1引言

　　马里古伊娜水电站位于马里西部，巴富拉贝(Bafoulabé)与卡伊(Kayes)两城市之间的塞内加尔河流上，为径流式电站。厂房进水口设置2000 k N/ 2 ×30 k N双向门机1 台，安装在坝顶El.80.00m高程，门机主起升机构用于厂房进水口拦污栅、检修闸门的启闭及检修吊运、事故闸门和液压启闭机的检修吊运，配置两套液压自动抓梁。副起升机构用于拦污栅清污工作，配置液压耙斗一套。门机主要由大车轨道、起升机构、耙斗机构、机房、门架、小车运行机构、大车运行机构、抓梁装置、夹轨器、缓冲器、电气系统等组成。

　　本机的电气系统采用目前国际上先进的“PLC+ 变频调速+HMI”控制方式，它具有以下优良特性：

　　(1) 逻辑控制系统采用西门子PLC，HMI采用西门子触摸屏，可实时监视清污机的工作情况;

　　(2) 电气传动系统采用ABB变频调速，具有完善的自诊断系统，可实现各种故障自诊断及显示报警功能，各机构启、制动平稳，控制性能极佳;

　　(3)主要低压电气元件采用施耐德产品，能适应湿热的工作环境条件;

　　(4)电控系统具有完备的安全保护功能，具有必需的短路、过流、过热和过载、欠流、欠压保护、限位及起升机构超速保护等;

(5) 在电源引入端安装了浪涌保护器，可以有效地保护电气设备，避免雷击对电气设备的损坏;

　　(6) 增加了照明变压器和控制变压器作为隔离措施，有效防止供电质量对设备的影响，同时防止了漏电引起的触电危险;

　　(7) 各控制柜中均设置一套除湿加热自动控制系统，设有手动/自动控制，可有效防止潮湿环境对电气设备的影响。

　　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、主、副起升电气传动系统、小车电气传动系统、大车电气传动系统、液压抓梁、液压耙斗控制系统、门机的操作控制系统、门机信号检测装置、照明系统及接地、防雷保护等几个部分组成。

　　2.1 供电系统

　　本门机供电系统如图1所示，采用电缆卷筒供电， 电源为三相四线制AC415V/240V 。电缆卷筒位于门架上， 通过电动机驱动， 可以根据电缆的重量自动调整张力，在大车运行时保证电缆不被拉断。电缆卷筒电动机的电压是AC415V， 如果电动机出现故障，可以手动卷绕电缆。有单独的导缆架，保证收放电缆时不会损坏电缆。大车运行时，电缆卷筒内部的磁滞式联轴器，将根据大车的行走速度、卷径、电缆拉力的变化， 自动调整输出速度，保证电缆的收放速度和大车的行走速度同步。

图 1 供电系统图 

图 2 主起升系统图 

图 3 副起升系统图 

图 4 小车系统图

　　总电源设有主隔离刀开关Q100，能切断门机的所有电源，为安全检修提供了一个明显的断开点，并设有总断路器QF100 作短路保护，一般情况下总断路器QF100 不动作，由主接触器KM1来开合动力回路。QF100 中附有分励脱扣线圈，由司机室联动台上的急停按钮、电源控制柜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。

　　门机控制电源由单独的控制变压器提供AC 240V电源，控制变压器的原端和副端均设有断路器保护。电源控制回路设有启/停按钮、钥匙开关、紧急停车按钮、各种门限位与相序保护继电器的触点。

　　2.2主副起升电气传动系统

　　(1)主起升系统

　　主起升电气传动系统如图2所示，主起升机构载荷为位能负载，由一台YZP 315M1- 8C- TH 90kW 变频电机驱动，采用一台ABB公司DTC控制的ACS880 -01 - 246A-3变频器传动，闭环控制，调速范围为1:10。起升机构具有各种故障自诊断及显示报警功能。包括瞬时过电流保护(变频器内含过电流检测的传感器)，瞬时断电失压保护(变频器内含电压检测的传感器)，接地保护、冷却风机异常(PLC)、超频(超速)保护(变频器和超速开关)、缺相(变频器和相序继电器)、控制器零位保护(PLC)、超载保护(重量限制器)等等。

