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、電氣系統等組成。

　　本機的電氣系統采用目前國際上先進的“PLC+ è®Šé »èª¿é€Ÿ+HMI”控制方式，它具有以下優良特性：

　　(1) 邏輯控制系統采用西門子PLC，HMI采用西門子觸摸屏，可實時監視清污機的工作情況;

　　(2) 電氣傳動系統采用ABB變頻調速，具有完善的自診斷系統，可實現各種故障自診斷及顯示報警功能，各機構啟、制動平穩，控制性能極佳;

　　(3)主要低壓電氣元件采用施耐德產品，能適應濕熱的工作環境條件;

　　(4)電控系統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，設有手動/自動控制，可有效防止潮濕環境對電氣設備的影響。

　　2 電氣傳動系統的設計

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

　　2.1 供電系統

　　本門機供電系統如圖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軸器，將根據大車的行走速度、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 供電系統圖 

圖 2 主起升系統圖 

圖 3 副起升系統圖 

圖 4 小車系統圖

　　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

　　(1)主起升系統

　　主起升電氣傳動系統如圖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。

　　①速度指標：

　　起升速度為0.2m/min～2m/min。

　　②調速方式：

　　司機室聯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PLC處理后輸出給變頻器，每擋速度可以根據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，以實現故障停車，并報警。

　　(2)副起升系統

　　副起升電氣傳動系統如圖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，閉環控制，調速范圍為1:20。兩套傳動系統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。

　　①速度指標：

　　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。

　　②調速方式：

　　司機室聯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PLC處理后輸出給變頻器，每擋速度可以根據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。

　　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，以實現故障停車，并報警。

　　2.3 小車電氣傳動系統

　　小車電氣傳動系統如圖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無沖擊。

　　2.4大車運行系統

　　大車運行系統如圖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無沖擊。

　　2.5 液壓抓梁、液壓耙斗控制系統

　　液壓自動掛脫梁液壓系統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。檢測信號由6個接近開關實現，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。

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

　　所有的控制都是由駕駛室的聯動控制臺控制的，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，當吊點荷載達到90%的額定載荷時，發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據不變。

　　

　　圖 5 大車運行系統圖

　　

　　圖 6 PLC 控制系統圖

　　(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，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 電氣系統控制部分的設計

　　3.1硬件設計

　　門機電氣控制系統采用西門子系列PLC，具體硬件配置如圖6所示。

　　整個PLC控制系統由主站CPU模塊1215C擴展三個數字量輸入輸出模塊SM1223 、一個數字量輸入模塊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個數字量輸入模塊和兩個數字量輸出模塊。其中CPU為中央處理器，處理各種信息。數字量輸入主要用來接收各機構運行和故障狀態開關量信號以及遙控器的操作命令信號;數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，可將高度數據傳入PLC中，所有這些信號經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，也為維修人員捕捉故障信息打下基礎。

　　3.2 軟件開發

　　由于本系統采用了西門子1200系列P LC產品，因而PLC需在博圖軟件環境下編程。TIA 博途 (Totally Integrated Automation Portal) 軟件為全集成自動化的實現提供了統一的工程平臺，是軟件開發領域的一個里程碑，是工業領域第一個帶有“組態設計環境”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 及全新數字化軟件。同時通過博圖組態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及故障信息實時監控與處理。具體控制程序編制如圖7所示。

　　

　　圖 7 程序流程控制圖

　　4 系統調試(主起升)

　　為防止溜鉤現象的出現，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)閉環設置

　　①設置編碼器模塊參數： 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： 92.01=5

　　92.10=1024

　　92.21=AB

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

　　(4)設置參數，如表1所示。

　　5 結束語

　　馬里古伊那水電站進水口2000kN/2X30kN雙向門機現場如圖8所示。該系統經調試與測試，運行穩定、可靠, 自動定位準確，并具有數據記憶功能，人機界面的加入又使整機電控系統的智能化程度提高，變頻傳動系統使整機啟制動平穩沖擊小，為國內門機電控系統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