基于多組冗余的門式啟閉機控制系統優化

甘輝敏，賈中會，童 穎，姚永歡，鄒高慶，杜祖軍

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

結合水電站部分門式啟閉機現場運行工況，對其電氣系統、PLC 程序及工控系統梳理研究，發現其電氣控制系統存在較大安全漏洞和設計缺陷，可能會導致門式啟閉機運行機構失控。主要表現為PLC 控制系統可靠性不高，PLC 程序存在不穩定性，出現過因通信故障導致大車機構無法停止運行、合閘系統頻報故障無法啟動、輸出模塊通道擊穿后運行機構自啟動等異?，F象，由于工作人員及時正確處理，未發生事故，但電氣控制系統的安全性、可靠性問題已經曝露。

1 通信方式冗余優化

1.1 實施背景

門式啟閉機大車機構運行時，PLC 突然報硬件及通信總線故障（SF 燈常亮、BF 燈閃爍），司機室ET200 從站通信連接斷開，司機室操作臺除硬線控制的信號外其余信號全部失效，造成大車機構無法平緩停車。工作人員只能通過硬線控制的急停按鈕斷開門式啟閉機總電源，進而停止大車機構的運行。

1.2 風險分析

門式啟閉機通信采用的是PROFIBUS DP 總線通信網絡，通信電纜采用專用屏蔽電纜。專用屏蔽電纜由于材質特性問題，速率較低，傳輸距離有限，在充斥電磁波的環境特別是強電的干擾下，傳輸效率大為下降，容易出現通信故障。門式啟閉機總線網絡上PLC 從站、觸摸屏、變頻器單元較多，各站點距離較遠，DP 網線長度較長，抗干擾能力差?，F場總線通信網絡采用串聯網絡，當其中一個站點出現通信故障，其后連接的站點均會通信失聯。

1.3 優化方案

結合現場實際工況，將門式啟閉機PLC 主站與通信距離長且比較重要ET200 從站間的通信采用加裝光纖鏈路模塊OLM，實現光纖通信模式，組建冗余環網，從而保證門式啟閉機運行可靠性。光纖通信傳輸較PROFIBUS DP 總線通信有以下幾點優點：傳輸損耗低，可傳輸15～20 km；傳輸頻帶寬，光纖的頻帶可達10 GB 以上；抗干擾能力強，光纖傳輸的載波為光波，是頻率極高的電磁波，不受強電的干擾；安全性能高，光纖采用玻璃材質，不導電，防雷擊，機械性能好。通過光纖鏈路模塊OLM/G12 組成冗余環網中即使其中一個站點光纜斷開，通信自動變成總線形式正常通信，大大增加通信網絡的容錯率和可用性。

2 工作制動器控制冗余完善

2.1 實施原因

門式啟閉機各機構工作制動器動作僅依靠PLC控制，其中門式啟閉機主起升合閘后安全制動器一直處于打開狀態，如果此時控制工作制動器的輸出模塊通道被擊穿，工作制動器將會自動打開，出現遛鉤、溜車等現象，嚴重時會造成重物失落事故。

2.2 風險分析

以啟閉機主起升電機工作制動器為例，當PLC對應工作制動器打開的數字量輸出點接通后，接觸器得電吸合，控制回路中的中間繼電器吸合，工作制動器得電打開。雖然主起升電機變頻器的制動器控制輸出信號進入PLC 中，作為工作制動器打開輸出程序的條件之一，但無法在制動器硬線控制回路中作為制動器控制條件。若門式啟閉機電源合閘后，PLC 對應工作制動器打開的數字量輸出通道擊穿，輸出點保持常開輸出，工作制動器自動打開，造成起升機構重物失落事故，是極大的安全隱患。

2.3 優化方案

在起升機構工作制動器控制回路中增加變頻器的硬線常開接點（制動器控制方式），其中接觸器由PLC 輸出點控制，中間繼電器由變頻器抱閘控制輸出節點控制，只有PLC 的控制接點和變頻器的控制接點同時吸合后，工作制動器才能打開。避免了因PLC模塊通道擊穿，而發生工作制動器誤動作的風險。

3 防風鐵楔控制冗余完善

3.1 實施原因

門式啟閉機防風鐵楔裝置在關斷操作后或門式啟閉機斷電后，鐵楔落下楔死車輪。若門式啟閉機大車運行機構未完全停止運行時，防風楔鐵已經動作則會發生碾壓防風鐵楔楔塊的情況，對防風鐵楔及門式啟閉機產生較大的沖擊損害。

3.2 風險分析

防風鐵楔控制程序存在不可靠的安全隱患。門式啟閉機大車機構“置零”控制程序中沒有加入防風鐵楔狀態地址條件，當防風鐵楔處于關閉狀態時，大車機構變頻器接收不到“置零”指令，仍會保持原狀態運行，可能會發生碾壓防風鐵楔楔塊的情況。

3.3 優化方案

在大車機構置零程序中增加防風鐵楔狀態反饋信號，保證防風鐵楔在任何狀態關閉時，大車機構都能夠停止運行。并設置大車機構變頻器通信中斷參數（P222=1 000），最多允許通信中斷1 s，中斷后1 s立即停機，停止大車機構運行。

4 超載功能冗余優化

4.1 實施原因

門式啟閉機判斷起升載荷是否超載僅僅依靠單一的稱重儀顯示輸出。稱重儀作為一套電氣的傳感測量顯示系統，其傳感器測量的精度、顯示的準確性無法方便地校核，每次準確校核必須通過門式啟閉機起吊標準配重塊進行負荷試驗的方法校核，進而無法充分保障門式啟閉機稱重傳感系統時時處于無偏差運行。為有效判斷稱重傳感系統的正確性，在稱重傳感系統出現偏差的情況下，門式啟閉機不至于發生超載運行嚴重故障，需要增加另外一套稱重載荷判斷保護，保障門式啟閉機運行安全。

4.2 優化方案

在門式啟閉機的變頻器電氣傳動系統中，變頻器在起升時處于恒轉矩運行，重載運行工況時變頻器輸出電流與起升載荷可近似于正比線型關系?？筛鶕冾l器輸出電流與載荷比例關系，設置起升載荷報警值，加強門式啟閉機吊運載荷時的安全可靠性。

編制程序將變頻的電流數值轉換對應成門式啟閉機的載荷數值，并加入變頻器電流的控制條件，變頻器電流上限值不能升至額定電流的1.3 倍；變頻的電流折算至載荷數值后，當經過電流折算后的載荷數值達到額定載荷的90%時報警，110%載荷時保護動作斷電，起升機構停止運行。

5 結語

通過對門式啟閉機的電氣控制系統進行了上述優化改造后，設計缺陷帶來的安全隱患已經消除，通信故障已基本解決，保護功能得到了加強，設備運行情況良好，其安全穩定性得到了有效保障。