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【摘 要】坝顶400t/80t/32t门机产于1978年，主要用于乌江渡发电厂启闭进水口机组检修门、左右泄检修门、中孔检修门、栏污栅及坝上机电设备附件，是乌江渡发电厂引水发电系统、泄洪系统检修的重要设备，400t门机于2003年进行过一次控制系统改造至今已连续运行16年，门机电缆已严重老化局部破损较严重，控制系统电气元件老化，故障日益增多，备品备件难以购置，已严重影响到400t门机的正常操作，需进行升级改造。
【关键词】门机;电气控制系统;PLC控制;控制装置;保护;
1 前言
乌江渡发电厂位于贵州省遵义市播州区乌江镇，是乌江流域实施梯级开发兴建的第一座大型水电厂，总设计装机容量1250MW，隶属于中国华电集团有公司下属乌江水电开发有限公司的大型水力发电企业。也是我国在大陆岩溶地区修建的第一座大型水电工程，坝高165米，坝顶全长395.6米，水库面积47.5平方公里，水库总容量21.4亿立方米。400T门机安装在乌江渡发电厂的大坝坝面。
2 工程简介
400t/80t/32t门机主要包括400t主起升机构、400t小车机构、80t起升机构、80t回转机构、32t起升机构、32t回转机构、大车行走机构、进线滑线和自动抓梁系统等。
本次改造主要对400T门机的电气控制系统进行全面的改造。电气部分：更换所有的控制柜及控制器件、联动台、动力电缆和控制电缆、照明控制系统、门机综合监控系统、荷重传感器、手动应急控制装置改造安装等。本文主要介绍电气控制PLC可编程控制在门式起重机控制上的运用，并配备门机综合监测系统对门机的运行情况和深水自动抓梁的运行情况进行实时监控。
3 电气控制方案
3.1 概述
新系统采用单台PLC作为基本配置和灵活的扩展模块，再加上信号检测、操作、报警等设备组成起重机自动控制操作系统。该系统具有如下功能：
①起重机的运行操作与控制;②信号资料的采集和控制;③各种运行信号、保护信号的显示;
④安全制动与工作制动的互换控制;⑤各机构的电动控制;⑥具有自我诊断能力及紧急情况发生时的快速报警，使操作者能监视、控制、记录运行故障⑦有较严格的防误操作系统，当运行人员误操作时拒绝执行，并发出警告信号，最大限度地减少由于误操作给设备造成的损害;
3.2 方案选择
本系统选用SEIMENS S7-1500系列的PLC作为控制核心来实现门机各机构的自动控制，CPU模块可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC，系统配置既固定又灵活。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-32点的灵活输入输出组合，智能化的诊断系统可连续监控系统的运行，多级口令保护可保证系统的安全运行，当控制任务增加时，可随时使用附加模块进行扩展。
3.3 控制方案的实施
3.3.1 PLC控制部分
本系统由1套西门子S7-1500系列PLC及大车PLC控制柜内采用ET200SP采集大车机构信号、1台12寸西门子触摸屏、相关检测元件（电气设备状态反馈等等）、相关执行元件（各机构执行元件）构成监控系统。
门机主起升机构以各种高度限位、电机过载、过流信号、各种保护信号如断路器监视信号及相关接触器反馈点作为控制条件输入PLC，当所有執行条件都满足时，PLC将执行主令控制器的命令，经由PLC数字量模块输出命令到机构的相应执行元件。
门机大车机构以大车限位、电机过流、过载信号、制动器断路器及相关接触器反馈点作为控制条件输入PLC，当所有运行条件都满足时，PLC将执行主令控制器的命令，经由数字量模块输出命令到相应的执行元件。
所有控制条件如限位状况、是否超载、电机是否过载、制动器断路器是否打开、各控制接触器状态都同时在触摸屏上显示，同时各机构运行状态也在联动台上进行信号灯显示。
3.3.2 总电源控制部分
