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2×1600KN尾水門機電氣控制系統的設計

時間:2014-04-11 11:12:09來源:胡勝方

導語:?觀音巖水電站自主研發設計的2×1600kN雙向門式啟閉機安裝在觀音巖水電站廠房尾水壩頂平臺,2×1600kN起升機構雙吊點運行,通過液壓抓梁啟閉發電系統尾水檢修閘門和防洪閘門,并起吊閘門孔口蓋板。

摘要:本文主要介紹了觀音巖2×1600KN雙向尾水門機的特點及電氣系統的設計,著重介紹了本電氣系統的硬件、軟件設計流程,并針對現場情況給出了起升機構的調試參數,且針對本門機調試過程中容易出現的常見故障給出了具體的解決辦法。

1引言

我單位為觀音巖水電站自主研發設計的2×1600kN雙向門式啟閉機安裝在觀音巖水電站廠房尾水壩頂平臺,2×1600kN起升機構雙吊點運行,通過液壓抓梁啟閉發電系統尾水檢修閘門和防洪閘門,并起吊閘門孔口蓋板。本門機的電控系統采用目前國際上先進的“觸摸屏+PLC+變頻器”控制方案,整機具有以下優點:

  1. 大噸位高揚程。本門機起吊噸位高達3200KN,且揚程高達73.5米,其中軌下60米,軌上13.5米。
  2. 小車起升機構采用雙吊點機構形式,由兩套驅動裝置及兩套折線卷筒裝置組成,實現起升機構多層纏繞。
  3. 起升機構采用主從控制技術來保證兩起升機構的速度和轉矩的一致性。
  4. 采用先進的觸摸屏監控技術,使整機具有良好的人機對話和高品質的信息處理功能。
  5. 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。
  6. 各傳動機構均采用安川H1000系列變頻調速控制方式,調速比高達1:20。
  7. 完備的安全保護功能。本機除具有電控系統必需的短路保護、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。

2電氣系統的設計

本門機的電氣系統主要包括供電系統、起升機構控制系統、小車行走機構控制系統、大車行走機構控制系統、液壓抓梁控制系統、安全保護系統、照明和接地、防雷保護系統。

2.1供電系統

本機供電采用電纜卷筒供電,電源為三相四線AC380V,50HZ,控制電源為AC220V,由專用變壓器提供。

總電源設有隔離刀開關Q1,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QF01,只作短路保護。一般情況下QF01不動作,用總接觸器KM1來合上或斷開總電源。QF01中附有分勵脫扣線圈,由電源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。

2.2起升機構控制系統

起升機構載荷為典型的位能性負載,由兩臺QABP315M8A75kW變頻電機驅動,采用兩臺日本安川H1000系列變頻器分別傳動,閉環控制。兩臺變頻器之間采用主從控制,保證兩臺電機轉矩和速度一致。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、瞬時斷電失壓保護、接地保護、冷卻風機異常、超頻(超速)保護、接觸器粘結、缺相、控制器零位保護、超載保護等等。

⑴速度指針:

輕載時0.44~4.4/min(Q≦300KN)

重載時0.22~2.2/min(Q≧300KN)

⑵調速方式:

由荷重儀輸出的輕、重載狀態以及聯動臺上轉換開關來判斷是否輕載,并由聯動臺主令開關的擋位元來決定速度。正反各五擋,輕載時分別為20%、60%、100%、150%、200%額定速度,其中前三擋為恒轉矩調速,第四、五擋為恒功率調速;重載時分別為10%、20%、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。

⑶運行與保護

①每套起升機構分別由一套工作制動器和一套液壓安全制動器構成,工作制動器抱高速軸,安全制動器抱低速軸。其中安全制動器在起升機構總接觸器合閘后立即打開,在起升機構連續沒動作1h后立即抱閘。

②變頻器或制動單元故障時,裝置內部各輸出故障的一對常開觸點,以實現故障停車,并報警。

⑷起升機構設有荷重、高度綜合儀綜合保護裝置。當吊點荷載達到額定起重量的90%時,自動發出提示性報警信號;當達到額定起重量的105%時,延時報警斷電;當達到額定起重量的110%時,立即報警斷電(下降仍可工作);當吊具上的荷載為零時,給出欠載預警信號;當起升機構達到極限位置時自動切斷相應方向的電源并報警。起升機構設有機械式限位開關,當吊鉤到達上、下極限位置時,能自動切斷相應方向的電源,機構停止運行,與綜合儀構成機電雙重保護。

2.3小車行走機構控制系統

小車機構載荷為典型的位移性負載,由四臺AWV90S-4-B1.1kW變頻電機驅動,采用日本安川H1000系列變頻器傳動,開環控制。

⑴速度指針:

運行速度:0.2~2m/min

⑵調速方式:

由司機室聯動臺主令開關的擋位元來決定速度。前、后各五擋,分別為10%、30%、50%、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。速度擋可在變頻器內任意設定,以滿足不同速度要求。

⑶運行與保護

①該機構設有兩個液壓電動夾軌器,小車機構只有在夾軌器打開的情況下和外部風速沒超過20m/s的情況下才能運行。

②各電機均設有熱超載保護。變頻器或制動單元故障時,裝置內部各輸出故障的一對常開觸點,以實現故障停車,并報警。

2.4大車行走機構控制系統

大車機構載荷為典型的位移性負載,由八臺AWV132S-4-B5.5kW變頻電機驅動,采用日本安川H1000系列變頻器傳動,開環控制。

⑴速度指針:

運行速度:2~20m/min

⑵調速方式:

由司機室聯動臺主令開關的擋位元來決定速度。左、右各五擋,分別為10%、30%、50%、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。速度擋可在變頻器內任意設定,以滿足不同速度要求。

