1 引言

杭州市第二水源千島湖配水工程2×630kN雙向門機(jī)，裝于進(jìn)水口115.80m高程平臺(tái)上。主要用于啟閉和吊運(yùn)進(jìn)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(jī)自帶的抓斗式清污機(jī)用于進(jìn)水口攔污柵處的污物清理。門機(jī)由小車、門架結(jié)構(gòu)、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、大車電纜卷筒裝置、門機(jī)軌道及二期埋件、夾軌器、防風(fēng)錨定裝置及埋件、液壓自動(dòng)掛脫梁及存放支架、懸掛10t電動(dòng)葫蘆、承載3t的抓斗式清污機(jī)、安全保護(hù)裝置、防雷接地避雷針裝置、風(fēng)速儀、自動(dòng)對(duì)位裝置及傳感器裝置、電力拖動(dòng)和控制設(shè)備組成。本門機(jī)的電氣系統(tǒng)采用“PLC+變頻調(diào)速+觸摸屏”控制方式，它具有以下特點(diǎn)：

（1）通過(guò)PLC來(lái)采集各種信號(hào)，運(yùn)用PLC內(nèi)部的虛擬觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)整機(jī)的時(shí)序邏輯控制，大大減少控制柜內(nèi)的中間繼電器和時(shí)間繼電器，從而減少了電氣系統(tǒng)的硬件故障，提高了系統(tǒng)控制的可靠性。

（2）各機(jī)構(gòu)電力拖動(dòng)采用變頻調(diào)速控制方式，既保證各機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，并能準(zhǔn)確就位。

（3）完備的安全保護(hù)功能。本機(jī)除具有電控系統(tǒng)必需的零位保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、失壓保護(hù)、缺相保護(hù)、接地保護(hù)、限位保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、主隔離開關(guān)以及斷開總電源的緊急開關(guān)等常規(guī)保護(hù)外，還具有荷重保護(hù)、起升高

度限制和超速保護(hù)等。

（4）在電氣設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了工地供電質(zhì)量對(duì)設(shè)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(duì)控制回路的影響，亦可防止觸電，保護(hù)人身安全。

（5）考慮到環(huán)境對(duì)電氣系統(tǒng)的影響，電氣設(shè)計(jì)中各控制柜中加裝除濕、加熱裝置，可以確保設(shè)備能在較惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定正常運(yùn)行。

（6）門機(jī)設(shè)有視頻監(jiān)視系統(tǒng)，設(shè)備操作者在司機(jī)室內(nèi)可以清楚地查看雙向門機(jī)水上各運(yùn)行區(qū)域內(nèi)以及水下抓梁部位穿退銷的實(shí)時(shí)狀況。

2 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本機(jī)的電氣系統(tǒng)主要包括供電系統(tǒng)、起升系統(tǒng)、小車行走系統(tǒng)、大車行走系統(tǒng)、液壓抓梁及清污抓斗系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、接地與防雷系統(tǒng)等。

本機(jī)的電氣控制系統(tǒng)主要由電源大車柜、起升小車柜、PLC柜組成。

2.1 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)如圖1所示，本機(jī)供電采用電纜卷筒供電。電源為三相四線AC380V，50HZ；門機(jī)的控制部分電源為AC220V，由專用變壓器提供。總電源設(shè)有隔離刀開關(guān)Q100，能切斷本機(jī)的所有電源，為安全檢修提供了一個(gè)明顯的斷開點(diǎn)，并設(shè)有斷路器QF100，只作短路保護(hù)。一般情況下QF100不動(dòng)作，通過(guò)總接觸器KM1來(lái)合上或斷開總電源。QF100中附有分勵(lì)脫扣線圈，由電源大車柜和司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)上的急停按鈕來(lái)控制，只有在總接觸器因某種原因無(wú)法正常切斷電源回路的緊急情況下，才偶然使用一下分勵(lì)脫扣裝置。

圖1 供電系統(tǒng)圖

2.2 起升系統(tǒng)