控制部分：电源进线处设置进线隔离开关，正常情况下该隔离开关始终闭合，仅在维修时断开，以保障检修安全;刀闸下面是总电源断路器，总电源断路器内部有一个脱扣线圈，脱扣线圈受安装于主令操作台和总电源控制柜柜门上的红色蘑菇头急停按钮控制，在紧急情况发生时，按下急停按钮，可直接令总电源断路器脱扣，脱扣后需手动复位。在总电源断路器的下端是总电源接触器，该接触器受安装于主令操作台和总电源控制柜柜门上的电源启动、电源停止按钮控制其吸合或断开，在正常情况下，操作人员对电源的控制主要通过它来完成。
保护部分：对于总电源的保护，设计有一个电源检测继电器，通过对总电源的缺相及相序等电源故障进行实时检测，当出现上述电源故障时，该继电器控制接点动作，使总电源接触器断开，从而实现电源保护。
3.3.3 主起升机构
起升机构采用上升五档，下降三档调速。上升时，电机工作在正向电动状态;下降时一档工作在倒拉反接制动状态，二档工作在单相制动状态，三档工作在反向回馈制动状态。起升机构采用转子串电阻切电阻调速，各档之间采用延时切换，以保证平滑调速。
1）起升和下降接触器采用在PLC程序及电气控制回路设置电气联锁回路。
2）起升电机上升时，电机启动后经过短暂的延时，再松开制动器，以保证电机在制动器松开前建立足够的力矩，防止溜钩。
3）制动器控制中设计有制动器接触器状态检测逻辑，防止因制动器接触器出现故障，导致电机堵转或溜钩现象。一旦出现上述故障，PLC将直接控制起升主断路器脱扣。
3.3.4 32T回转应急手动控制装置 应急手动控制装置是作为主操作系统（PLC控制系统）出现问题时，为能维持门机起升机构短时间内的运行的重要方式，并设置有起升和状态转换。
1、主操作系统（PLC控制系统）运行时，将状态转换开关2GK2拨至0位;应急运行时将状态转换开关2GK2拨至1位;
2、应急状态时，应急上升，将起升开关2GK1拨至右方，此时起升机构在上升一速下运行;
3、依次将2GK1拨至2～4档，转速依次增加。停止时拨至0位即可;
4、应急下降时，将2GK1拨至左方。1位是反接制动，2位是单相制动，3位是反向电动。停止回0位即可。
5、操作完毕后，一定要将2GK2拨回0位。
4 TP1200人机智能监控终端——门机综合监测仪
当门机控制系统中出现故障报警时，操作人员可以通过点击门机主监控画面下方的的“实时报警”按钮，此时触摸屏会进入实时报警画面，其中表格记录着当前系统中所有存在的故障报警信息，包括报警产生的日期和时间，并用中文描述故障内容，以方便门机操作维护人员及时排除故障。
4.1 PLC及400T门机信号及触摸屏通讯
门机的信号采集：先将门机的主钩高度信号通过编码器采集后，传输到原400T门机综合监控仪中进行计算处理;将主钩有两个重量传感器采集的重量信号输入到原400T门机综合监控仪中进行放大等处理后，再将门机综合监控仪通过S7-1500通讯模块与PLC：CPU进行通讯，在触摸屏中进行显示。
门机抓梁信号的采集：安装在抓梁机构中的穿销传感器采集穿销的实时数据;就位传感器分别采集就位信号的实时数据;浸水传感器采集浸水信号;这三种信号直接进入到400T门机综合监控仪中计算处理，通过通讯在触摸屏中进行显示。
将主钩的高度、超载等参数控制门机的运行。而抓梁采集抓梁的穿退销信号、就位信号，在触摸屏上实时地显示抓梁穿退销及就位的全过程。
5 电气控制系统安全保护
系统设有以下保护：上下限位保护、上下预限保护、超速保护、超载保护、零位保护、电源电压断相保护、电动机缺相保护、失压保护、装置过热保护、装置过流保护、接地故障保护、瞬时缺电保护等，其故障信号存储在记忆单元中，即使在电源出问题时，也能保存故障信号。保护在动作后，要确保起吊物件安全，不发生溜钩等危险状况。
紧急断电开关：在门机的总控制柜、主司機室和回转吊司机室均设有紧急断电按钮，在紧急情况下，可方便地切断门机总动力及控制电源。此控制按钮信号应送到PLC装置，实现监视及动作记录。
零位保护：在门机的主司机室控制台上的手柄设有零位触点，通过它和PLC内部的联锁关系，达到零位保护的目的。主机构开始运转和失压后恢复供电时，必须先将控制器手柄置于零位后，机构的电动机才能起动。
