啟閉機(jī)在水電站的運(yùn)用

摘要：啟閉機(jī)作為常規(guī)起重設(shè)備，廣泛用于水電站的施工及閘門的啟閉運(yùn)行，工況由電站運(yùn)行要求及閘門重量確定。啟閉機(jī)部件由機(jī)座、鋼繩卷筒、定滑輪、動(dòng)滑輪組（俗稱吊頭）、制動(dòng)器、電源控制柜、電阻柜等組成，保護(hù)裝置有機(jī)械高度限位器、電子高度限位器、荷重傳感器，電控部位由PLC控制回路、電機(jī)過流保護(hù)裝置、過載保護(hù)回路、過壓和欠壓保護(hù)控制回路及主電動(dòng)機(jī)的電阻降壓啟動(dòng)組成，有條件的水電站還配置有攝像頭監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制。

關(guān)鍵詞：啟閉機(jī)；水電站；高度限位器；荷重傳感器；電流型變頻器

中圖分類號：TV664 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1009-2374（2013）01-0043-04

1啟閉機(jī)的外部結(jié)構(gòu)

啟閉機(jī)架多采用分體制作，通常機(jī)架一分為二。腹板對穿，以螺栓連接?，F(xiàn)場安裝，做機(jī)架吊點(diǎn)，橫、縱向中心線。調(diào)平機(jī)架四角預(yù)埋板，讓預(yù)埋板與機(jī)架可靠焊接且達(dá)到設(shè)計(jì)高程。機(jī)架在預(yù)埋板處拼裝。連接板先帶兩螺栓，定位孔打過眼沖，螺栓孔全部對位，裝螺栓并用扭力扳手緊固。機(jī)架拼接好后，使機(jī)架吊點(diǎn)中心線與預(yù)埋板吊點(diǎn)中心線吻合，檢查機(jī)座金加工面的水平，點(diǎn)焊固定機(jī)架，進(jìn)行鋼繩卷筒安裝。

2啟閉機(jī)的運(yùn)行工況

啟閉機(jī)有單吊點(diǎn)、雙吊點(diǎn)兩類。多用于水電站閘門的啟閉，而電站閘門長期工作于水下，在操作上有許多不確定因素，使用時(shí)有一定難度。操作不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果并發(fā)生重大安全事故。

有的電站起升高度大，采用鋼繩的多層疊繞，易出現(xiàn)吊頭安全距離過小及鋼繩在最高限位處的鋼繩夾角過大的設(shè)計(jì)疏漏；多層疊繞卷筒，鋼繩沿著導(dǎo)槽自行并繞，鋼繩繞完第一層導(dǎo)槽后，第二、三層鋼繩會(huì)在起頭部位發(fā)生鋼繩跳繞。原因是吊頭鋼繩夾角過大，繩槽繞力小于鋼繩夾角張力，導(dǎo)致高度上限功能失效，卷筒卷不下跳繞多出的鋼繩長度，閘門被迫長期吊在空中，容易發(fā)生事故。

解決方案計(jì)算出繩槽滑動(dòng)力與鋼繩夾角力大小，減小層間疊繞鋼繩夾角，滿足高程工況，可增大卷筒直徑，縮短卷筒長度。雙吊點(diǎn)啟閉機(jī)有兩個(gè)獨(dú)立卷筒，直徑必須相等，不等就會(huì)導(dǎo)致被吊閘門發(fā)生傾斜，在起升過程中產(chǎn)生卡阻，發(fā)生事故。

啟閉機(jī)的減速箱，機(jī)座的加工，嚴(yán)控尺寸，卷筒、減速箱安裝水平、齒聯(lián)結(jié)咬合面90%以上。無頂齒、空車試轉(zhuǎn)無擦傷或刮痕。減速箱與電機(jī)為制動(dòng)輪聯(lián)結(jié)。電機(jī)側(cè)制動(dòng)輪與減速箱水平及同軸一致。聯(lián)結(jié)部四周間隙相等，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

閘門200t以上設(shè)計(jì)多采用雙制動(dòng)器，減速箱與電機(jī)聯(lián)結(jié)為一級制動(dòng)，減速箱另一側(cè)為二級制動(dòng)。工作原理，一級制動(dòng)與電機(jī)同步，二級制動(dòng)比一級制動(dòng)慢1～2s，由PLC編程延時(shí)控制。目的是保證閘門空中停止后，再啟動(dòng)不溜溝和防飛車的功能，減少制動(dòng)器的瓦片磨損。大噸位啟閉機(jī)，減速箱傳動(dòng)齒較大，箱底的潤滑油不易被齒輪帶到上部齒面。解決方法是在減速箱底外部加一潤滑泵，通過細(xì)導(dǎo)管淋在上部齒輪處，齒輪的硬度值大致相等。減速箱就會(huì)有較長的使用壽命。

