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1 引言

杭州市第二水源千島湖配水工程2×630kN雙向門機，裝于進水口115.80m高程平臺上。主要用于啟閉和吊運進水口攔污柵、上層分層取水工作閘門、中層分層取水工作閘門、下層分層取水工作閘門；門機自帶的抓斗式清污機用于進水口攔污柵處的污物清理。門機由小車、門架結構、大車運行機構、大車電纜卷筒裝置、門機軌道及二期埋件、夾軌器、防風錨定裝置及埋件、液壓自動掛脫梁及存放支架、懸掛10t電動葫蘆、承載3t的抓斗式清污機、安全保護裝置、防雷接地避雷針裝置、風速儀、自動對位裝置及傳感器裝置、電力拖動和控制設備組成。本門機的電氣系統采用“PLC+變頻調速+觸摸屏”控制方式，它具有以下特點：

（1）通過PLC來采集各種信號，運用PLC內部的虛擬觸點來實現整機的時序邏輯控制，大大減少控制柜內的中間繼電器和時間繼電器，從而減少了電氣系統的硬件故障，提高了系統控制的可靠性。

（2）各機構電力拖動采用變頻調速控制方式，既保證各機構運行平穩可靠，并能準確就位。

（3）完備的安全保護功能。本機除具有電控系統必需的零位保護、短路保護、過電流保護、失壓保護、缺相保護、接地保護、限位保護、過載保護、主隔離開關以及斷開總電源的緊急開關等常規保護外，還具有荷重保護、起升高

度限制和超速保護等。

（4）在電氣設計時，考慮了工地供電質量對設備的影響，控制電源采用專門變壓器供電，可防止電源尖峰脈沖對控制回路的影響，亦可防止觸電，保護人身安全。

（5）考慮到環境對電氣系統的影響，電氣設計中各控制柜中加裝除濕、加熱裝置，可以確保設備能在較惡劣環境下長期穩定正常運行。

（6）門機設有視頻監視系統，設備操作者在司機室內可以清楚地查看雙向門機水上各運行區域內以及水下抓梁部位穿退銷的實時狀況。

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、起升系統、小車行走系統、大車行走系統、液壓抓梁及清污抓斗系統、視頻監控系統、接地與防雷系統等。

本機的電氣控制系統主要由電源大車柜、起升小車柜、PLC柜組成。

2.1 供電系統

供電系統如圖1所示，本機供電采用電纜卷筒供電。電源為三相四線AC380V，50HZ；門機的控制部分電源為AC220V，由專用變壓器提供?？傠娫丛O有隔離刀開關Q100，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，并設有斷路器QF100，只作短路保護。一般情況下QF100不動作，通過總接觸器KM1來合上或斷開總電源。QF100中附有分勵脫扣線圈，由電源大車柜和司機室聯動臺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。

圖1 供電系統圖

2.2 起升系統

起升系統如圖2所示，起升機構載荷為典型的位能性負載，由一臺變頻電機YZP280M-8CTH驅動，采用一臺ABBACS880系列變頻器傳動，閉環控制。

圖2 起升系統圖

圖3 小車系統圖

（1）速度要求：0.22～2.2m/min。

（2）速度給定：由聯動臺上主令開關的擋位來決定速度。聯動臺主令開關正反各四擋，分別為10%、40%、70%、100%額定速度，為恒轉矩調速。系統采用主令擋位開關量輸入至PLC，經軟件處理后，再由PLC輸出開關量信號給變頻器。速度擋可在變頻器內任意設定，以滿足不同速度要求。變頻器故障時，裝置內部輸出故障的一對常開常閉觸點，以實現故障停車，并報警。

（3）運行與制動：起升機構有兩套制動器，其中一套為工作制動器，一套為安全制動器。為確保起升機構的平穩制動，制動時由工作制動器制動；平時正常狀態下安全制動器一直打開，只有在電機失速的情況下，安全制動器制動抱閘，確保起升機構安全，速度可控。

2.3 小車行走系統

小車行走系統如圖3所示，小車機構由兩臺變頻電機YZPE112M2-4驅動，采用ABB公司的ACS880系列變頻器傳動，開環控制。

（1）速度要求：0.7～7m/min。

（2）速度給定：由聯動臺主令來決定速度。前、后各四擋，分別為10%、40%、70%、100%額定速度。系統采用主令擋位開關量輸入至PLC，經軟件處理后，再由PLC輸出開關量信號給變頻器。每擋的速度可在變頻器內任意設定，以滿足不同速度要求。