⑶運行與保護

①該機構設有兩個液壓電動夾軌器、一個風速儀及2套錨定裝置,大車機構只有在夾軌器打開、外部風速小于20m/s以及錨定裝置打開的情況下才能運行。

②各電機均設有熱超載保護。變頻器或制動單元故障時,裝置內部各輸出故障的一對常開觸點,以實現故障停車,并報警。

2.5液壓抓梁控制系統

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。

2.6照明和接地、防雷保護系統

本機設有單獨的照明系統,照明系統由專門的照明變壓器供電。

在接地系統方面,本機設有專門的接地線。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4。

本機還設有避雷器,可有效保護人身及門機電子設備免受雷擊損害。

3電氣控制系統的設計

3.1電氣控制的硬件設計

S7-200系列PLC出色表現在以下幾個方面:

①極高的可靠性;②極豐富的指令集;③易于掌握;④便捷的操作;⑤豐富的內置集成功能;⑥實時特性;⑦強勁的通訊能力;⑧豐富的擴展模塊。

基于S7-200PLC的以上優點,本雙向門機采用S7-200PLC作為控制核心,具體硬件組成如下圖1所示。

整個PLC控制系統由一塊CPU226、兩塊數字量輸入輸出模塊EM223、一塊數字量輸入模塊EM221以及一塊模擬量輸入輸出模塊EM235組成。其中CPU226為中央處理器,處理由外部輸入的各種信息。數字量輸入輸出模塊用來接收外部各種故障信號、各機構的運行狀態信號、聯動臺的輸入信號以及輸出各機構的控制命令,以完成各運行機構的啟動、運行,制動。而模擬量模塊EM235主要接收高度模擬量信圖1PLC硬件組成

號、荷重模擬量信號以及風速模擬量信號。以上這些信號經由PLC模塊處理后經過MPI網傳輸至司機室觸摸屏,以便操作員及時的了解門機的整個工作狀況。

3.2電氣控制系統的軟件設計

由于本門機采用S7-200作為控制系統的核心,因而該系統的編程采用Step7Microwin4.0編程軟件。其具體的程序控制流程如下圖2所示。

圖2程序控制流程圖

4起升機構的調試

在設定起升機構變頻器的參數前,需要對起升電機進行旋轉型自學習。如果電機無法與負載分離,則起升電機應進行停止型自學習。

變頻器自學習通過之后在進行主從調試前,需要將兩起升機構的同步剛性軸連接起來。起升機構變頻器的參數見下表1。

表1起升機構變頻器參數

參數

名稱

設定值

備注

A1-02

控制模式的選擇

3

 

b1-01

頻率指令選擇1

0/1

主/從

b1-02

運行指令選擇1

1

 

b1-03

停止方法選擇

0

 

c1-01

加速時間1

5s

 

c1-02

減速時間1

3s

 

c1-09

緊急停止時間

3s

 

d1-01

頻率指令1

5HZ

主變頻器

d1-02

頻率指令2

10HZ

主變頻器

d1-03

頻率指令3

20HZ

主變頻器

d1-04

頻率指令4

30HZ

主變頻器

d1-05

頻率指令5

35HZ

主變頻器

d1-06

頻率指令6

50HZ

主變頻器

d1-07

頻率指令7

75HZ

主變頻器

d1-08

頻率指令8

100HZ

主變頻器

E1-01

輸入電壓設定

400V

 

E1-04

輸出最高頻率

105HZ

 

E1-05

最大電壓

380V

 

E1-06

基本頻率

50HZ

 

H1-01

端子S1功能選擇

40

 

H1-02

端子S2功能選擇

41

 

H1-03

端子S3功能選擇

15

 

H1-04

端子S4功能選擇

14

 

H1-05

端子S5功能選擇

F

 

H1-06

端子S6功能選擇

3/F

主/從

H1-07

端子S7功能選擇

4/F

主/從

H1-08

端子S8功能選擇

5/F

主/從

H2-01

端子M1-M2功能選擇

37

 

H2-02

端子P1-PC功能選擇

0

 

H3-02

端子A1功能選擇

F

主變頻器

H3-06

端子A3功能選擇

F

主變頻器

H3-10

端子A2功能選擇

F

主變頻器

H4-01

端子FM監視選擇

102

主變頻器

H4-02

端子FM監視增益

100%

主變頻器

H4-05

端子AM監視增益

50%

主變頻器

H4-07

端子FM信號電平選擇

0

主變頻器

H4-08

端子AM信號電平選擇

1

主變頻器

H3-01

端子A1信號電平選擇

0

從變頻器

H3-02

端子A1功能選擇

0

從變頻器

H3-03

端子A1輸入增益

107%

從變頻器

H3-05

端子A3信號電平選擇

1

從變頻器

H3-06

端子A3功能選擇

13

從變頻器

H3-07

端子A3輸入增益

200%

從變頻器

5常見故障機處理辦法

本文主要針對起升機構調試時比較常見的、容易發生的一些主要故障列出了如下解決辦法,見表2。

表2常見故障及解決辦法

現象

解決辦法

一臺電機帶動另外一臺電機處于發電狀態,兩臺起升電阻器發熱程度不一致

調整H3-03參數

電機電磁噪音大

低速(3HZ一下)時的失調、震動

電磁噪音大時。增大C6-02的值

失調、震動時,減小C6-02的值

失調、震動

轉矩、速度響應慢時,以0.01為單位逐漸減小C5-06的值;機械剛性較低且易發生震動時,增大C5-06的值

6結束語
經過長時間的研發、調試,我單位自主設計的電控系統已成功的運用在觀音巖水電站2×1600KN雙向尾水門機上,如圖3所示。經現場測試,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。

 

 

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