起升系統(tǒng)如圖2所示，起升機(jī)構(gòu)載荷為典型的位能性負(fù)載，由一臺(tái)變頻電機(jī)YZP280M-8CTH驅(qū)動(dòng)，采用一臺(tái)ABBACS880系列變頻器傳動(dòng)，閉環(huán)控制。

圖2 起升系統(tǒng)圖

圖3 小車系統(tǒng)圖

（1）速度要求：0.22～2.2m/min。

（2）速度給定：由聯(lián)動(dòng)臺(tái)上主令開關(guān)的擋位來(lái)決定速度。聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令開關(guān)正反各四擋，分別為10%、40%、70%、100%額定速度，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。系統(tǒng)采用主令擋位開關(guān)量輸入至PLC，經(jīng)軟件處理后，再由PLC輸出開關(guān)量信號(hào)給變頻器。速度擋可在變頻器內(nèi)任意設(shè)定，以滿足不同速度要求。變頻器故障時(shí)，裝置內(nèi)部輸出故障的一對(duì)常開常閉觸點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)故障停車，并報(bào)警。

（3）運(yùn)行與制動(dòng)：起升機(jī)構(gòu)有兩套制動(dòng)器，其中一套為工作制動(dòng)器，一套為安全制動(dòng)器。為確保起升機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)由工作制動(dòng)器制動(dòng)；平時(shí)正常狀態(tài)下安全制動(dòng)器一直打開，只有在電機(jī)失速的情況下，安全制動(dòng)器制動(dòng)抱閘，確保起升機(jī)構(gòu)安全，速度可控。

2.3 小車行走系統(tǒng)

小車行走系統(tǒng)如圖3所示，小車機(jī)構(gòu)由兩臺(tái)變頻電機(jī)YZPE112M2-4驅(qū)動(dòng)，采用ABB公司的ACS880系列變頻器傳動(dòng)，開環(huán)控制。

（1）速度要求：0.7～7m/min。

（2）速度給定：由聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令來(lái)決定速度。前、后各四擋，分別為10%、40%、70%、100%額定速度。系統(tǒng)采用主令擋位開關(guān)量輸入至PLC，經(jīng)軟件處理后，再由PLC輸出開關(guān)量信號(hào)給變頻器。每擋的速度可在變頻器內(nèi)任意設(shè)定，以滿足不同速度要求。

（3）運(yùn)行與制動(dòng)：

各電機(jī)均設(shè)有過(guò)載等保護(hù)。變頻器故障時(shí)，裝置內(nèi)部輸出故障的一對(duì)常開常閉觸點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)故障停車，并報(bào)警。

2.4 大車行走系統(tǒng)

大車行走系統(tǒng)如圖4所示，大車機(jī)構(gòu)由四臺(tái)變頻電機(jī)YZPE132S-4驅(qū)動(dòng)，采用ABB公司的ACS880系列變頻器傳動(dòng)，開環(huán)控制。

（1）速度要求：1.8～18m/min。

（2）調(diào)速方式：由聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令（將操作權(quán)限轉(zhuǎn)向門機(jī)）來(lái)決定速度。左、右各四擋，分別為10%、40%、70%、100%額定速度。系統(tǒng)采用主令擋位開關(guān)量輸入至PLC，經(jīng)軟件處理后，再由PLC輸出開關(guān)量信號(hào)給變頻器。每擋的速度可在變頻器內(nèi)任意設(shè)定，以滿足不同速度要求。

（3）運(yùn)行與制動(dòng)：本機(jī)構(gòu)設(shè)有2個(gè)防風(fēng)錨定裝置、2個(gè)夾軌器和1個(gè)風(fēng)速儀，當(dāng)錨定裝置和夾軌器打開且風(fēng)速不超過(guò)20米/秒時(shí)，大車機(jī)構(gòu)才可以正常啟動(dòng)。

圖4 大車系統(tǒng)圖

各電機(jī)均設(shè)有過(guò)載等保護(hù)。變頻器故障時(shí)，裝置內(nèi)部輸出故障的一對(duì)常開常閉觸點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)故障停車，并報(bào)警。