啟閉機(jī)多采用獨(dú)立電源供電，百米左右的距離，電壓降是必須考慮的條件。電源直徑的平方大小等于電機(jī)的額定功率之和乘以啟閉機(jī)同時(shí)運(yùn)行臺(tái)數(shù)加上線路損耗之和，直觀判斷電源直徑是否滿足。滿負(fù)荷連續(xù)工作數(shù)小時(shí)，電源線無發(fā)熱是滿足工況的最低條件。啟閉機(jī)起升電機(jī)采用MZR電機(jī)，空車運(yùn)行30min觀察電機(jī)碳刷與整流子接觸面，磨合面達(dá)到70%以上，可進(jìn)行負(fù)載運(yùn)行，達(dá)不到時(shí)就須取下碳刷在半圓弧面進(jìn)行研磨，直到滿足要求。

電機(jī)采用過流保護(hù)，加裝過流繼電器，電機(jī)產(chǎn)生高溫會(huì)自動(dòng)脫開電機(jī)電源，保護(hù)電機(jī)不被燒壞?？刂苹芈?，缺相保護(hù)繼電器，控制主升電機(jī)接觸器，電源缺相時(shí)實(shí)現(xiàn)缺相自保功能。

啟閉機(jī)操作，按鈕的啟動(dòng)、停止。啟動(dòng)多為三級降壓。啟動(dòng)時(shí)電機(jī)定子回路接觸器吸合，電機(jī)定子得電，電機(jī)轉(zhuǎn)子接觸器延時(shí)1～5s分三次逐級吸合，完成電機(jī)降壓起動(dòng)，輸出額定功率。啟閉機(jī)起動(dòng)電阻多外型尺寸大，采用兩個(gè)電阻柜，接線時(shí)分清電阻的星點(diǎn)連結(jié)及各級切換電阻的連接線是否對稱，對應(yīng)連接。連結(jié)不正確會(huì)造成電機(jī)輸出達(dá)不到額定功率，使啟閉機(jī)不能滿負(fù)荷工作。

啟閉機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后進(jìn)行鋼繩的卷筒纏繞，卷鋼繩時(shí)做好鋼繩的回力工作，穿好鋼繩的吊頭處于無扭力的自然狀況。啟閉機(jī)的高度限位：一是傳統(tǒng)的機(jī)械限位，二是卷筒軟連接的光電編碼限位。

首次高度調(diào)試及荷重調(diào)試在無水情況下進(jìn)行。閘門是平壓運(yùn)行方式，在閘門吊點(diǎn)上有沖水閥。功能是使上下游管道內(nèi)的壓力均衡，在上下管道內(nèi)無水壓差的工況下升、降閘門。沖水閥與吊點(diǎn)間有300mm的距離，吊頭落在門上時(shí)為閘門零位，閘門起止水功能，吊點(diǎn)向上提升300mm時(shí)，門體沒被吊點(diǎn)提動(dòng)，吊頭提起的僅是閘門的沖水閥。水通過閥門進(jìn)入下游管道，管道內(nèi)有壓力裝置。下游壓力器顯示數(shù)值不變后，管道內(nèi)就充滿了水。為充分平壓，充水時(shí)間通常有數(shù)小時(shí)。高度調(diào)節(jié)在閘門體下必須有人，確定閘門落底，水封壓縮量為5mm的范圍，確定吊頭落在門上沖水閥關(guān)閉，吊頭鋼繩不松。此時(shí)把高度的機(jī)械下限調(diào)出，編碼器調(diào)零，對正卷筒軟連接固定。編碼器最好選用有負(fù)值的儀器。荷重傳感器也為零。起升吊頭在300mm處停止。驗(yàn)證并確定沖水閥全開且閘門沒提動(dòng)。設(shè)定沖水行程，編程使閘門運(yùn)行到此位置自動(dòng)停止向上運(yùn)行。設(shè)置轉(zhuǎn)換開關(guān)，沖水完成后，給一個(gè)完成信號，閘門方可向上提升。閘門提出門槽，根據(jù)閘門實(shí)際重量，調(diào)整荷重參數(shù)，設(shè)定并顯示閘門實(shí)重值。標(biāo)定105%蜂鳴報(bào)警，110%超載自動(dòng)停止保護(hù)。運(yùn)行至起升最高點(diǎn)，設(shè)機(jī)械上限，此高度下降100mm設(shè)為編碼起升上限。通常機(jī)械限位不參與上下極限工作，在編碼失靈的情況下終極保護(hù)。光電編碼控制上限及下限和沖水限位值。

3啟閉機(jī)信號失靈的解決方法

高度限位其功能十分重要。更換及編碼器故障后，閘門已是水下運(yùn)行方式，人無法再下水觀察。為解決這一困難，可用下述方法，此方法是個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，僅供參考。