行程开关和接近开关：在门机的大车运行机构、小车运行机构、主起升机构中均设有行程开关和接近开关。由接近开关和行程开关通过PLC控制各机构动作。在主起升机构中还设有上、下限预限位开关，当吊钩运行到达极限限位前的一定距离时，预限位开关动作，吊钩的运行速度自动减速，减小终点限位时的冲击。
超载限制保护：在主起升机构设置了超载限制器，当载荷达到额定起重量的90%时，能发出提示性报警信号;当载荷达到105%时，延时停机;当载荷达到110%额定起重量时，立即切断起升动力电源，并发出禁止性报警信号。
上升极限位置限制保护：配有主起升机构设置上升极限位置限制器，以保证当吊具起升到极限位置时，自动切断主起升的动力电源，并通过PLC发出报警信号。
下降极限位置限制保护：配有主起升机构设置下降极限位置限制器，以保证当吊具下降到极限位置时，自动切断起升的动力电源，使钢丝绳在卷筒上的缠绕不少于设计所规定的圈数，并通过PLC发出报警信号。
运行极限位置限制保护：门机的大、小车运行机构应设有限位开关，当机构到达其运动的极限位置时，能自动停车。
6 新技术、新工艺
在此次门机电气系统的控制改造中，还将PLC作为控制核心，将门机的各种信号与触摸屏统一规划联动，将触摸屏作为信息反馈及处理终端，进行实时地显示及报警处理。在故障检修方面将使其简单明了，可一目了然地找到故障点从而进行处理。
例如，主钩在上升过程中电机过载保护动作了，以往检修人员必须按照图纸逐个去检查主钩回路的各个元器件，直到找到故障点后才能解决故障，而现在在触摸屏上直观显示：例如“主钩左岸侧电机过载继电器FR11已动作！”，并在联动台上有声光报警！电气检修人员就很容易地找到故障点并做出正确地处理。
7 小结
乌江渡发电厂400T门机新控制系统设备可靠性高，稳定性好，技术较先进，运用可编程控制系统对门机的运行情况和各项运行参数进行了实时监控，从而有力的保证了我厂门机安全稳定运行。
参考文献：
[1]水电站门式起重机（JB6128-92）.赵永华、刘大淮 中国标准出版社.北京.2003.2
[2]实用起重机电气技术手册.裘为章、吴锡忠.机械工业出版社.北京2001.12
[3]CQM1系列可编程控制器使用手册.OMRON公司.上海.2000年
[4]全中文工控组态软件.昆仑通态公司.北京.200
作者简介：
徐松（1984-），男，贵州遵义人，助理工程师，从事水电厂机电设备检修维护工作.
【关键词】门机;电气控制系统;PLC控制;控制装置;保护;
1 前言
乌江渡发电厂位于贵州省遵义市播州区乌江镇，是乌江流域实施梯级开发兴建的第一座大型水电厂，总设计装机容量1250MW，隶属于中国华电集团有公司下属乌江水电开发有限公司的大型水力发电企业。也是我国在大陆岩溶地区修建的第一座大型水电工程，坝高165米，坝顶全长395.6米，水库面积47.5平方公里，水库总容量21.4亿立方米。400T门机安装在乌江渡发电厂的大坝坝面。
2 工程简介
400t/80t/32t门机主要包括400t主起升机构、400t小车机构、80t起升机构、80t回转机构、32t起升机构、32t回转机构、大车行走机构、进线滑线和自动抓梁系统等。
本次改造主要对400T门机的电气控制系统进行全面的改造。电气部分：更换所有的控制柜及控制器件、联动台、动力电缆和控制电缆、照明控制系统、门机综合监控系统、荷重传感器、手动应急控制装置改造安装等。本文主要介绍电气控制PLC可编程控制在门式起重机控制上的运用，并配备门机综合监测系统对门机的运行情况和深水自动抓梁的运行情况进行实时监控。
3 电气控制方案
3.1 概述
新系统采用单台PLC作为基本配置和灵活的扩展模块，再加上信号检测、操作、报警等设备组成起重机自动控制操作系统。该系统具有如下功能：
①起重机的运行操作与控制;②信号资料的采集和控制;③各种运行信号、保护信号的显示;
④安全制动与工作制动的互换控制;⑤各机构的电动控制;⑥具有自我诊断能力及紧急情况发生时的快速报警，使操作者能监视、控制、记录运行故障⑦有较严格的防误操作系统，当运行人员误操作时拒绝执行，并发出警告信号，最大限度地减少由于误操作给设备造成的损害;
3.2 方案选择
