馬志明，趙占敏，劉勝利，陳建民

（故縣水利樞紐管理局，河南 洛寧 471715）

0 引言

故縣水利樞紐位于河南省洛寧縣，是國(guó)家“七五”重點(diǎn)建設(shè)工程，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖、供水等功能的綜合性國(guó)家大型水利樞紐工程，是黃河中下游防洪體系的重要配套工程之一。 該樞紐200 t 雙向門式起重機(jī)為四川夾江水工機(jī)械廠20 世紀(jì)80 年代的產(chǎn)品，主要用于啟閉泄洪底孔事故檢修門、電站三孔進(jìn)水口檢修門、攔污柵及對(duì)壩頂設(shè)備進(jìn)行檢修吊裝等，是對(duì)樞紐引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪系統(tǒng)進(jìn)行檢修的重要設(shè)備，直接關(guān)系故縣水利樞紐能否正常泄洪和發(fā)電。 由于該設(shè)備運(yùn)行已有20 年之久，電氣部分經(jīng)常出現(xiàn)故障，不能滿足工作要求，故需對(duì)其進(jìn)行改造。

1 故縣水利樞紐200t門式起重機(jī)的運(yùn)行原理

故縣水利樞紐200 t 門式起重機(jī)主要包括200 t主起升機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)、上下游30 t 起升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、大車行走機(jī)構(gòu)和自動(dòng)抓梁系統(tǒng)等。 其中，主起升機(jī)構(gòu)采用兩臺(tái)55 kW 繞線式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)均采用轉(zhuǎn)子串電阻切換四擋電阻調(diào)速，各擋之間通過(guò)時(shí)間繼電器延時(shí)切換。 現(xiàn)以主起升機(jī)構(gòu)為例，對(duì)該起重機(jī)的運(yùn)行原理進(jìn)行分析。

1.1 起升機(jī)構(gòu)上升

起升機(jī)構(gòu)采用上升切換四擋電阻器調(diào)速。 上升時(shí)，先串入全部電阻，然后電動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，延時(shí)0.2 s 后，再切除第一級(jí)電阻。 這樣，輕載時(shí)可減少?zèng)_擊，重載時(shí)起到拉緊鋼絲繩的作用。

起升主令采用上升三擋。 主令置入第一擋時(shí)，切除第一級(jí)電阻；主令置入第二擋時(shí)，切除第二級(jí)電阻；主令置入第三擋時(shí)，切除第三級(jí)電阻，經(jīng)延時(shí)后，切除第四級(jí)電阻。

1.2 起升制動(dòng)控制

啟動(dòng)時(shí)，為減小溜鉤現(xiàn)象，電機(jī)通電后應(yīng)稍延時(shí)，再打開制動(dòng)器。停車時(shí)，手柄回零后，制動(dòng)器先落下制動(dòng)，延時(shí)0.3 s 后，電機(jī)再斷電。

1.3 起升機(jī)構(gòu)下降

起升機(jī)構(gòu)的下降動(dòng)作采用反接制動(dòng)、單相制動(dòng)、回饋制動(dòng)3 種運(yùn)行方式。 下降主令也采用三擋調(diào)速。 當(dāng)下降主令置入第一擋時(shí)，起升電動(dòng)機(jī)不工作。當(dāng)下降主令置入第二擋時(shí)，切除第一級(jí)電阻，起升電動(dòng)機(jī)在單向制動(dòng)狀態(tài)工作。 下降主令手柄不能在此擋長(zhǎng)時(shí)間停留，以免電動(dòng)機(jī)定子電流過(guò)大而燒毀電動(dòng)機(jī)。 當(dāng)下降主令置入第三擋時(shí)，電動(dòng)機(jī)在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)工作。 這時(shí)，調(diào)速電阻器經(jīng)延時(shí)后逐級(jí)切除四級(jí)電阻。 在下降主令從下降三擋回位到零位檔過(guò)程中，當(dāng)主令手柄在下降第二擋時(shí)，起升電動(dòng)機(jī)在單向制動(dòng)狀態(tài)工作；當(dāng)下降主令回到一擋時(shí)，起升電動(dòng)機(jī)在正轉(zhuǎn)狀態(tài)工作，起升制動(dòng)器此時(shí)繼續(xù)打開；下降主令回到零位時(shí)，起升制動(dòng)器落下制動(dòng)，起升電動(dòng)機(jī)經(jīng)短時(shí)延時(shí)正轉(zhuǎn)后停止[1]。

2 故縣水利樞紐200t門式起重機(jī)原狀

2.1 起重機(jī)電氣元件改造前的狀況

改造前，門式起重機(jī)電氣元件采用繼電器-接觸器線路控制，過(guò)流元件使用硅油繼電器。 在運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)接觸器主觸頭熔焊、機(jī)械卡阻及動(dòng)作不到位等現(xiàn)象，部分輔助觸點(diǎn)接觸不良，以至于故障不斷。 另外，由于部分元器件已屬淘汰產(chǎn)品，維護(hù)所需的備品配件很難購(gòu)置。