方法一：觀察機(jī)架定滑輪，閘門及吊頭在半空升降運(yùn)行時(shí)，由于鋼繩的重力作用，定滑輪會(huì)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，定滑輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，停止下降，這時(shí)就正好是閘門體的下限位。不及時(shí)停機(jī)，鋼繩下降過多就有可能反向勾住吊頭。提升閘門會(huì)使吊頭有被鋼繩拉壞的后果，使閘門無法從水中提出，產(chǎn)生重大事故，吊頭被拉壞在有的地方就發(fā)生過。

方法二：觀察荷重顯示，閘門體及吊頭落地時(shí)荷重顯示剛好為零，此時(shí)可停止下降。

方法三：觀察電流表數(shù)值變化，閘門體下降過程中，電流值比較平穩(wěn)地停在某一數(shù)值上。發(fā)現(xiàn)電流表突然有輕微明顯變小的時(shí)候，可立即停機(jī)，閘門就已經(jīng)落地。啟閉機(jī)重載和輕載時(shí)電流變化不是很大。

三種方法同時(shí)結(jié)合使用，相互印證可判斷出閘門下降零位，也可用于水下液壓抓梁零位判斷及是否抓住閘門提供參考。

抱匝長期使用會(huì)磨損，影響零位直觀性，定期檢查、緊固。通氣孔設(shè)計(jì)尺寸大小限制了通氣量，閘門充水閥開啟后閘門誤動(dòng)作提升，通氣孔實(shí)施排氣功能。閘門關(guān)閉，水輪機(jī)導(dǎo)葉全開，通氣孔實(shí)施補(bǔ)氣。無論排氣還是補(bǔ)氣不能滿足通氣量，會(huì)對管道設(shè)施相關(guān)物體造成不同程度損壞。通氣孔相應(yīng)增大，其優(yōu)勢明顯。

4啟閉機(jī)實(shí)行自動(dòng)化控制的工況

4.2動(dòng)力制動(dòng)環(huán)節(jié)

自動(dòng)單元是中間電路主環(huán)節(jié)，電機(jī)制動(dòng)時(shí)能量經(jīng)逆變器回饋到直流側(cè)，使直流側(cè)濾波電容電壓升高?；仞伳芰枯^大或要求強(qiáng)制動(dòng)，選用接于H、G兩點(diǎn)的外接制動(dòng)電阻REB。制動(dòng)電阻一般置于柜外，訂貨時(shí)須向廠家特別注明，是作為選購件提供給用戶的。

4.3變頻器的通信控制

4.3.1采用串行接口有以下優(yōu)點(diǎn)：無須重新布線，即可更改控制功能；可以通過設(shè)置串行接口修改變頻器參數(shù)；連續(xù)對變頻器進(jìn)行監(jiān)測和控制。

4.3.2恒轉(zhuǎn)矩（CT）。

恒轉(zhuǎn)矩過載能力：0.12～75kW，1.5倍額定電流（即150%過載），持續(xù)時(shí)間60s，間隔周期時(shí)間為300s；2倍額定輸出電流（即200%過載），持續(xù)時(shí)間3s，間隔周期時(shí)間為300s。

變頻器效率：96%～97%，供電因數(shù)0.98。

保護(hù)特征：欠電壓、過電壓、過負(fù)載、接地、短路、電機(jī)鎖定保護(hù)、電機(jī)過溫、參數(shù)聯(lián)鎖。

4.4PLC主要性能指標(biāo)

4.4.1存儲(chǔ)容量：中小型PLC存儲(chǔ)容量一般在16kB以下，超大型PLC的存儲(chǔ)容量最多可達(dá)到256kB～2MB。

4.4.2功能模塊：指可完成模擬量控制、位置和速度控制以及通信聯(lián)網(wǎng)等功能的模塊。功能模塊種類多少和功能強(qiáng)弱是衡量PLC產(chǎn)品水平高低的一個(gè)重要指標(biāo)。

4.4.3PLC內(nèi)存使用兩種類型的存儲(chǔ)器：ROM和RAM。ROM中的內(nèi)容一般由制造廠家寫入，用于存放系統(tǒng)程序，如檢查程序、鍵盤輸入處理程序、翻譯程序、信息傳遞程序和監(jiān)控程序等。ROM為系統(tǒng)存

儲(chǔ)器。

4.4.4RAM中的內(nèi)容有用戶程序（用戶程序也可固化在EPROM、E2ROM中）、邏輯變量、工作單元等。RAM需要鋰電池之類作后備電池支持。RAM為用戶存儲(chǔ)器，中小型PLC的RAM在8kB以下，大型PLC的RAM已達(dá)256kB及以上。

