)由接近開關(guān)實(shí)現(xiàn)，在開斗閉斗回路中串有停止按鈕，可在任意情況下人為停止開斗閉斗過(guò)程。

　　2.6 本機(jī)的操作系統(tǒng)

　　所有的控制都是由駕駛室的聯(lián)動(dòng)控制臺(tái)控制的，左側(cè)可以控制電源、副起升機(jī)構(gòu)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，右側(cè)可以控制主起升機(jī)構(gòu)和大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)。主副起升和大小車機(jī)構(gòu)均不能同時(shí)工作。

　　2.7信號(hào)檢測(cè)及安全裝置

　　(1)載荷限制：本機(jī)設(shè)有載荷限制器，當(dāng)?shù)觞c(diǎn)荷載達(dá)到90%的額定載荷時(shí)，發(fā)出燈光和音響報(bào)警信號(hào);當(dāng)荷載達(dá)到110%的額定載荷時(shí)自動(dòng)發(fā)出燈光和音響報(bào)警信號(hào)并立即切斷起升機(jī)構(gòu)的電源 。

　　(2)高度檢測(cè)：本機(jī)設(shè)有絕對(duì)值編碼器，可檢測(cè)耙斗的位置，斷電后耙斗的位置數(shù)據(jù)不變。

　　圖 5 大車運(yùn)行系統(tǒng)圖

　　圖 6 PLC 控制系統(tǒng)圖

　　(3)高度限制器：起升機(jī)構(gòu)設(shè)有機(jī)械式限位開關(guān)。當(dāng)起升機(jī)構(gòu)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，與高度儀構(gòu)成機(jī)電雙重保護(hù)。

　　(4)行走機(jī)構(gòu)設(shè)有限位開關(guān)，當(dāng)開關(guān)觸碰到減速撞尺時(shí)，行走速度自動(dòng)減為慢速檔，當(dāng)限位開關(guān)觸碰到極限撞尺時(shí)，行走機(jī)構(gòu)立即停止。行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。

　　(5)所有電控柜內(nèi)均設(shè)有除濕加熱器。

　　(6)耙斗過(guò)載保護(hù)：耙斗油泵電機(jī)設(shè)置了過(guò)載保護(hù)，以限制耙斗開閉過(guò)載。

　　(7)本機(jī)設(shè)有風(fēng)速儀，能自動(dòng)對(duì)門機(jī)實(shí)施保護(hù)動(dòng)作并夾緊夾軌器。

　　2.8信號(hào)指示

　　電控柜設(shè)有控制電源指示、總電源指示、耙斗限位等指示。載荷保護(hù)和起升高度在綜合儀上顯示;觸摸屏上顯示門機(jī)各種保護(hù)信號(hào)及故障記錄。

　　2.9照明與接地

　　在門機(jī)上裝有門架照明，扶梯照明和機(jī)房照明。照明電路是單獨(dú)設(shè)置的獨(dú)立系統(tǒng)，不受門機(jī)電源總開關(guān)的影響?？刂乒駜?nèi)設(shè)有照明和電源插座。

　　本機(jī)設(shè)有單獨(dú)的接地線，通過(guò)電纜卷筒與供電點(diǎn)的接地網(wǎng)相接。接地另一條通路是整機(jī)鋼結(jié)構(gòu)通過(guò)軌道接地， 要求門機(jī)軌道或接地網(wǎng)接地電阻不大于4?。

　　本機(jī)電源進(jìn)線設(shè)有浪涌保護(hù)器，可以有效防止雷電從電源線進(jìn)入，傷害電子設(shè)備。

　　3 電氣系統(tǒng)控制部分的設(shè)計(jì)

　　3.1硬件設(shè)計(jì)

　　門機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用西門子系列PLC，具體硬件配置如圖6所示。

　　整個(gè)PLC控制系統(tǒng)由主站CPU模塊1215C擴(kuò)展三個(gè)數(shù)字量輸入輸出模塊SM1223 、一個(gè)數(shù)字量輸入模塊SM1221和一個(gè)模擬量輸入模塊SM1231，從站分布式I/O模塊IM155-6PN擴(kuò)展3個(gè)數(shù)字量輸入模塊和兩個(gè)數(shù)字量輸出模塊。其中CPU為中央處理器，處理各種信息。數(shù)字量輸入主要用來(lái)接收各機(jī)構(gòu)運(yùn)行和故障狀態(tài)開關(guān)量信號(hào)以及遙控器的操作命令信號(hào);數(shù)字量輸出主要輸出各機(jī)構(gòu)控制命令，以完成各機(jī)構(gòu)正確地啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng)。主從之間采用Profinet通訊，起升機(jī)構(gòu)高度編碼器含Profinet總線結(jié)構(gòu)，可將高度數(shù)據(jù)傳入PLC中，所有這些信號(hào)經(jīng)PLC 又可傳遞給司機(jī)室觸摸屏，以便司機(jī)隨時(shí)掌握整機(jī)的工作狀態(tài)，也為維修人員捕捉故障信息打下基礎(chǔ)。