2.5 液壓抓梁及清污抓斗系統(tǒng)

液壓自動(dòng)掛脫梁液壓系統(tǒng)采用變頻電纜卷筒收放纜。電纜收放速度與門機(jī)起升速度同步。

穿銷工作：當(dāng)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(guān)接通，安裝在聯(lián)動(dòng)控制臺(tái)上的就位指示燈亮。按下穿銷按鈕→油泵電機(jī)工作→穿銷電磁閥打開→穿銷→穿銷到位（穿銷到位接近開關(guān)通）→穿銷停止，同時(shí)穿銷到位指示燈亮。

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

聯(lián)動(dòng)臺(tái)設(shè)有穿退銷停止按鈕，如遇穿銷、退銷到位后，油泵電機(jī)和電磁閥沒(méi)有斷電，可以用停止按鈕來(lái)停止穿、退銷動(dòng)作。

抓梁穿退銷的全過(guò)程由位移傳感器全程檢測(cè)，可在司機(jī)室的觸摸屏上顯示銷軸的實(shí)時(shí)位置。同時(shí)還配備了水下網(wǎng)絡(luò)攝像頭，在司機(jī)室能實(shí)時(shí)顯示水下穿退銷狀態(tài)。

清污抓斗系統(tǒng)采用無(wú)線遙控器控制，在司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)將操作權(quán)限轉(zhuǎn)向清污機(jī)，通過(guò)遙控器可控制門機(jī)左右行走，抓斗升降，以及開斗閉斗。

2.6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

門機(jī)設(shè)有視頻監(jiān)視系統(tǒng)，在司機(jī)室內(nèi)可以清楚的觀看門機(jī)上各運(yùn)行區(qū)域內(nèi)以及水下抓梁部位銷軸的穿退銷實(shí)時(shí)狀況。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖5所示。

攝像頭通過(guò)以太網(wǎng)經(jīng)過(guò)交換機(jī)匯總至硬盤錄像機(jī)儲(chǔ)存，并在司機(jī)室內(nèi)的液晶顯示屏顯示監(jiān)控畫面。小車（1、2）和門腿（1~4）攝像頭分別監(jiān)控小車和大車在軌道上運(yùn)行時(shí)狀況；機(jī)房攝像頭用于監(jiān)控起升運(yùn)行時(shí)鋼絲繩和制動(dòng)器的工作狀況；左右吊點(diǎn)攝像頭用于監(jiān)控抓梁穿退銷的工作狀況；主鉤攝像頭可以轉(zhuǎn)動(dòng)，用于監(jiān)控起升動(dòng)滑輪和整個(gè)地面工作面的狀況。安全監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)儀表可以讀取和顯示PLC中的離散量、模擬量數(shù)據(jù)，包括載荷、高度、風(fēng)速等，儲(chǔ)存報(bào)警信息，便于維護(hù)和監(jiān)管人員查詢門機(jī)的歷史工作狀態(tài)。

圖5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

2.7 接地與防雷系統(tǒng)

本機(jī)設(shè)有單獨(dú)的接地裝置，供電端地線接地電阻不大于4Ω，由用戶負(fù)責(zé)。司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)與整機(jī)本體可靠連接，保護(hù)本機(jī)上鋼結(jié)構(gòu)的任何一點(diǎn)接地電阻均不大于4Ω。本機(jī)還設(shè)有避雷針，可有效保護(hù)人身及門機(jī)電子設(shè)備免受雷擊損害。