本系统选用SEIMENS S7-1500系列的PLC作为控制核心来实现门机各机构的自动控制，CPU模块可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC，系统配置既固定又灵活。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-32点的灵活输入输出组合，智能化的诊断系统可连续监控系统的运行，多级口令保护可保证系统的安全运行，当控制任务增加时，可随时使用附加模块进行扩展。
3.3 控制方案的实施
3.3.1 PLC控制部分
本系统由1套西门子S7-1500系列PLC及大车PLC控制柜内采用ET200SP采集大车机构信号、1台12寸西门子触摸屏、相关检测元件（电气设备状态反馈等等）、相关执行元件（各机构执行元件）构成监控系统。
门机主起升机构以各种高度限位、电机过载、过流信号、各种保护信号如断路器监视信号及相关接触器反馈点作为控制条件输入PLC，当所有執行条件都满足时，PLC将执行主令控制器的命令，经由PLC数字量模块输出命令到机构的相应执行元件。
门机大车机构以大车限位、电机过流、过载信号、制动器断路器及相关接触器反馈点作为控制条件输入PLC，当所有运行条件都满足时，PLC将执行主令控制器的命令，经由数字量模块输出命令到相应的执行元件。
所有控制条件如限位状况、是否超载、电机是否过载、制动器断路器是否打开、各控制接触器状态都同时在触摸屏上显示，同时各机构运行状态也在联动台上进行信号灯显示。
3.3.2 总电源控制部分
控制部分：电源进线处设置进线隔离开关，正常情况下该隔离开关始终闭合，仅在维修时断开，以保障检修安全;刀闸下面是总电源断路器，总电源断路器内部有一个脱扣线圈，脱扣线圈受安装于主令操作台和总电源控制柜柜门上的红色蘑菇头急停按钮控制，在紧急情况发生时，按下急停按钮，可直接令总电源断路器脱扣，脱扣后需手动复位。在总电源断路器的下端是总电源接触器，该接触器受安装于主令操作台和总电源控制柜柜门上的电源启动、电源停止按钮控制其吸合或断开，在正常情况下，操作人员对电源的控制主要通过它来完成。
保护部分：对于总电源的保护，设计有一个电源检测继电器，通过对总电源的缺相及相序等电源故障进行实时检测，当出现上述电源故障时，该继电器控制接点动作，使总电源接触器断开，从而实现电源保护。
3.3.3 主起升机构
起升机构采用上升五档，下降三档调速。上升时，电机工作在正向电动状态;下降时一档工作在倒拉反接制动状态，二档工作在单相制动状态，三档工作在反向回馈制动状态。起升机构采用转子串电阻切电阻调速，各档之间采用延时切换，以保证平滑调速。
1）起升和下降接触器采用在PLC程序及电气控制回路设置电气联锁回路。
2）起升电机上升时，电机启动后经过短暂的延时，再松开制动器，以保证电机在制动器松开前建立足够的力矩，防止溜钩。
3）制动器控制中设计有制动器接触器状态检测逻辑，防止因制动器接触器出现故障，导致电机堵转或溜钩现象。一旦出现上述故障，PLC将直接控制起升主断路器脱扣。
3.3.4 32T回转应急手动控制装置 应急手动控制装置是作为主操作系统（PLC控制系统）出现问题时，为能维持门机起升机构短时间内的运行的重要方式，并设置有起升和状态转换。
1、主操作系统（PLC控制系统）运行时，将状态转换开关2GK2拨至0位;应急运行时将状态转换开关2GK2拨至1位;
2、应急状态时，应急上升，将起升开关2GK1拨至右方，此时起升机构在上升一速下运行;
3、依次将2GK1拨至2～4档，转速依次增加。停止时拨至0位即可;
4、应急下降时，将2GK1拨至左方。1位是反接制动，2位是单相制动，3位是反向电动。停止回0位即可。
5、操作完毕后，一定要将2GK2拨回0位。
4 TP1200人机智能监控终端——门机综合监测仪
当门机控制系统中出现故障报警时，操作人员可以通过点击门机主监控画面下方的的“实时报警”按钮，此时触摸屏会进入实时报警画面，其中表格记录着当前系统中所有存在的故障报警信息，包括报警产生的日期和时间，并用中文描述故障内容，以方便门机操作维护人员及时排除故障。
