烏江渡發電廠400T門機電氣控制系統升級改造

【摘 ?要】壩頂400t/80t/32t門機產于1978年，主要用于烏江渡發電廠啟閉進水口機組檢修門、左右泄檢修門、中孔檢修門、欄污柵及壩上機電設備附件，是烏江渡發電廠引水發電系統、泄洪系統檢修的重要設備，400t門機于2003年進行過一次控制系統改造至今已連續運行16年，門機電纜已嚴重老化局部破損較嚴重，控制系統電氣元件老化，故障日益增多，備品備件難以購置，已嚴重影響到400t門機的正常操作，需進行升級改造。

【關鍵詞】門機;電氣控制系統;PLC控制;控制裝置;保護;

1 ?前言

烏江渡發電廠位于貴州省遵義市播州區烏江鎮，是烏江流域實施梯級開發興建的第一座大型水電廠，總設計裝機容量1250MW，隸屬于中國華電集團有公司下屬烏江水電開發有限公司的大型水力發電企業。也是我國在大陸巖溶地區修建的第一座大型水電工程，壩高165米，壩頂全長395.6米，水庫面積47.5平方公里，水庫總容量21.4億立方米。400T門機安裝在烏江渡發電廠的大壩壩面。

2 ?工程簡介

400t/80t/32t門機主要包括400t主起升機構、400t小車機構、80t起升機構、80t回轉機構、32t起升機構、32t回轉機構、大車行走機構、進線滑線和自動抓梁系統等。

本次改造主要對400T門機的電氣控制系統進行全面的改造。電氣部分：更換所有的控制柜及控制器件、聯動臺、動力電纜和控制電纜、照明控制系統、門機綜合監控系統、荷重傳感器、手動應急控制裝置改造安裝等。本文主要介紹電氣控制PLC可編程控制在門式起重機控制上的運用，并配備門機綜合監測系統對門機的運行情況和深水自動抓梁的運行情況進行實時監控。

3 ?電氣控制方案

3.1 ?概述

新系統采用單臺PLC作為基本配置和靈活的擴展模塊，再加上信號檢測、操作、報警等設備組成起重機自動控制操作系統。該系統具有如下功能：

①起重機的運行操作與控制;②信號資料的采集和控制;③各種運行信號、保護信號的顯示;

④安全制動與工作制動的互換控制;⑤各機構的電動控制;⑥具有自我診斷能力及緊急情況發生時的快速報警，使操作者能監視、控制、記錄運行故障⑦有較嚴格的防誤操作系統，當運行人員誤操作時拒絕執行，并發出警告信號，最大限度地減少由于誤操作給設備造成的損害;

3.2 ?方案選擇

本系統選用SEIMENS S7-1500系列的PLC作為控制核心來實現門機各機構的自動控制，CPU模塊可以適用于在多個基本組件間的連接，模擬控制，定位控制等用途，是一套可以滿足多樣化廣泛需要的PLC，系統配置既固定又靈活。在基本單元上連接擴展單元或擴展模塊，可進行16-32點的靈活輸入輸出組合，智能化的診斷系統可連續監控系統的運行，多級口令保護可保證系統的安全運行，當控制任務增加時，可隨時使用附加模塊進行擴展。

3.3 ?控制方案的實施

3.3.1 ?PLC控制部分

本系統由1套西門子S7-1500系列PLC及大車PLC控制柜內采用ET200SP采集大車機構信號、1臺12寸西門子觸摸屏、相關檢測元件（電氣設備狀態反饋等等）、相關執行元件（各機構執行元件）構成監控系統。

門機主起升機構以各種高度限位、電機過載、過流信號、各種保護信號如斷路器監視信號及相關接觸器反饋點作為控制條件輸入PLC，當所有執行條件都滿足時，PLC將執行主令控制器的命令，經由PLC數字量模塊輸出命令到機構的相應執行元件。

門機大車機構以大車限位、電機過流、過載信號、制動器斷路器及相關接觸器反饋點作為控制條件輸入PLC，當所有運行條件都滿足時，PLC將執行主令控制器的命令，經由數字量模塊輸出命令到相應的執行元件。

