河南洛河故縣水利樞紐門式起重機改造技術(shù)探討

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，是國家“七五”重點建設(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 雙向門式起重機為四川夾江水工機械廠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、攔污柵及對壩頂設(shè)備進(jìn)行檢修吊裝等，是對樞紐引水發(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，故需對其進(jìn)行改造。

1 故縣水利樞紐200t門式起重機的運行原理

故縣水利樞紐200 t 門式起重機主要包括200 t主起升機構(gòu)、小車機構(gòu)、上下游30 t 起升機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、大車行走機構(gòu)和自動抓梁系統(tǒng)等。 其中，主起升機構(gòu)采用兩臺55 kW 繞線式電動機驅(qū)動，電動機均采用轉(zhuǎn)子串電阻切換四擋電阻調(diào)速，各擋之間通過時間繼電器延時切換。 現(xiàn)以主起升機構(gòu)為例，對該起重機的運行原理進(jìn)行分析。

1.1 起升機構(gòu)上升

起升機構(gòu)采用上升切換四擋電阻器調(diào)速。 上升時，先串入全部電阻，然后電動機低轉(zhuǎn)矩啟動，延時0.2 s 后，再切除第一級電阻。 這樣，輕載時可減少沖擊，重載時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，切除第一級電阻；主令置入第二擋時，切除第二級電阻；主令置入第三擋時，切除第三級電阻，經(jīng)延時后，切除第四級電阻。

1.2 起升制動控制

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

1.3 起升機構(gòu)下降

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

2 故縣水利樞紐200t門式起重機原狀

2.1 起重機電氣元件改造前的狀況

改造前，門式起重機電氣元件采用繼電器-接觸器線路控制，過流元件使用硅油繼電器。 在運行過程中，經(jīng)常出現(xiàn)接觸器主觸頭熔焊、機械卡阻及動作不到位等現(xiàn)象，部分輔助觸點接觸不良，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置。

2.2 起重機自動抓梁系統(tǒng)狀況

液壓自動抓梁是連接起重機和閘門的液壓機構(gòu)，主要作用是在水下提升閘門。 自動抓梁能否準(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，自動抓梁系統(tǒng)在運行過程中多次出現(xiàn)就位及穿、退銷動作不到位狀況，而且無法動態(tài)顯示，致使操作人員無法判斷抓梁銷軸是否與閘門連接，不敢貿(mào)然提升閘門。 這影響到門機正常的運行和檢修工作，給故縣水利樞紐防汛的安全運行留下隱患[2]。

3 門式起重機改造內(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，運用門機綜合監(jiān)測儀，通過觸摸屏顯示銷軸狀態(tài)，一目了然，實現(xiàn)了動態(tài)監(jiān)控。

3.2 設(shè)備改造后的性能

3.2.1 自動控制性能

本次設(shè)備改造以西門子S7-PLC（下位機）為控制核心，門機綜合監(jiān)測儀（上位機）為監(jiān)視終端、總線通訊的多層網(wǎng)絡(luò)體系。 新系統(tǒng)采用兩套德國西門子公司S7-200 系列可編程控制器對門機的各個機構(gòu)進(jìn)行控制（各機構(gòu)的二次控制邏輯通過程序來實現(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)動臺控制器件及各控制執(zhí)行器件的反饋信號，輸出的控制信號對各控制執(zhí)行器件進(jìn)行控制。 核心的CPU 控制所需的邏輯運算，并通過PLC 與觸摸屏之間的通訊，顯示設(shè)備運行狀態(tài)。 觸摸屏是主起升機構(gòu)及大車、小車、主鉤抓梁等整個控制系統(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)，同時監(jiān)控著系統(tǒng)工作過程中出現(xiàn)的各種故障和狀態(tài)變化， 如接觸器故障、限位開關(guān)動作等等。 操作人員還可以通過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)、回路過熱保護(hù)、回路過流保護(hù)、保護(hù)接地等）得到了完善。（2）增設(shè)了緊急斷電開關(guān)。起重機的總控制柜和3 個司機室聯(lián)動臺上均設(shè)有蘑菇頭形狀的緊急斷電按鈕。（3）零位保護(hù)。在起重機的3 個司機室聯(lián)動控制臺上的主令手柄設(shè)有零位觸點。 當(dāng)操縱桿由零位到任意位置時，如此時短暫斷電后再通電，相應(yīng)機構(gòu)不會運行，必須將操縱桿拉回到零位后再操作，相應(yīng)機構(gòu)才會運行。 這樣可以防止操作手柄未自動復(fù)位引起誤動作。（4）連鎖保護(hù)裝置。起重機的3 個司機室門都設(shè)有連鎖保護(hù)裝置，如果司機進(jìn)入操作室未關(guān)閉室門，則無法啟動電源、操作起重機。 另外，主鉤與上、下游起升機構(gòu)互相連鎖，上、下游回轉(zhuǎn)機構(gòu)與小車機構(gòu)互相連鎖。 設(shè)置連鎖保護(hù)裝置可以保證操作機構(gòu)有序運行，防止機構(gòu)誤動作。

