基于PLC控制的水電站閘門越限防護(hù)的研究與實(shí)現(xiàn)

何鋒杰　紀(jì)浩　程鵬　鄧成亮

摘 要：為了保證水電站閘門安全可靠的運(yùn)行，必須對(duì)閘門行程進(jìn)行上下限位。傳統(tǒng)的限位措施是在閘門控制系統(tǒng)中安裝相應(yīng)的機(jī)電限位裝置，該措施單一但可靠性不足，更不能檢測(cè)閘門開度。提出一種閘門越限防護(hù)的雙重機(jī)制：將旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)及編碼器相結(jié)合，有效地實(shí)現(xiàn)閘門開度檢測(cè)與行程限制。

關(guān)鍵詞：越限 防護(hù) 開度檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TV734 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）005-024-03

1 閘門越限防護(hù)必要性

水電站卷?yè)P(yáng)式閘門啟閉機(jī)運(yùn)行時(shí)，如果閘門上升到頂部極限還在運(yùn)行，則會(huì)引起閘門拉彎變形、鋼絲繩拉斷以及水壩樞紐受損等重大事故，給水電站造成巨大的損失。因此，必須對(duì)閘門進(jìn)行上下限位，確保閘門安全準(zhǔn)確的停止。

目前，水電站閘門越限防護(hù)采用的是機(jī)械限位，即在卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)上安裝相應(yīng)的機(jī)電限位裝置，這種方法雖然簡(jiǎn)單，但是單一的限位措施可靠性不足。本文提出了一種閘門越限防護(hù)的雙重機(jī)制：將旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)及編碼器限位相結(jié)合，有效地完成閘門開度的實(shí)時(shí)檢測(cè)與行程限制。

2 越限防護(hù)的機(jī)制

2.1 基于旋轉(zhuǎn)編碼器的越限防護(hù)

（1）編碼器的安裝。

由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較快，而絕對(duì)式編碼器的量程有限，所以編碼器不能直接安裝在電機(jī)的主軸上。但是，電機(jī)主軸輸出的轉(zhuǎn)速在經(jīng)過減速箱傳遞到鋼絲繩的卷筒時(shí)，轉(zhuǎn)速就小很多。

將絕對(duì)式編碼器安裝在卷?yè)P(yáng)機(jī)的卷筒上，使編碼器的主軸與卷筒同步轉(zhuǎn)動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)有：1）編碼器量程滿足要求，編碼器能發(fā)揮越限防護(hù)作用；2）卷筒轉(zhuǎn)速低且轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，可以避免由于高速震動(dòng)使編碼器損壞的事故；3）編碼器拆卸方便，容易進(jìn)行維護(hù)養(yǎng)。

（2）工作原理。

編碼器的原理：編碼器是用來測(cè)量角度、位置的傳感器，依靠軸桿、齒輪、測(cè)量輪的控制，檢測(cè)線性的位移。編碼器將實(shí)際的機(jī)械參數(shù)值轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)，這些電氣信號(hào)經(jīng)PLC處理，形成控制系統(tǒng)所要求的參數(shù)。

越限防護(hù)原理：編碼器與卷筒同軸連接，隨著卷筒同步轉(zhuǎn)動(dòng)，卷筒每轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，閘門就提升一段距離，編碼器累加一定的脈沖數(shù)。因此，編碼器的脈沖數(shù)就代表了閘門開啟的開度值。把脈沖數(shù)傳輸給PLC處理，PLC依據(jù)程序作出閘門是否越限的判斷，若閘門到達(dá)極限位置，則PLC控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速停止、液壓抱閘制動(dòng)器抱死，閘門被制動(dòng)。其越限防護(hù)的原理圖如圖2所示。

（3）缺點(diǎn)與不足。

不管是絕對(duì)型編碼器還是相對(duì)型編碼器，在運(yùn)行過程中都可能出現(xiàn)誤碼、拒動(dòng)、丟失脈沖等故障。水電站閘門在升降過程中編碼器如果發(fā)生類似故障，則PLC無法準(zhǔn)確計(jì)算閘門開度，PLC也就無法及時(shí)驅(qū)動(dòng)液壓抱閘制動(dòng)器動(dòng)作制動(dòng)閘門。此時(shí)，基于編碼器的越限防護(hù)作用無法有效的實(shí)現(xiàn)。

2.2 基于旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)的越限防護(hù)

以國(guó)電竹溪縣大峽水電站為例，水電站采用的是意大利TER（特爾）的GF4C旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)，下面以此限位開關(guān)為例簡(jiǎn)述其在閘門越限防護(hù)中的工作原理。

（1）工作原理。

（2）缺點(diǎn)與不足。

比起編碼器，旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)雖然能避免編碼器故障等原因引起的越限防護(hù)失效，但也存在缺陷：1）限位開關(guān)靈敏度不足，閘門限位精度不高，限位開關(guān)進(jìn)入限位區(qū)和跳出限位區(qū)閘門的開度不一致，兩者之間有幾厘米差距；2）限位開關(guān)不能檢測(cè)閘門開度，不能實(shí)時(shí)的采集閘門位置等狀態(tài)信息。

2.3 越限防護(hù)的雙重機(jī)制

基于編碼器越限防護(hù)措施可靠性不足，而旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)能起到防護(hù)作用但不能實(shí)時(shí)采集閘門開度。鑒于以上缺陷，本文提出將旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)與編碼器組合使用，完成閘門開度檢測(cè)與越限防護(hù)。

（1）硬件的安裝。

要發(fā)揮編碼器和旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)在越限防護(hù)中的組合效果，其安裝有兩種方式。

方式一：異步安裝，編碼器和旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)安裝在閘門啟閉機(jī)的不同位置，分別發(fā)揮作用。這種方式旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)盒編碼器沒有統(tǒng)一的參考點(diǎn)，越限防護(hù)的組合效果不明顯，而且結(jié)構(gòu)分散，安裝成本高。

（2）工作原理。

（3）可靠性分析。

雙重越限防護(hù)機(jī)制既彌補(bǔ)了旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)限位誤差較大且不能檢測(cè)閘門開度的缺陷，又克服了編碼器由于故障原因引起的閘門越限防護(hù)失效。其在閘門越限防護(hù)中可靠性和安全性明顯提高。

3 結(jié)束語(yǔ)

PLC軟件與旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)及編碼器硬件相結(jié)合的雙重越限防護(hù)機(jī)制作為閘門越限防護(hù)的一種新方法，已成功應(yīng)用在國(guó)電竹溪縣大峽水電站泄洪閘門上，從長(zhǎng)期安全運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)來看，該方法對(duì)中小型水電站卷?yè)P(yáng)式閘門的越限防護(hù)具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊金侖.旋轉(zhuǎn)編碼器在閘門控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2004（5）.

[2] 肖志懷，張志學(xué)，王曉麟.旋轉(zhuǎn)編碼器在閘門控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2002（10）.

[3] 張永庫(kù)，湯興華.旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)[J].電子機(jī)械工程，1987（3）.