所有控制條件如限位狀況、是否超載、電機是否過載、制動器斷路器是否打開、各控制接觸器狀態都同時在觸摸屏上顯示，同時各機構運行狀態也在聯動臺上進行信號燈顯示。

3.3.2 ?總電源控制部分

控制部分：電源進線處設置進線隔離開關，正常情況下該隔離開關始終閉合，僅在維修時斷開，以保障檢修安全;刀閘下面是總電源斷路器，總電源斷路器內部有一個脫扣線圈，脫扣線圈受安裝于主令操作臺和總電源控制柜柜門上的紅色蘑菇頭急停按鈕控制，在緊急情況發生時，按下急停按鈕，可直接令總電源斷路器脫扣，脫扣后需手動復位。在總電源斷路器的下端是總電源接觸器，該接觸器受安裝于主令操作臺和總電源控制柜柜門上的電源啟動、電源停止按鈕控制其吸合或斷開，在正常情況下，操作人員對電源的控制主要通過它來完成。

保護部分：對于總電源的保護，設計有一個電源檢測繼電器，通過對總電源的缺相及相序等電源故障進行實時檢測，當出現上述電源故障時，該繼電器控制接點動作，使總電源接觸器斷開，從而實現電源保護。

3.3.3 ?主起升機構

起升機構采用上升五檔，下降三檔調速。上升時，電機工作在正向電動狀態;下降時一檔工作在倒拉反接制動狀態，二檔工作在單相制動狀態，三檔工作在反向回饋制動狀態。起升機構采用轉子串電阻切電阻調速，各檔之間采用延時切換，以保證平滑調速。

1）起升和下降接觸器采用在PLC程序及電氣控制回路設置電氣聯鎖回路。

2）起升電機上升時，電機啟動后經過短暫的延時，再松開制動器，以保證電機在制動器松開前建立足夠的力矩，防止溜鉤。

3）制動器控制中設計有制動器接觸器狀態檢測邏輯，防止因制動器接觸器出現故障，導致電機堵轉或溜鉤現象。一旦出現上述故障，PLC將直接控制起升主斷路器脫扣。

3.3.4 ?32T回轉應急手動控制裝置

應急手動控制裝置是作為主操作系統（PLC控制系統）出現問題時，為能維持門機起升機構短時間內的運行的重要方式，并設置有起升和狀態轉換。

1、主操作系統（PLC控制系統）運行時，將狀態轉換開關2GK2撥至0位;應急運行時將狀態轉換開關2GK2撥至1位;

2、應急狀態時，應急上升，將起升開關2GK1撥至右方，此時起升機構在上升一速下運行;

3、依次將2GK1撥至2～4檔，轉速依次增加。停止時撥至0位即可;

4、應急下降時，將2GK1撥至左方。1位是反接制動，2位是單相制動，3位是反向電動。停止回0位即可。

5、操作完畢后，一定要將2GK2撥回0位。

4 ?TP1200人機智能監控終端——門機綜合監測儀

當門機控制系統中出現故障報警時，操作人員可以通過點擊門機主監控畫面下方的的“實時報警”按鈕，此時觸摸屏會進入實時報警畫面，其中表格記錄著當前系統中所有存在的故障報警信息，包括報警產生的日期和時間，并用中文描述故障內容，以方便門機操作維護人員及時排除故障。

4.1 PLC及400T門機信號及觸摸屏通訊

門機的信號采集：先將門機的主鉤高度信號通過編碼器采集后，傳輸到原400T門機綜合監控儀中進行計算處理;將主鉤有兩個重量傳感器采集的重量信號輸入到原400T門機綜合監控儀中進行放大等處理后，再將門機綜合監控儀通過S7-1500通訊模塊與PLC：CPU進行通訊，在觸摸屏中進行顯示。

門機抓梁信號的采集：安裝在抓梁機構中的穿銷傳感器采集穿銷的實時數據;就位傳感器分別采集就位信號的實時數據;浸水傳感器采集浸水信號;這三種信號直接進入到400T門機綜合監控儀中計算處理，通過通訊在觸摸屏中進行顯示。