2.2 起重機(jī)自動(dòng)抓梁系統(tǒng)狀況

液壓自動(dòng)抓梁是連接起重機(jī)和閘門的液壓機(jī)構(gòu)，主要作用是在水下提升閘門。 自動(dòng)抓梁能否準(zhǔn)確就位，將直接影響水下穿退銷的可靠性和閘門的啟閉。 所以，自動(dòng)抓梁的液壓控制部分能否正常、可靠地工作顯得尤其重要。 改造前，液壓抓梁信號(hào)部分采用干簧管傳遞。 由于受到潮濕進(jìn)水等情況的干擾，自動(dòng)抓梁系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中多次出現(xiàn)就位及穿、退銷動(dòng)作不到位狀況，而且無(wú)法動(dòng)態(tài)顯示，致使操作人員無(wú)法判斷抓梁銷軸是否與閘門連接，不敢貿(mào)然提升閘門。 這影響到門機(jī)正常的運(yùn)行和檢修工作，給故縣水利樞紐防汛的安全運(yùn)行留下隱患[2]。

3 門式起重機(jī)改造內(nèi)容及改造后的性能分析

3.1 改造內(nèi)容

故縣水利樞紐200 t 門式起重機(jī)改造內(nèi)容包括：更換全部電源控制柜，主起升控制柜，大車行走控制柜，附加控制柜，上、下游回轉(zhuǎn)和起升控制柜，門機(jī)壩面總電源操作柜，主鉤調(diào)速電阻器，上、下游起升電阻器，上、下游回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電阻器，大車調(diào)速電阻器，小車電阻器。增加PLC 控制柜，用于二次控制邏輯部分。 主回路調(diào)速控制仍采用傳統(tǒng)的電阻調(diào)速控制方式。 在抓梁部分，運(yùn)用門機(jī)綜合監(jiān)測(cè)儀，通過(guò)觸摸屏顯示銷軸狀態(tài)，一目了然，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

3.2 設(shè)備改造后的性能

3.2.1 自動(dòng)控制性能

本次設(shè)備改造以西門子S7-PLC（下位機(jī)）為控制核心，門機(jī)綜合監(jiān)測(cè)儀（上位機(jī)）為監(jiān)視終端、總線通訊的多層網(wǎng)絡(luò)體系。 新系統(tǒng)采用兩套德國(guó)西門子公司S7-200 系列可編程控制器對(duì)門機(jī)的各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制（各機(jī)構(gòu)的二次控制邏輯通過(guò)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)）。 可編程控制器作為控制核心，輸入部分采集主令控制器的輸出狀態(tài)、聯(lián)動(dòng)臺(tái)控制器件及各控制執(zhí)行器件的反饋信號(hào)，輸出的控制信號(hào)對(duì)各控制執(zhí)行器件進(jìn)行控制。 核心的CPU 控制所需的邏輯運(yùn)算，并通過(guò)PLC 與觸摸屏之間的通訊，顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。 觸摸屏是主起升機(jī)構(gòu)及大車、小車、主鉤抓梁等整個(gè)控制系統(tǒng)的操作顯示終端。 在觸摸屏上，顯示著系統(tǒng)工作過(guò)程中的電壓、電流、荷重、限位狀態(tài)、高度、液壓抓梁的狀態(tài)，同時(shí)監(jiān)控著系統(tǒng)工作過(guò)程中出現(xiàn)的各種故障和狀態(tài)變化， 如接觸器故障、限位開關(guān)動(dòng)作等等。 操作人員還可以通過(guò)觸摸按鍵與觸摸屏進(jìn)行一些交互性操作，如確認(rèn)故障并報(bào)警、翻查故障記錄等[3]。

3.2.2 保護(hù)功能

（1）采用PLC 控制后，門式起重機(jī)的一些保護(hù)功能（如上下限位保護(hù)、上下極限限位保護(hù)、超載保護(hù)、零位保護(hù)、電源相序及斷相保護(hù)、失壓保護(hù)、回路過(guò)熱保護(hù)、回路過(guò)流保護(hù)、保護(hù)接地等）得到了完善。（2）增設(shè)了緊急斷電開關(guān)。起重機(jī)的總控制柜和3 個(gè)司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)上均設(shè)有蘑菇頭形狀的緊急斷電按鈕。（3）零位保護(hù)。在起重機(jī)的3 個(gè)司機(jī)室聯(lián)動(dòng)控制臺(tái)上的主令手柄設(shè)有零位觸點(diǎn)。 當(dāng)操縱桿由零位到任意位置時(shí)，如此時(shí)短暫斷電后再通電，相應(yīng)機(jī)構(gòu)不會(huì)運(yùn)行，必須將操縱桿拉回到零位后再操作，相應(yīng)機(jī)構(gòu)才會(huì)運(yùn)行。 這樣可以防止操作手柄未自動(dòng)復(fù)位引起誤動(dòng)作。（4）連鎖保護(hù)裝置。起重機(jī)的3 個(gè)司機(jī)室門都設(shè)有連鎖保護(hù)裝置，如果司機(jī)進(jìn)入操作室未關(guān)閉室門，則無(wú)法啟動(dòng)電源、操作起重機(jī)。 另外，主鉤與上、下游起升機(jī)構(gòu)互相連鎖，上、下游回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與小車機(jī)構(gòu)互相連鎖。 設(shè)置連鎖保護(hù)裝置可以保證操作機(jī)構(gòu)有序運(yùn)行，防止機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作。