　　①速度指标：

　　起升速度为0.2m/min～2m/min。

　　②调速方式：

　　司机室联动台主令开关的位置来决定速度，上升、下降各四个挡位。主令开关信号经PLC处理后输出给变频器，每挡速度可以根据需求在变频器内部进行设定，调速方式为恒转矩调速。

　　③运行与保护：变频器装置内部检测到故障时，输出故障控制信号，以实现故障停车，并报警。

　　(2)副起升系统

　　副起升电气传动系统如图3所示，副起升机构载荷为位能负载，由两台YZP180 L-8 C-TH 11 k W 变频电机驱动，两台电机分别采用一台ABB公司DTC控制的ACS880-01-038A-3变频器传动，闭环控制，调速范围为1:20。两套传动系统之间采用主从控制方式，在刚性连接保证两吊点速度同步的同时确保两电机的出力平衡。起升机构具有各种故障自诊断及显示报警功能。包括瞬时过电流保护(变频器内含过电流检测的传感器)，瞬时断电失压保护(变频器内含电压检测的传感器)，接地保护、冷却风机异常(PLC)、超频(超速)保护(变频器和超速开关)、缺相(变频器和相序继电器)、控制器零位保护(PLC)、超载保护(重量限制器)等等。

　　①速度指标：

　　轻载(≤2×40kN) 起升速度为0.5m/min~10m/ min;

　　重载(>2 ×40 k N) 起升速度为0 .5 m/ min~5 m/ min。

　　②调速方式：

　　司机室联动台主令开关的位置来决定速度，上升、下降各四个挡位。主令开关信号经PLC处理后输出给变频器，每挡速度可以根据需求在变频器内部进行设定，调速方式为恒转矩和恒功率调速。

　　③运行与保护：变频器装置内部检测到故障时，输出故障控制信号，以实现故障停车，并报警。

　　2.3 小车电气传动系统

　　小车电气传动系统如图4所示，小车机构由两台YZPFE 112M1- 4- TH 3. 0kW变频电机驱动，采用具有DTC控制技术的ACS880-01-025A-3变频器驱动，开环控制。

　　运行速度：0.5m/min-5m/min，采用主令控制器控制，前后行走各四个挡位。启动、停止和各挡速度过渡平稳无冲击。

　　2.4大车运行系统

　　大车运行系统如图5所示，大车机构载荷为典型的位移性负载， 由八台三合一减速器驱动， 变频电机功率为YZPFE112M1-4-TH 4KW电机驱动，采用ABB公司最新推出的ACS880系列变频器ACS880-01-087A- 3传动， 开环控制。

　　运行速度：2m/min-20m/min，采用主令控制器控制，左右行走各四个挡位。启动、停止和各挡速度过渡平稳无冲击。

　　2.5 液压抓梁、液压耙斗控制系统

　　液压自动挂脱梁液压系统供电及信号检测采用磁力耦合式电缆卷筒。电缆收放速度与门机起升速度同步。

　　液压自动挂脱梁穿销、退销由安装在液压泵站中的油泵电机和电磁换向阀实现。检测信号由6个接近开关实现，分布在梁上各个部位。其中2个为对位到位信号，2个为穿销到位信号，2个为退销到位信号。

　　穿销回路和退销回路中串有停止按钮，可在任意情况下人为停止穿、退销过程。

　　液压耙斗系统供电及信号检测采用磁力耦合式电缆卷筒。电缆收放速度与门机起升速度同步。

　　液压耙斗系统开斗、闭斗由液压泵站中的油泵电机和电磁换向阀实现。开斗、闭斗的信号检测由接近开关实现，在开斗闭斗回路中串有停止按钮，可在任意情况下人为停止开斗闭斗过程。