4.4.5PLC與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是靠I/O模塊實(shí)現(xiàn)的。模擬量I/O模塊，其任務(wù)是把工業(yè)過程中的模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后輸入PLC，或把PLC的數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換成電流信號去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)；位置控制模塊；溫度傳感器模塊，其可直接與熱電偶或鉑電阻連接，在模塊內(nèi)部進(jìn)行信號放大及A/D轉(zhuǎn)換，最后以BCD數(shù)碼形式輸出送給PLC；高速技術(shù)模塊，其是一種硬件計(jì)數(shù)器模塊。

4.5集中控制系統(tǒng)

這種系統(tǒng)用一臺(tái)PLC控制多臺(tái)地理位置比較接近且相互之間的動(dòng)作有一定聯(lián)系的被控設(shè)備，采用這種系統(tǒng)，須注意I/O點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量選擇余量大些，以方便增加控制對象。

4.6遠(yuǎn)程I/O控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程I/O控制系統(tǒng)就是I/O模塊不與控制器放在一起，而是遠(yuǎn)距離地放置在被控設(shè)備附近。遠(yuǎn)程I/O模塊與控制器之間通過電纜或光纜連接傳遞信息。不同廠家的不同PLC所能驅(qū)動(dòng)的電纜或光纜長度不同，應(yīng)用時(shí)必須按系統(tǒng)需要選擇。

4.7PLC機(jī)型的選擇

4.7.1對輸入輸出點(diǎn)的選擇。了解控制系統(tǒng)的I/O總點(diǎn)數(shù)，按實(shí)際所需點(diǎn)數(shù)的15%～20%留出備用量后確定PLC的點(diǎn)數(shù)。PLC輸出點(diǎn)數(shù)選擇要考慮輸出點(diǎn)的電壓種類和等級。

4.7.2根據(jù)輸出負(fù)載特點(diǎn)選擇輸出形式。對于動(dòng)作不頻繁交直流負(fù)載，可選擇繼電器輸出型。

4.7.3對存儲(chǔ)容量的選擇。在有模擬量輸入/輸出系統(tǒng)中按每輸入（輸出）一路模擬量約需要80～100字來估算，有通信處理時(shí)按每個(gè)接口需200字以上估算，最后再留一定的裕量。

4.7.4對控制功能的選擇。通常，大中型PLC各類功能模塊品種和規(guī)格較多，可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的功能控制。

4.7.5對I/O響應(yīng)時(shí)間的選擇。具體應(yīng)視實(shí)際系統(tǒng)的要求而定。

4.8變頻器功率選擇

4.8.1恒定負(fù)載運(yùn)行。低頻低壓起動(dòng)，變頻器僅完成變頻調(diào)速，要求變頻器額定電流稍大于電動(dòng)機(jī)的額定電流：IFN=（1.1～1.3）IMN，其中IFN為變頻器額定電流，IMN為電動(dòng)機(jī)額定電流。

4.8.2荷重傳感器。荷重傳感器通過檢測受力載體所受載荷來完成對啟閉機(jī)荷重的測量。傳感器以mV模擬量輸出供信號轉(zhuǎn)換變送裝置采集。經(jīng)變送器信號處理后以4～20mA信號輸出。

4.8.3高度編碼器。信號以4～20mA輸出。

5集控運(yùn)行結(jié)構(gòu)

水電站自動(dòng)化系統(tǒng)采用全開放、分層分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由站控層、現(xiàn)地層和網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備構(gòu)成。

站控層各站點(diǎn)功能相對獨(dú)立，互不影響；現(xiàn)地層以間隔為單元，各個(gè)LCU（現(xiàn)地控制單元）功能也相對獨(dú)立，在站控層故障的情況下，LCU仍能獨(dú)立完成其監(jiān)測和控制功能。站控層是水電廠/部設(shè)備監(jiān)視、測量、控制、管理的中心。

現(xiàn)地層一般以間隔為單元，配有機(jī)組LCU、公用設(shè)備及升壓站LCU、壩區(qū)LCU以及輔機(jī)控制單元等，不同的控制對象分散在各個(gè)機(jī)房或中控室。

網(wǎng)絡(luò)層是站控層與現(xiàn)地層數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?/p>

現(xiàn)地控制單元LCU主要由以下設(shè)備構(gòu)成：

現(xiàn)地I/O控制單元：PLC+現(xiàn)地工作站，同期裝置，溫度巡檢、轉(zhuǎn)速信號裝置，接收232/485設(shè)備的參數(shù)并通過工業(yè)以太網(wǎng)總線，微機(jī)測控裝置。

作者簡介：卿文（1970-），男，貴州貴陽人，中國水利水電八局貴陽機(jī)械廠高級技師，研究方向：門機(jī)、啟閉機(jī)論。

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