1 引言

杭州市第二水源千岛湖配水工程2×630kN双向门机，装于进水口115.80m高程平台上。主要用于启闭和吊运进水口拦污栅、上层分层取水工作闸门、中层分层取水工作闸门、下层分层取水工作闸门；门机自带的抓斗式清污机用于进水口拦污栅处的污物清理。门机由小车、门架结构、大车运行机构、大车电缆卷筒装置、门机轨道及二期埋件、夹轨器、防风锚定装置及埋件、液压自动挂脱梁及存放支架、悬挂10t电动葫芦、承载3t的抓斗式清污机、安全保护装置、防雷接地避雷针装置、风速仪、自动对位装置及传感器装置、电力拖动和控制设备组成。本门机的电气系统采用“PLC+变频调速+触摸屏”控制方式，它具有以下特点：

（1）通过PLC来采集各种信号，运用PLC内部的虚拟触点来实现整机的时序逻辑控制，大大减少控制柜内的中间继电器和时间继电器，从而减少了电气系统的硬件故障，提高了系统控制的可靠性。

（2）各机构电力拖动采用变频调速控制方式，既保证各机构运行平稳可靠，并能准确就位。

（3）完备的安全保护功能。本机除具有电控系统必需的零位保护、短路保护、过电流保护、失压保护、缺相保护、接地保护、限位保护、过载保护、主隔离开关以及断开总电源的紧急开关等常规保护外，还具有荷重保护、起升高

度限制和超速保护等。

（4）在电气设计时，考虑了工地供电质量对设备的影响，控制电源采用专门变压器供电，可防止电源尖峰脉冲对控制回路的影响，亦可防止触电，保护人身安全。

（5）考虑到环境对电气系统的影响，电气设计中各控制柜中加装除湿、加热装置，可以确保设备能在较恶劣环境下长期稳定正常运行。

（6）门机设有视频监视系统，设备操作者在司机室内可以清楚地查看双向门机水上各运行区域内以及水下抓梁部位穿退销的实时状况。

2 电气传动系统的设计

本机的电气系统主要包括供电系统、起升系统、小车行走系统、大车行走系统、液压抓梁及清污抓斗系统、视频监控系统、接地与防雷系统等。

本机的电气控制系统主要由电源大车柜、起升小车柜、PLC柜组成。

2.1 供电系统

供电系统如图1所示，本机供电采用电缆卷筒供电。电源为三相四线AC380V，50HZ；门机的控制部分电源为AC220V，由专用变压器提供。总电源设有隔离刀开关Q100，能切断本机的所有电源，为安全检修提供了一个明显的断开点，并设有断路器QF100，只作短路保护。一般情况下QF100不动作，通过总接触器KM1来合上或断开总电源。QF100中附有分励脱扣线圈，由电源大车柜和司机室联动台上的急停按钮来控制，只有在总接触器因某种原因无法正常切断电源回路的紧急情况下，才偶然使用一下分励脱扣装置。

图1 供电系统图

2.2 起升系统

起升系统如图2所示，起升机构载荷为典型的位能性负载，由一台变频电机YZP280M-8CTH驱动，采用一台ABBACS880系列变频器传动，闭环控制。

图2 起升系统图

图3 小车系统图

（1）速度要求：0.22～2.2m/min。

（2）速度给定：由联动台上主令开关的挡位来决定速度。联动台主令开关正反各四挡，分别为10%、40%、70%、100%额定速度，为恒转矩调速。系统采用主令挡位开关量输入至PLC，经软件处理后，再由PLC输出开关量信号给变频器。速度挡可在变频器内任意设定，以满足不同速度要求。变频器故障时，装置内部输出故障的一对常开常闭触点，以实现故障停车，并报警。

（3）运行与制动：起升机构有两套制动器，其中一套为工作制动器，一套为安全制动器。为确保起升机构的平稳制动，制动时由工作制动器制动；平时正常状态下安全制动器一直打开，只有在电机失速的情况下，安全制动器制动抱闸，确保起升机构安全，速度可控。

2.3 小车行走系统

小车行走系统如图3所示，小车机构由两台变频电机YZPE112M2-4驱动，采用ABB公司的ACS880系列变频器传动，开环控制。

（1）速度要求：0.7～7m/min。

（2）速度给定：由联动台主令来决定速度。前、后各四挡，分别为10%、40%、70%、100%额定速度。系统采用主令挡位开关量输入至PLC，经软件处理后，再由PLC输出开关量信号给变频器。每挡的速度可在变频器内任意设定，以满足不同速度要求。

（3）运行与制动：

各电机均设有过载等保护。变频器故障时，装置内部输出故障的一对常开常闭触点，以实现故障停车，并报警。

2.4 大车行走系统

大车行走系统如图4所示，大车机构由四台变频电机YZPE132S-4驱动，采用ABB公司的ACS880系列变频器传动，开环控制。

（1）速度要求：1.8～18m/min。

（2）调速方式：由联动台主令（将操作权限转向门机）来决定速度。左、右各四挡，分别为10%、40%、70%、100%额定速度。系统采用主令挡位开关量输入至PLC，经软件处理后，再由PLC输出开关量信号给变频器。每挡的速度可在变频器内任意设定，以满足不同速度要求。