3.2.3 安全信號(hào)報(bào)警監(jiān)測(cè)

（1）荷重監(jiān)測(cè)及超載保護(hù)。 通過(guò)安裝于主起升定滑輪座下的荷重傳感器，將荷載信號(hào)采集起來(lái)，上傳至綜合監(jiān)測(cè)儀，進(jìn)行處理，并提供超載自動(dòng)報(bào)警、控制切斷電源功能， 保護(hù)起重機(jī)構(gòu)不能超負(fù)荷運(yùn)行。

（2）起升高度監(jiān)測(cè)及上、下限位保護(hù)。 通過(guò)安裝于主起升卷筒輸出軸的絕對(duì)值型光電編碼器，將高度信號(hào)采集起來(lái)，并上傳至門機(jī)綜合監(jiān)測(cè)儀處理，同時(shí)提供超高度上、下限自動(dòng)報(bào)警功能，控制門機(jī)不能越行程運(yùn)動(dòng)。

3.2.4 自動(dòng)抓梁監(jiān)測(cè)

改造后的抓梁液壓泵站由電動(dòng)機(jī)、油泵、油箱、濾油器、液壓控制閥組合而成，是一種集機(jī)、電、液為一體的新型機(jī)械。 其工作原理是，電機(jī)作為動(dòng)力源，帶動(dòng)雙向油泵輸出壓力油，通過(guò)油路集成塊等元件驅(qū)動(dòng)穿、退銷動(dòng)作。 電動(dòng)機(jī)、油泵、液壓控制閥裝在同一軸線上， 只需接通電動(dòng)機(jī)的控制電源，即可實(shí)現(xiàn)穿、退銷動(dòng)作。 液壓控制閥組合由溢流閥、調(diào)速閥、液壓?jiǎn)蜗蜷y等組成。 穿、退銷的動(dòng)作由電動(dòng)機(jī)正反旋轉(zhuǎn)控制，具有動(dòng)作靈活、行程控制準(zhǔn)確和過(guò)載保護(hù)等性能。 當(dāng)運(yùn)行受阻時(shí)，油路中壓力增高到設(shè)定的限額，溢流閥迅速而準(zhǔn)確地溢流，實(shí)行過(guò)載保護(hù)，電機(jī)在額定值內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，（不會(huì)燒毀。 當(dāng)電機(jī)停止時(shí)，活塞桿則鎖定在此位置上，處于保壓狀態(tài)。 抓梁采用穿銷同步位移傳感器（全過(guò)程監(jiān)測(cè)）、抓梁就位檢測(cè)傳感器（全過(guò)程監(jiān)測(cè)）傳遞信號(hào)。 傳遞的信號(hào)經(jīng)綜合監(jiān)測(cè)儀處理后，傳遞給PLC。 這樣，銷軸的運(yùn)動(dòng)狀況顯示在司機(jī)室的顯示屏上，抓梁銷軸穿、退到位后，自動(dòng)停止運(yùn)行，并發(fā)出信號(hào)。 此控制方式動(dòng)作靈活，行程控制準(zhǔn)確。

4 結(jié)語(yǔ)

改造后的200 t 門式起重機(jī)控制系統(tǒng)整體操控運(yùn)轉(zhuǎn)靈活、安全可靠，各種保護(hù)及制動(dòng)裝置動(dòng)作準(zhǔn)確。 起升機(jī)構(gòu)滿足了閘門全開、全關(guān)、平壓充水的要求，從而保證了防汛設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。 但是，本次設(shè)備改造電動(dòng)機(jī)調(diào)速部分仍采用轉(zhuǎn)子串電阻方式運(yùn)行，調(diào)速時(shí)能量消耗在電阻上，屬于有級(jí)調(diào)速，調(diào)速性能有待改進(jìn)。在以后的改造中，如能采用變頻器控制電動(dòng)機(jī)的速度，則200 t 門式起重機(jī)的運(yùn)行速度將得到更大的提升，閘門啟閉時(shí)間將大大縮短。

[1] 裘為章，吳錫忠. 實(shí)用起重機(jī)電氣技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：365-367.

[2] 趙永華，劉大淮. 水電站門式起重機(jī)（JB6128-92）[M]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003：16-19.

[3] 西門子股份公司. 西門子系列可編程控制器使用手冊(cè)[EB/OL]. [2013 -01 -20]http://fs.gongkong.com/uploadfile/datum/201108/2011081918452400001.pdf.