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)兩城市之間的塞內加爾河流上，為徑流式電站。廠房進水口設置2000 k N/ 2 ×30 k N雙向門機1 臺，安裝在壩頂El.80.00m高程，門機主起升機構用于廠房進水口攔污柵、檢修閘門的啟閉及檢修吊運、事故閘門和液壓啟閉機的檢修吊運，配置兩套液壓自動抓梁。副起升機構用于攔污柵清污工作，配置液壓耙斗一套。門機主要由大車軌道、起升機構、耙斗機構、機房、門架、小車運行機構、大車運行機構、抓梁裝置、夾軌器、緩沖器、電氣系統(tǒng)等組成。

　　本機的電氣系統(tǒng)采用目前國際上先進的“PLC+ 變頻調速+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，可實時監(jiān)視清污機的工作情況;

　　(2) 電氣傳動系統(tǒng)采用ABB變頻調速，具有完善的自診斷系統(tǒng)，可實現(xiàn)各種故障自診斷及顯示報警功能，各機構啟、制動平穩(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功能，具有必需的短路、過流、過熱和過載、欠流、欠壓保護、限位及起升機構超速保護等;

(5) 在電源引入端安裝了浪涌保護器，可以有效地保護電氣設備，避免雷擊對電氣設備的損壞;

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

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

　　2 電氣傳動系統(tǒng)的設計

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

　　2.1 供電系統(tǒng)

　　本門機供電系統(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， 通過電動機驅動， 可以根據(jù)電纜的重量自動調整張力，在大車運行時保證電纜不被拉斷。電纜卷筒電動機的電壓是AC415V， 如果電動機出現(xiàn)故障，可以手動卷繞電纜。有單獨的導纜架，保證收放電纜時不會損壞電纜。大車運行時，電纜卷筒內部的磁滯式聯(lián)軸器，將根據(jù)大車的行走速度、卷徑、電纜拉力的變化， 自動調整輸出速度，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

　　總電源設有主隔離刀開關Q100，能切斷門機的所有電源，為安全檢修提供了一個明顯的斷開點，并設有總斷路器QF100 作短路保護，一般情況下總斷路器QF100 不動作，由主接觸器KM1來開合動力回路。QF100 中附有分勵脫扣線圈，由司機室聯(lián)動臺上的急停按鈕、電源控制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。

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

　　2.2主副起升電氣傳動系統(tǒng)

　　(1)主起升系統(tǒng)

　　主起升電氣傳動系統(tǒng)如圖2所示，主起升機構載荷為位能負載，由一臺YZP 315M1- 8C- TH 90kW 變頻電機驅動，采用一臺ABB公司DTC控制的ACS880 -01 - 246A-3變頻器傳動，閉環(huán)控制，調速范圍為1:10。起升機構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(變頻器內含過電流檢測的傳感器)，瞬時斷電失壓保護(變頻器內含電壓檢測的傳感器)，接地保護、冷卻風機異常(PLC)、超頻(超速)保護(變頻器和超速開關)、缺相(變頻器和相序繼電器)、控制器零位保護(PLC)、超載保護(重量限制器)等等。

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　　起升速度為0.2m/min～2m/min。

　?、谡{速方式：

　　司機室聯(lián)動臺主令開關的位置來決定速度，上升、下降各四個擋位。主令開關信號經(jīng)PLC處理后輸出給變頻器，每擋速度可以根據(jù)需求在變頻器內部進行設定，調速方式為恒轉矩調速。

　　③運行與保護：變頻器裝置內部檢測到故障時，輸出故障控制信號，以實現(xiàn)故障停車，并報警。

　　(2)副起升系統(tǒng)

　　副起升電氣傳動系統(tǒng)如圖3所示，副起升機構載荷為位能負載，由兩臺YZP180 L-8 C-TH 11 k W 變頻電機驅動，兩臺電機分別采用一臺ABB公司DTC控制的ACS880-01-038A-3變頻器傳動，閉環(huán)控制，調速范圍為1:20。兩套傳動系統(tǒng)之間采用主從控制方式，在剛性連接保證兩吊點速度同步的同時確保兩電機的出力平衡。起升機構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(變頻器內含過電流檢測的傳感器)，瞬時斷電失壓保護(變頻器內含電壓檢測的傳感器)，接地保護、冷卻風機異常(PLC)、超頻(超速)保護(變頻器和超速開關)、缺相(變頻器和相序繼電器)、控制器零位保護(PLC)、超載保護(重量限制器)等等。

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　　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{速方式：

　　司機室聯(lián)動臺主令開關的位置來決定速度，上升、下降各四個擋位。主令開關信號經(jīng)PLC處理后輸出給變頻器，每擋速度可以根據(jù)需求在變頻器內部進行設定，調速方式為恒轉矩和恒功率調速。

　?、圻\行與保護：變頻器裝置內部檢測到故障時，輸出故障控制信號，以實現(xiàn)故障停車，并報警。

　　2.3 小車電氣傳動系統(tǒng)

　　小車電氣傳動系統(tǒng)如圖4所示，小車機構由兩臺YZPFE 112M1- 4- TH 3. 0kW變頻電機驅動，采用具有DTC控制技術的ACS880-01-025A-3變頻器驅動，開環(huán)控制。

　　運行速度：0.5m/min-5m/min，采用主令控制器控制，前后行走各四個擋位。啟動、停止和各擋速度過渡平穩(wěn)無沖擊。

　　2.4大車運行系統(tǒng)

　　大車運行系統(tǒng)如圖5所示，大車機構載荷為典型的位移性負載， 由八臺三合一減速器驅動， 變頻電機功率為YZPFE112M1-4-TH 4KW電機驅動，采用ABB公司最新推出的ACS880系列變頻器ACS880-01-087A- 3傳動， 開環(huán)控制。