　　3.2 軟件開發(fā)

　　由于本系統(tǒng)采用了西門子1200系列P LC產(chǎn)品，因而PLC需在博圖軟件環(huán)境下編程。TIA 博途 (Totally Integrated Automation Portal) 軟件為全集成自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)提供了統(tǒng)一的工程平臺(tái)，是軟件開發(fā)領(lǐng)域的一個(gè)里程碑，是工業(yè)領(lǐng)域第一個(gè)帶有“組態(tài)設(shè)計(jì)環(huán)境”的自動(dòng)化軟件。TIA 博途V16 軟件架構(gòu)主要包含：SIMATIC STEP

　　7 V 16 、SIMATIC Win CC V 16 、Star tDrive V 16 、Scout TIA V5.3 SP1 及全新數(shù)字化軟件。同時(shí)通過(guò)博圖組態(tài)軟件對(duì)西門子觸摸屏進(jìn)行編程，以便對(duì)整個(gè)門機(jī)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息實(shí)時(shí)監(jiān)控與處理。具體控制程序編制如圖7所示。

　　圖 7 程序流程控制圖

　　4 系統(tǒng)調(diào)試(主起升)

　　為防止溜鉤現(xiàn)象的出現(xiàn)，起升構(gòu)作為位能性負(fù)載采用了針對(duì)起重機(jī)械應(yīng)用的ACS880變頻器，即ACS880變頻器的N5050起重機(jī)的應(yīng)用控制程序選件。而大車運(yùn)行作為平移性負(fù)載，就采用了通用變頻器ACS880，其調(diào)試比較簡(jiǎn)單，在此不再敘述。本文主要以起升為例進(jìn)行說(shuō)明， 在首次啟動(dòng)調(diào)試時(shí)，需要變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行辨識(shí)，具體步驟如下：

　　(1) 將變頻器切回本地模式(按LOC/REM建，左上角顯示本地)。

　　(2)電機(jī)辨識(shí)

　　先將44.202轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證改成Disable 99.03=異步電機(jī)

　　99.04=DTC

　　99.06=電機(jī)額定電流

　　99.07=電機(jī)額定電壓

　　99.08=電機(jī)額定頻率

　　99.09=電機(jī)額定轉(zhuǎn)速

　　99.10=電機(jī)額定功率

　　99.13 3 =標(biāo)準(zhǔn)辨識(shí)(必須把電機(jī)和減速機(jī)之間的聯(lián)軸器拆掉)

　　按啟動(dòng)，電機(jī)會(huì)旋轉(zhuǎn)，大概2分鐘左右自動(dòng)停下來(lái)， 會(huì)顯示辨識(shí)完成。

　　(3)閉環(huán)設(shè)置

　?、僭O(shè)置編碼器模塊參數(shù)： 91.11=4

　　91.12=指定編碼器模塊所在的槽號(hào)設(shè)置完成后，91.10務(wù)必刷新。

　　② 設(shè)置編碼器參數(shù)： 92.01=5

　　92.10=1024

　　92.21=AB

　　面板啟動(dòng)電機(jī)，觀察01 .02 和01 .04 ，這兩個(gè)數(shù)字時(shí)時(shí)相等以后，再把90.41設(shè)成編碼器1。

　　(4)設(shè)置參數(shù)，如表1所示。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　馬里古伊那水電站進(jìn)水口2000kN/2X30kN雙向門機(jī)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。該系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試與測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠, 自動(dòng)定位準(zhǔn)確，并具有數(shù)據(jù)記憶功能，人機(jī)界面的加入又使整機(jī)電控系統(tǒng)的智能化程度提高，變頻傳動(dòng)系統(tǒng)使整機(jī)啟制動(dòng)平穩(wěn)沖擊小，為國(guó)內(nèi)門機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列拋磚引玉、打下基礎(chǔ)。

圖 8 馬里古伊娜水電站進(jìn)水口 2000kN/2X30kN 雙向門式啟閉機(jī)

作者：杭州定川信息技術(shù)有限公司 潘震 黃康康　水利部杭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所 龔平