3.2.3 安全信號報警監(jiān)測

（1）荷重監(jiān)測及超載保護(hù)。 通過安裝于主起升定滑輪座下的荷重傳感器，將荷載信號采集起來，上傳至綜合監(jiān)測儀，進(jìn)行處理，并提供超載自動報警、控制切斷電源功能， 保護(hù)起重機構(gòu)不能超負(fù)荷運行。

（2）起升高度監(jiān)測及上、下限位保護(hù)。 通過安裝于主起升卷筒輸出軸的絕對值型光電編碼器，將高度信號采集起來，并上傳至門機綜合監(jiān)測儀處理，同時提供超高度上、下限自動報警功能，控制門機不能越行程運動。

3.2.4 自動抓梁監(jiān)測

改造后的抓梁液壓泵站由電動機、油泵、油箱、濾油器、液壓控制閥組合而成，是一種集機、電、液為一體的新型機械。 其工作原理是，電機作為動力源，帶動雙向油泵輸出壓力油，通過油路集成塊等元件驅(qū)動穿、退銷動作。 電動機、油泵、液壓控制閥裝在同一軸線上， 只需接通電動機的控制電源，即可實現(xiàn)穿、退銷動作。 液壓控制閥組合由溢流閥、調(diào)速閥、液壓單向閥等組成。 穿、退銷的動作由電動機正反旋轉(zhuǎn)控制，具有動作靈活、行程控制準(zhǔn)確和過載保護(hù)等性能。 當(dāng)運行受阻時，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，實行過載保護(hù)，電機在額定值內(nèi)運轉(zhuǎn)，（不會燒毀。 當(dāng)電機停止時，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（全過程監(jiān)測）、抓梁就位檢測傳感器（全過程監(jiān)測）傳遞信號。 傳遞的信號經(jīng)綜合監(jiān)測儀處理后，傳遞給PLC。 這樣，銷軸的運動狀況顯示在司機室的顯示屏上，抓梁銷軸穿、退到位后，自動停止運行，并發(fā)出信號。 此控制方式動作靈活，行程控制準(zhǔn)確。

4 結(jié)語

改造后的200 t 門式起重機控制系統(tǒng)整體操控運轉(zhuǎn)靈活、安全可靠，各種保護(hù)及制動裝置動作準(zhǔn)確。 起升機構(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)備的安全可靠運行。 但是，本次設(shè)備改造電動機調(diào)速部分仍采用轉(zhuǎn)子串電阻方式運行，調(diào)速時能量消耗在電阻上，屬于有級調(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機的速度，則200 t 門式起重機的運行速度將得到更大的提升，閘門啟閉時間將大大縮短。

[1] 裘為章，吳錫忠. 實用起重機電氣技術(shù)手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2001：365-367.

[2] 趙永華，劉大淮. 水電站門式起重機（JB6128-92）[M]. 北京：中國標(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[EB/OL]. [2013 -01 -20]http://fs.gongkong.com/uploadfile/datum/201108/2011081918452400001.pdf.