4.1 PLC及400T门机信号及触摸屏通讯
门机的信号采集：先将门机的主钩高度信号通过编码器采集后，传输到原400T门机综合监控仪中进行计算处理;将主钩有两个重量传感器采集的重量信号输入到原400T门机综合监控仪中进行放大等处理后，再将门机综合监控仪通过S7-1500通讯模块与PLC：CPU进行通讯，在触摸屏中进行显示。
门机抓梁信号的采集：安装在抓梁机构中的穿销传感器采集穿销的实时数据;就位传感器分别采集就位信号的实时数据;浸水传感器采集浸水信号;这三种信号直接进入到400T门机综合监控仪中计算处理，通过通讯在触摸屏中进行显示。
将主钩的高度、超载等参数控制门机的运行。而抓梁采集抓梁的穿退销信号、就位信号，在触摸屏上实时地显示抓梁穿退销及就位的全过程。
5 电气控制系统安全保护
系统设有以下保护：上下限位保护、上下预限保护、超速保护、超载保护、零位保护、电源电压断相保护、电动机缺相保护、失压保护、装置过热保护、装置过流保护、接地故障保护、瞬时缺电保护等，其故障信号存储在记忆单元中，即使在电源出问题时，也能保存故障信号。保护在动作后，要确保起吊物件安全，不发生溜钩等危险状况。
紧急断电开关：在门机的总控制柜、主司機室和回转吊司机室均设有紧急断电按钮，在紧急情况下，可方便地切断门机总动力及控制电源。此控制按钮信号应送到PLC装置，实现监视及动作记录。
零位保护：在门机的主司机室控制台上的手柄设有零位触点，通过它和PLC内部的联锁关系，达到零位保护的目的。主机构开始运转和失压后恢复供电时，必须先将控制器手柄置于零位后，机构的电动机才能起动。
行程开关和接近开关：在门机的大车运行机构、小车运行机构、主起升机构中均设有行程开关和接近开关。由接近开关和行程开关通过PLC控制各机构动作。在主起升机构中还设有上、下限预限位开关，当吊钩运行到达极限限位前的一定距离时，预限位开关动作，吊钩的运行速度自动减速，减小终点限位时的冲击。
超载限制保护：在主起升机构设置了超载限制器，当载荷达到额定起重量的90%时，能发出提示性报警信号;当载荷达到105%时，延时停机;当载荷达到110%额定起重量时，立即切断起升动力电源，并发出禁止性报警信号。
上升极限位置限制保护：配有主起升机构设置上升极限位置限制器，以保证当吊具起升到极限位置时，自动切断主起升的动力电源，并通过PLC发出报警信号。
下降极限位置限制保护：配有主起升机构设置下降极限位置限制器，以保证当吊具下降到极限位置时，自动切断起升的动力电源，使钢丝绳在卷筒上的缠绕不少于设计所规定的圈数，并通过PLC发出报警信号。
运行极限位置限制保护：门机的大、小车运行机构应设有限位开关，当机构到达其运动的极限位置时，能自动停车。
6 新技术、新工艺
在此次门机电气系统的控制改造中，还将PLC作为控制核心，将门机的各种信号与触摸屏统一规划联动，将触摸屏作为信息反馈及处理终端，进行实时地显示及报警处理。在故障检修方面将使其简单明了，可一目了然地找到故障点从而进行处理。
例如，主钩在上升过程中电机过载保护动作了，以往检修人员必须按照图纸逐个去检查主钩回路的各个元器件，直到找到故障点后才能解决故障，而现在在触摸屏上直观显示：例如“主钩左岸侧电机过载继电器FR11已动作！”，并在联动台上有声光报警！电气检修人员就很容易地找到故障点并做出正确地处理。
7 小结
乌江渡发电厂400T门机新控制系统设备可靠性高，稳定性好，技术较先进，运用可编程控制系统对门机的运行情况和各项运行参数进行了实时监控，从而有力的保证了我厂门机安全稳定运行。
参考文献：
[1]水电站门式起重机（JB6128-92）.赵永华、刘大淮 中国标准出版社.北京.2003.2
[2]实用起重机电气技术手册.裘为章、吴锡忠.机械工业出版社.北京2001.12
[3]CQM1系列可编程控制器使用手册.OMRON公司.上海.2000年
[4]全中文工控组态软件.昆仑通态公司.北京.200
作者简介：
徐松（1984-），男，贵州遵义人，助理工程师，从事水电厂机电设备检修维护工作.