　　2.6 本机的操作系统

　　所有的控制都是由驾驶室的联动控制台控制的，左侧可以控制电源、副起升机构和小车运行机构，右侧可以控制主起升机构和大车运行机构。主副起升和大小车机构均不能同时工作。

　　2.7信号检测及安全装置

　　(1)载荷限制：本机设有载荷限制器，当吊点荷载达到90%的额定载荷时，发出灯光和音响报警信号;当荷载达到110%的额定载荷时自动发出灯光和音响报警信号并立即切断起升机构的电源 。

　　(2)高度检测：本机设有绝对值编码器，可检测耙斗的位置，断电后耙斗的位置数据不变。

　　图 5 大车运行系统图

　　图 6 PLC 控制系统图

　　(3)高度限制器：起升机构设有机械式限位开关。当起升机构到达上、下极限位置时，能自动切断相应方向的电源，机构停止运行，与高度仪构成机电双重保护。

　　(4)行走机构设有限位开关，当开关触碰到减速撞尺时，行走速度自动减为慢速档，当限位开关触碰到极限撞尺时，行走机构立即停止。行走机构运行时会发出声、光报警信号。

　　(5)所有电控柜内均设有除湿加热器。

　　(6)耙斗过载保护：耙斗油泵电机设置了过载保护，以限制耙斗开闭过载。

　　(7)本机设有风速仪，能自动对门机实施保护动作并夹紧夹轨器。

　　2.8信号指示

　　电控柜设有控制电源指示、总电源指示、耙斗限位等指示。载荷保护和起升高度在综合仪上显示;触摸屏上显示门机各种保护信号及故障记录。

　　2.9照明与接地

　　在门机上装有门架照明，扶梯照明和机房照明。照明电路是单独设置的独立系统，不受门机电源总开关的影响。控制柜内设有照明和电源插座。

　　本机设有单独的接地线，通过电缆卷筒与供电点的接地网相接。接地另一条通路是整机钢结构通过轨道接地， 要求门机轨道或接地网接地电阻不大于4Ώ。

　　本机电源进线设有浪涌保护器，可以有效防止雷电从电源线进入，伤害电子设备。

　　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西门子系列PLC，具体硬件配置如图6所示。

　　整个PLC控制系统由主站CPU模块1215C扩展三个数字量输入输出模块SM1223 、一个数字量输入模块SM1221和一个模拟量输入模块SM1231，从站分布式I/O模块IM155-6PN扩展3个数字量输入模块和两个数字量输出模块。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遥控器的操作命令信号;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。主从之间采用Profinet通讯，起升机构高度编码器含Profinet总线结构，可将高度数据传入PLC中，所有这些信号经PLC 又可传递给司机室触摸屏，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

　　由于本系统采用了西门子1200系列P LC产品，因而PLC需在博图软件环境下编程。TIA 博途 (Totally Integrated Automation Portal) 软件为全集成自动化的实现提供了统一的工程平台，是软件开发领域的一个里程碑，是工业领域第一个带有“组态设计环境”的自动化软件。TIA 博途V16 软件架构主要包含：SIMATIC STEP

　　7 V 16 、SIMATIC Win CC V 16 、Star tDrive V 16 、Scout TIA V5.3 SP1 及全新数字化软件。同时通过博图组态软件对西门子触摸屏进行编程，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 程序流程控制图

　　4 系统调试(主起升)

　　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。而大车运行作为平移性负载，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 3 =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)设置参数，如表1所示。

　　5 结束语

　　马里古伊那水电站进水口2000kN/2X30kN双向门机现场如图8所示。该系统经调试与测试，运行稳定、可靠, 自动定位准确，并具有数据记忆功能，人机界面的加入又使整机电控系统的智能化程度提高，变频传动系统使整机启制动平稳冲击小，为国内门机电控系统设计进入国际先进行列抛砖引玉、打下基础。

图 8 马里古伊娜水电站进水口 2000kN/2X30kN 双向门式启闭机

作者：杭州定川信息技术有限公司 潘震 黄康康　水利部杭州机械设计研究所 龚平