（3）运行与制动：本机构设有2个防风锚定装置、2个夹轨器和1个风速仪，当锚定装置和夹轨器打开且风速不超过20米/秒时，大车机构才可以正常启动。

图4 大车系统图

各电机均设有过载等保护。变频器故障时，装置内部输出故障的一对常开常闭触点，以实现故障停车，并报警。

2.5 液压抓梁及清污抓斗系统

液压自动挂脱梁液压系统采用变频电缆卷筒收放缆。电缆收放速度与门机起升速度同步。

穿销工作：当挂脱梁起吊吊耳下降到闸门吊耳上就位后，抓梁到位接近开关接通，安装在联动控制台上的就位指示灯亮。按下穿销按钮→油泵电机工作→穿销电磁阀打开→穿销→穿销到位（穿销到位接近开关通）→穿销停止，同时穿销到位指示灯亮。

退销工作：按下退销按钮→油泵电机工作→退销电磁阀打开→退销→退销到位（退销到位接近开关通）→退销停止，同时退销到位指示灯亮。

联动台设有穿退销停止按钮，如遇穿销、退销到位后，油泵电机和电磁阀没有断电，可以用停止按钮来停止穿、退销动作。

抓梁穿退销的全过程由位移传感器全程检测，可在司机室的触摸屏上显示销轴的实时位置。同时还配备了水下网络摄像头，在司机室能实时显示水下穿退销状态。

清污抓斗系统采用无线遥控器控制，在司机室联动台将操作权限转向清污机，通过遥控器可控制门机左右行走，抓斗升降，以及开斗闭斗。

2.6 视频监控系统

门机设有视频监视系统，在司机室内可以清楚的观看门机上各运行区域内以及水下抓梁部位销轴的穿退销实时状况。网络拓扑图如图5所示。

摄像头通过以太网经过交换机汇总至硬盘录像机储存，并在司机室内的液晶显示屏显示监控画面。小车（1、2）和门腿（1~4）摄像头分别监控小车和大车在轨道上运行时状况；机房摄像头用于监控起升运行时钢丝绳和制动器的工作状况；左右吊点摄像头用于监控抓梁穿退销的工作状况；主钩摄像头可以转动，用于监控起升动滑轮和整个地面工作面的状况。安全监控系统主机仪表可以读取和显示PLC中的离散量、模拟量数据，包括载荷、高度、风速等，储存报警信息，便于维护和监管人员查询门机的历史工作状态。

图5 网络拓扑示意图

2.7 接地与防雷系统

本机设有单独的接地装置，供电端地线接地电阻不大于4Ω，由用户负责。司机室钢结构与整机本体可靠连接，保护本机上钢结构的任何一点接地电阻均不大于4Ω。本机还设有避雷针，可有效保护人身及门机电子设备免受雷击损害。

3  电气系统控制部分的设计

3.1 硬件设计

门机电气控制系统采用南大傲拓NA400PLC，具体硬件配置如下图6所示。

图6 PLC控制系统图

整个PLC控制系统由两个电源模块（冗余），一个CPU401、四个数字量输入模块DIM401、两个数字量输出模块DOM401和一个模拟量输入模块AIM401组成。其中CPU为中央处理器，处理各种信息。数字量输入主要用来接收各机构运行和故障状态开关量信号以及联动台的操作命令信号；数字量输出主要输出各机构控制命令，以完成各机构正确地启动、运行、制动；而模拟量输入主要用来接收仪表和全行程检测的电流信号。所有这些信号经PLC又可传递给司机室触摸屏和安全监控系统主机仪表，以便司机随时掌握整机的工作状态，也为维修人员捕捉故障信息打下基础。

3.2 软件开发

由于本系统采用了南大傲拓NA400系列产品，因而门机PLC需在NAPro编程软件环境下编程，NAPro编程软件是NA400PLC的重要组成部分，是NA400PLC的集成开发环境，包括编辑器、编译器、调试器、仿真器和图形用户界面工具，主要完成硬件配置、测点组态、软件编程、仿真、调试及下载工作。该编程软件为工程技术人员提供了一套简单实用的软件编程和联机调试工具。同时通过MCGS组态软件对昆仑通态触摸屏进行编程，以便对整个门机各机构的运行状态及故障信息实时监控与处理，具体控制程序编制如图7所示。

图 7 程序控制流程图

4 系统调试（起升）

为防止溜钩现象的出现，起升构作为位能性负载采用了针对起重机械应用的ACS880变频器，即ACS880变频器的N5050起重机的应用控制程序选件。而大小车行走作为平移性负载，就采用了通用变频器ACS880，其调试比较简单，在此不再叙述。本文主要以起升为例进行说明，在首次启动调试时，需要变频器对电机进行辨识，具体步骤如下：

1）将变频器切回本地模式（按LOC/REM建，左上角显示本地）。

2）电机辨识

先将44.202转矩验证改成Disable

99.03=异步电机

99.04=DTC

99.06=电机额定电流

99.07=电机额定电压

99.08=电机额定频率

99.09=电机额定转速

99.10=电机额定功率

99.13=标准辨识（必须把电机和减速机之间的联轴器拆掉）

按启动，电机会旋转，大概2分钟左右自动停下来，会显示辨识完成。

3）闭环设置

(1)  设置编码器模块参数：

91.11=4

91.12=指定编码器模块所在的槽号

设置完成后，91.10务必刷新。

(2) 设置编码器参数：

92.01=5

92.10=1024

92.21=AB

面板启动电机，观察01.02和01.04，这两个数字时时相等以后，再把90.41设成编码器1。

4）设置以下参数表

图 8 2×630kN 双向门机

结束语

千岛湖配水工程2×630kN双向门机现场使用情况如图8所示。该系统经调试与测试，各项性能优良，系统工作稳定、视频传输信号实时稳定，门机整体运行平稳，整机启动、制动冲击小，受到业主的一致好评。