（3）運行與制動：

各電機均設有過載等保護。變頻器故障時，裝置內部輸出故障的一對常開常閉觸點，以實現故障停車，并報警。

2.4 大車行走系統

大車行走系統如圖4所示，大車機構由四臺變頻電機YZPE132S-4驅動，采用ABB公司的ACS880系列變頻器傳動，開環控制。

（1）速度要求：1.8～18m/min。

（2）調速方式：由聯動臺主令（將操作權限轉向門機）來決定速度。左、右各四擋，分別為10%、40%、70%、100%額定速度。系統采用主令擋位開關量輸入至PLC，經軟件處理后，再由PLC輸出開關量信號給變頻器。每擋的速度可在變頻器內任意設定，以滿足不同速度要求。

（3）運行與制動：本機構設有2個防風錨定裝置、2個夾軌器和1個風速儀，當錨定裝置和夾軌器打開且風速不超過20米/秒時，大車機構才可以正常啟動。

圖4 大車系統圖

各電機均設有過載等保護。變頻器故障時，裝置內部輸出故障的一對常開常閉觸點，以實現故障停車，并報警。

2.5 液壓抓梁及清污抓斗系統

液壓自動掛脫梁液壓系統采用變頻電纜卷筒收放纜。電纜收放速度與門機起升速度同步。

穿銷工作：當掛脫梁起吊吊耳下降到閘門吊耳上就位后，抓梁到位接近開關接通，安裝在聯動控制臺上的就位指示燈亮。按下穿銷按鈕→油泵電機工作→穿銷電磁閥打開→穿銷→穿銷到位（穿銷到位接近開關通）→穿銷停止，同時穿銷到位指示燈亮。

退銷工作：按下退銷按鈕→油泵電機工作→退銷電磁閥打開→退銷→退銷到位（退銷到位接近開關通）→退銷停止，同時退銷到位指示燈亮。

聯動臺設有穿退銷停止按鈕，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。

抓梁穿退銷的全過程由位移傳感器全程檢測，可在司機室的觸摸屏上顯示銷軸的實時位置。同時還配備了水下網絡攝像頭，在司機室能實時顯示水下穿退銷狀態。

清污抓斗系統采用無線遙控器控制，在司機室聯動臺將操作權限轉向清污機，通過遙控器可控制門機左右行走，抓斗升降，以及開斗閉斗。

2.6 視頻監控系統

門機設有視頻監視系統，在司機室內可以清楚的觀看門機上各運行區域內以及水下抓梁部位銷軸的穿退銷實時狀況。網絡拓撲圖如圖5所示。

攝像頭通過以太網經過交換機匯總至硬盤錄像機儲存，并在司機室內的液晶顯示屏顯示監控畫面。小車（1、2）和門腿（1~4）攝像頭分別監控小車和大車在軌道上運行時狀況；機房攝像頭用于監控起升運行時鋼絲繩和制動器的工作狀況；左右吊點攝像頭用于監控抓梁穿退銷的工作狀況；主鉤攝像頭可以轉動，用于監控起升動滑輪和整個地面工作面的狀況。安全監控系統主機儀表可以讀取和顯示PLC中的離散量、模擬量數據，包括載荷、高度、風速等，儲存報警信息，便于維護和監管人員查詢門機的歷史工作狀態。

圖5 網絡拓撲示意圖

2.7 接地與防雷系統

本機設有單獨的接地裝置，供電端地線接地電阻不大于4Ω，由用戶負責。司機室鋼結構與整機本體可靠連接，保護本機上鋼結構的任何一點接地電阻均不大于4Ω。本機還設有避雷針，可有效保護人身及門機電子設備免受雷擊損害。

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南大傲拓NA400PLC，具體硬件配置如下圖6所示。

圖6 PLC控制系統圖

整個PLC控制系統由兩個電源模塊（冗余），一個CPU401、四個數字量輸入模塊DIM401、兩個數字量輸出模塊DOM401和一個模擬量輸入模塊AIM401組成。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聯動臺的操作命令信號；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；而模擬量輸入主要用來接收儀表和全行程檢測的電流信號。所有這些信號經PLC又可傳遞給司機室觸摸屏和安全監控系統主機儀表，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

由于本系統采用了南大傲拓NA400系列產品，因而門機PLC需在NAPro編程軟件環境下編程，NAPro編程軟件是NA400PLC的重要組成部分，是NA400PLC的集成開發環境，包括編輯器、編譯器、調試器、仿真器和圖形用戶界面工具，主要完成硬件配置、測點組態、軟件編程、仿真、調試及下載工作。該編程軟件為工程技術人員提供了一套簡單實用的軟件編程和聯機調試工具。同時通過MCGS組態軟件對昆侖通態觸摸屏進行編程，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 程序控制流程圖

4 系統調試（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。而大小車行走作為平移性負載，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=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）設置以下參數表

圖 8 2×630kN 雙向門機

結束語

千島湖配水工程2×630kN雙向門機現場使用情況如圖8所示。該系統經調試與測試，各項性能優良，系統工作穩定、視頻傳輸信號實時穩定，門機整體運行平穩，整機啟動、制動沖擊小，受到業主的一致好評。