將主鉤的高度、超載等參數控制門機的運行。而抓梁采集抓梁的穿退銷信號、就位信號，在觸摸屏上實時地顯示抓梁穿退銷及就位的全過程。

5 ?電氣控制系統安全保護

系統設有以下保護：上下限位保護、上下預限保護、超速保護、超載保護、零位保護、電源電壓斷相保護、電動機缺相保護、失壓保護、裝置過熱保護、裝置過流保護、接地故障保護、瞬時缺電保護等，其故障信號存儲在記憶單元中，即使在電源出問題時，也能保存故障信號。保護在動作后，要確保起吊物件安全，不發生溜鉤等危險狀況。

緊急斷電開關：在門機的總控制柜、主司機室和回轉吊司機室均設有緊急斷電按鈕，在緊急情況下，可方便地切斷門機總動力及控制電源。此控制按鈕信號應送到PLC裝置，實現監視及動作記錄。

零位保護：在門機的主司機室控制臺上的手柄設有零位觸點，通過它和PLC內部的聯鎖關系，達到零位保護的目的。主機構開始運轉和失壓后恢復供電時，必須先將控制器手柄置于零位后，機構的電動機才能起動。

行程開關和接近開關：在門機的大車運行機構、小車運行機構、主起升機構中均設有行程開關和接近開關。由接近開關和行程開關通過PLC控制各機構動作。在主起升機構中還設有上、下限預限位開關，當吊鉤運行到達極限限位前的一定距離時，預限位開關動作，吊鉤的運行速度自動減速，減小終點限位時的沖擊。

超載限制保護：在主起升機構設置了超載限制器，當載荷達到額定起重量的90%時，能發出提示性報警信號;當載荷達到105%時，延時停機;當載荷達到110%額定起重量時，立即切斷起升動力電源，并發出禁止性報警信號。

上升極限位置限制保護：配有主起升機構設置上升極限位置限制器，以保證當吊具起升到極限位置時，自動切斷主起升的動力電源，并通過PLC發出報警信號。

下降極限位置限制保護：配有主起升機構設置下降極限位置限制器，以保證當吊具下降到極限位置時，自動切斷起升的動力電源，使鋼絲繩在卷筒上的纏繞不少于設計所規定的圈數，并通過PLC發出報警信號。

運行極限位置限制保護：門機的大、小車運行機構應設有限位開關，當機構到達其運動的極限位置時，能自動停車。

6 ?新技術、新工藝

在此次門機電氣系統的控制改造中，還將PLC作為控制核心，將門機的各種信號與觸摸屏統一規劃聯動，將觸摸屏作為信息反饋及處理終端，進行實時地顯示及報警處理。在故障檢修方面將使其簡單明了，可一目了然地找到故障點從而進行處理。

例如，主鉤在上升過程中電機過載保護動作了，以往檢修人員必須按照圖紙逐個去檢查主鉤回路的各個元器件，直到找到故障點后才能解決故障，而現在在觸摸屏上直觀顯示：例如“主鉤左岸側電機過載繼電器FR11已動作！”，并在聯動臺上有聲光報警！電氣檢修人員就很容易地找到故障點并做出正確地處理。

7 ?小結

烏江渡發電廠400T門機新控制系統設備可靠性高，穩定性好，技術較先進，運用可編程控制系統對門機的運行情況和各項運行參數進行了實時監控，從而有力的保證了我廠門機安全穩定運行。

參考文獻：

[1]水電站門式起重機（JB6128-92）.趙永華、劉大淮 中國標準出版社.北京.2003.2

[2]實用起重機電氣技術手冊.裘為章、吳錫忠.機械工業出版社.北京2001.12

[3]CQM1系列可編程控制器使用手冊.OMRON公司.上海.2000年

[4]全中文工控組態軟件.昆侖通態公司.北京.200

作者簡介：

徐松（1984-），男，貴州遵義人，助理工程師，從事水電廠機電設備檢修維護工作.