3  電氣系統(tǒng)控制部分的設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

門機(jī)電氣控制系統(tǒng)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(tǒng)圖

整個(gè)PLC控制系統(tǒng)由兩個(gè)電源模塊（冗余），一個(gè)CPU401、四個(gè)數(shù)字量輸入模塊DIM401、兩個(gè)數(shù)字量輸出模塊DOM401和一個(gè)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(shù)字量輸入主要用來(lái)接收各機(jī)構(gòu)運(yùn)行和故障狀態(tài)開關(guān)量信號(hào)以及聯(lián)動(dòng)臺(tái)的操作命令信號(hào)；數(shù)字量輸出主要輸出各機(jī)構(gòu)控制命令，以完成各機(jī)構(gòu)正確地啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng)；而模擬量輸入主要用來(lái)接收儀表和全行程檢測(cè)的電流信號(hào)。所有這些信號(hào)經(jīng)PLC又可傳遞給司機(jī)室觸摸屏和安全監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)儀表，以便司機(jī)隨時(shí)掌握整機(jī)的工作狀態(tài)，也為維修人員捕捉故障信息打下基礎(chǔ)。

3.2 軟件開發(fā)

由于本系統(tǒng)采用了南大傲拓NA400系列產(chǎn)品，因而門機(jī)PLC需在NAPro編程軟件環(huán)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(fā)環(huán)境，包括編輯器、編譯器、調(diào)試器、仿真器和圖形用戶界面工具，主要完成硬件配置、測(cè)點(diǎn)組態(tài)、軟件編程、仿真、調(diào)試及下載工作。該編程軟件為工程技術(shù)人員提供了一套簡(jiǎn)單實(shí)用的軟件編程和聯(lián)機(jī)調(diào)試工具。同時(shí)通過(guò)MCGS組態(tài)軟件對(duì)昆侖通態(tài)觸摸屏進(jìn)行編程，以便對(duì)整個(gè)門機(jī)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息實(shí)時(shí)監(jiān)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(tǒng)調(diào)試（起升）

為防止溜鉤現(xiàn)象的出現(xiàn)，起升構(gòu)作為位能性負(fù)載采用了針對(duì)起重機(jī)械應(yīng)用的ACS880變頻器，即ACS880變頻器的N5050起重機(jī)的應(yīng)用控制程序選件。而大小車行走作為平移性負(fù)載，就采用了通用變頻器ACS880，其調(diào)試比較簡(jiǎn)單，在此不再敘述。本文主要以起升為例進(jìn)行說(shuō)明，在首次啟動(dòng)調(diào)試時(shí)，需要變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行辨識(shí)，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(jī)辨識(shí)

先將44.202轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證改成Disable

99.03=異步電機(jī)

99.04=DTC

99.06=電機(jī)額定電流

99.07=電機(jī)額定電壓

99.08=電機(jī)額定頻率

99.09=電機(jī)額定轉(zhuǎn)速

99.10=電機(jī)額定功率

99.13=標(biāo)準(zhǔn)辨識(shí)（必須把電機(jī)和減速機(jī)之間的聯(lián)軸器拆掉）

按啟動(dòng)，電機(jī)會(huì)旋轉(zhuǎn)，大概2分鐘左右自動(dòng)停下來(lái)，會(huì)顯示辨識(shí)完成。

3）閉環(huán)設(shè)置

(1)  設(shè)置編碼器模塊參數(shù)：

91.11=4

91.12=指定編碼器模塊所在的槽號(hào)

設(shè)置完成后，91.10務(wù)必刷新。

(2) 設(shè)置編碼器參數(shù)：

92.01=5

92.10=1024

92.21=AB

面板啟動(dòng)電機(jī)，觀察01.02和01.04，這兩個(gè)數(shù)字時(shí)時(shí)相等以后，再把90.41設(shè)成編碼器1。

4）設(shè)置以下參數(shù)表

圖 8 2×630kN 雙向門機(jī)

結(jié)束語(yǔ)

千島湖配水工程2×630kN雙向門機(jī)現(xiàn)場(chǎng)使用情況如圖8所示。該系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試與測(cè)試，各項(xiàng)性能優(yōu)良，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、視頻傳輸信號(hào)實(shí)時(shí)穩(wěn)定，門機(jī)整體運(yùn)行平穩(wěn)，整機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)沖擊小，受到業(yè)主的一致好評(píng)。