　　運行速度：2m/min-20m/min，采用主令控制器控制，左右行走各四個擋位。啟動、停止和各擋速度過渡平穩(wěn)無沖擊。

　　2.5 液壓抓梁、液壓耙斗控制系統(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個接近開關實現(xiàn)，分布在梁上各個部位。其中2個為對位到位信號，2個為穿銷到位信號，2個為退銷到位信號。

　　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、退銷過程。

　　液壓耙斗系統(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。

　　液壓耙斗系統(tǒng)開斗、閉斗由液壓泵站中的油泵電機和電磁換向閥實現(xiàn)。開斗、閉斗的信號檢測由接近開關實現(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程。

　　2.6 本機的操作系統(tǒng)

　　所有的控制都是由駕駛室的聯(lián)動控制臺控制的，左側可以控制電源、副起升機構和小車運行機構，右側可以控制主起升機構和大車運行機構。主副起升和大小車機構均不能同時工作。

　　2.7信號檢測及安全裝置

　　(1)載荷限制：本機設有載荷限制器，當?shù)觞c荷載達到90%的額定載荷時，發(fā)出燈光和音響報警信號;當荷載達到110%的額定載荷時自動發(fā)出燈光和音響報警信號并立即切斷起升機構的電源 。

　　(2)高度檢測：本機設有絕對值編碼器，可檢測耙斗的位置，斷電后耙斗的位置數(shù)據(jù)不變。

　　圖 5 大車運行系統(tǒng)圖

　　圖 6 PLC 控制系統(tǒng)圖

　　(3)高度限制器：起升機構設有機械式限位開關。當起升機構到達上、下極限位置時，能自動切斷相應方向的電源，機構停止運行，與高度儀構成機電雙重保護。

　　(4)行走機構設有限位開關，當開關觸碰到減速撞尺時，行走速度自動減為慢速檔，當限位開關觸碰到極限撞尺時，行走機構立即停止。行走機構運行時會發(fā)出聲、光報警信號。

　　(5)所有電控柜內均設有除濕加熱器。

　　(6)耙斗過載保護：耙斗油泵電機設置了過載保護，以限制耙斗開閉過載。

　　(7)本機設有風速儀，能自動對門機實施保護動作并夾緊夾軌器。

　　2.8信號指示

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

　　2.9照明與接地

　　在門機上裝有門架照明，扶梯照明和機房照明。照明電路是單獨設置的獨立系統(tǒng)，不受門機電源總開關的影響。控制柜內設有照明和電源插座。

　　本機設有單獨的接地線，通過電纜卷筒與供電點的接地網(wǎng)相接。接地另一條通路是整機鋼結構通過軌道接地， 要求門機軌道或接地網(wǎng)接地電阻不大于4?。

　　本機電源進線設有浪涌保護器，可以有效防止雷電從電源線進入，傷害電子設備。

　　3 電氣系統(tǒng)控制部分的設計

　　3.1硬件設計

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

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

　　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) 軟件為全集成自動化的實現(xiàn)提供了統(tǒng)一的工程平臺，是軟件開發(fā)領域的一個里程碑，是工業(yè)領域第一個帶有“組態(tài)設計環(huán)境”的自動化軟件。TIA 博途V16 軟件架構主要包含：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。同時通過博圖組態(tài)軟件對西門子觸摸屏進行編程，以便對整個門機各機構的運行狀態(tài)及故障信息實時監(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)調試(主起升)

　　為防止溜鉤現(xiàn)象的出現(xiàn)，起升構作為位能性負載采用了針對起重機械應用的ACS880變頻器，即ACS880變頻器的N5050起重機的應用控制程序選件。而大車運行作為平移性負載，就采用了通用變頻器ACS880，其調試比較簡單，在此不再敘述。本文主要以起升為例進行說明， 在首次啟動調試時，需要變頻器對電機進行辨識，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)電機辨識

　　先將44.202轉矩驗證改成Disable 99.03=異步電機

　　99.04=DTC

　　99.06=電機額定電流

　　99.07=電機額定電壓

　　99.08=電機額定頻率

　　99.09=電機額定轉速

　　99.10=電機額定功率

　　99.13 3 =標準辨識(必須把電機和減速機之間的聯(lián)軸器拆掉)

　　按啟動，電機會旋轉，大概2分鐘左右自動停下來， 會顯示辨識完成。

　　(3)閉環(huán)設置

　?、僭O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設置完成后，91.10務必刷新。

　　② 設置編碼器參數(shù)： 92.01=5

　　92.10=1024

　　92.21=AB

　　面板啟動電機，觀察01 .02 和01 .04 ，這兩個數(shù)字時時相等以后，再把90.41設成編碼器1。

　　(4)設置參數(shù)，如表1所示。

　　5 結束語

　　馬里古伊那水電站進水口2000kN/2X30kN雙向門機現(xiàn)場如圖8所示。該系統(tǒng)經(jīng)調試與測試，運行穩(wěn)定、可靠, 自動定位準確，并具有數(shù)據(jù)記憶功能，人機界面的加入又使整機電控系統(tǒng)的智能化程度提高，變頻傳動系統(tǒng)使整機啟制動平穩(wěn)沖擊小，為國內門機電控系統(tǒng)設計進入國際先進行列拋磚引玉、打下基礎。

圖 8 馬里古伊娜水電站進水口 2000kN/2X30kN 雙向門式啟閉機

作者：杭州定川信息技術有限公司 潘震 黃康康　水利部杭州機械設計研究所 龔平