啟閉機在水電站的運用

摘要：啟閉機作為常規起重設備，廣泛用于水電站的施工及閘門的啟閉運行，工況由電站運行要求及閘門重量確定。啟閉機部件由機座、鋼繩卷筒、定滑輪、動滑輪組（俗稱吊頭）、制動器、電源控制柜、電阻柜等組成，保護裝置有機械高度限位器、電子高度限位器、荷重傳感器，電控部位由PLC控制回路、電機過流保護裝置、過載保護回路、過壓和欠壓保護控制回路及主電動機的電阻降壓啟動組成，有條件的水電站還配置有攝像頭監控及遠程控制。

關鍵詞：啟閉機；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 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）01-0043-04

1啟閉機的外部結構

啟閉機架多采用分體制作，通常機架一分為二。腹板對穿，以螺栓連接。現場安裝，做機架吊點，橫、縱向中心線。調平機架四角預埋板，讓預埋板與機架可靠焊接且達到設計高程。機架在預埋板處拼裝。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。機架拼接好后，使機架吊點中心線與預埋板吊點中心線吻合，檢查機座金加工面的水平，點焊固定機架，進行鋼繩卷筒安裝。

2啟閉機的運行工況

啟閉機有單吊點、雙吊點兩類。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，使用時有一定難度。操作不當，會產生嚴重后果并發生重大安全事故。

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計疏漏；多層疊繞卷筒，鋼繩沿著導槽自行并繞，鋼繩繞完第一層導槽后，第二、三層鋼繩會在起頭部位發生鋼繩跳繞。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，容易發生事故。

解決方案計算出繩槽滑動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。雙吊點啟閉機有兩個獨立卷筒，直徑必須相等，不等就會導致被吊閘門發生傾斜，在起升過程中產生卡阻，發生事故。

啟閉機的減速箱，機座的加工，嚴控尺寸，卷筒、減速箱安裝水平、齒聯結咬合面90%以上。無頂齒、空車試轉無擦傷或刮痕。減速箱與電機為制動輪聯結。電機側制動輪與減速箱水平及同軸一致。聯結部四周間隙相等，運轉平穩。

閘門200t以上設計多采用雙制動器，減速箱與電機聯結為一級制動，減速箱另一側為二級制動。工作原理，一級制動與電機同步，二級制動比一級制動慢1～2s，由PLC編程延時控制。目的是保證閘門空中停止后，再啟動不溜溝和防飛車的功能，減少制動器的瓦片磨損。大噸位啟閉機，減速箱傳動齒較大，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，通過細導管淋在上部齒輪處，齒輪的硬度值大致相等。減速箱就會有較長的使用壽命。

啟閉機多采用獨立電源供電，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的額定功率之和乘以啟閉機同時運行臺數加上線路損耗之和，直觀判斷電源直徑是否滿足。滿負荷連續工作數小時，電源線無發熱是滿足工況的最低條件。啟閉機起升電機采用MZR電機，空車運行30min觀察電機碳刷與整流子接觸面，磨合面達到70%以上，可進行負載運行，達不到時就須取下碳刷在半圓弧面進行研磨，直到滿足要求。

電機采用過流保護，加裝過流繼電器，電機產生高溫會自動脫開電機電源，保護電機不被燒壞。控制回路，缺相保護繼電器，控制主升電機接觸器，電源缺相時實現缺相自保功能。

啟閉機操作，按鈕的啟動、停止。啟動多為三級降壓。啟動時電機定子回路接觸器吸合，電機定子得電，電機轉子接觸器延時1～5s分三次逐級吸合，完成電機降壓起動，輸出額定功率。啟閉機起動電阻多外型尺寸大，采用兩個電阻柜，接線時分清電阻的星點連結及各級切換電阻的連接線是否對稱，對應連接。連結不正確會造成電機輸出達不到額定功率，使啟閉機不能滿負荷工作。

啟閉機正常運轉后進行鋼繩的卷筒纏繞，卷鋼繩時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。啟閉機的高度限位：一是傳統的機械限位，二是卷筒軟連接的光電編碼限位。

首次高度調試及荷重調試在無水情況下進行。閘門是平壓運行方式，在閘門吊點上有沖水閥。功能是使上下游管道內的壓力均衡，在上下管道內無水壓差的工況下升、降閘門。沖水閥與吊點間有300mm的距離，吊頭落在門上時為閘門零位，閘門起止水功能，吊點向上提升300mm時，門體沒被吊點提動，吊頭提起的僅是閘門的沖水閥。水通過閥門進入下游管道，管道內有壓力裝置。下游壓力器顯示數值不變后，管道內就充滿了水。為充分平壓，充水時間通常有數小時。高度調節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閉，吊頭鋼繩不松。此時把高度的機械下限調出，編碼器調零，對正卷筒軟連接固定。編碼器最好選用有負值的儀器。荷重傳感器也為零。起升吊頭在300mm處停止。驗證并確定沖水閥全開且閘門沒提動。設定沖水行程，編程使閘門運行到此位置自動停止向上運行。設置轉換開關，沖水完成后，給一個完成信號，閘門方可向上提升。閘門提出門槽，根據閘門實際重量，調整荷重參數，設定并顯示閘門實重值。標定105%蜂鳴報警，110%超載自動停止保護。運行至起升最高點，設機械上限，此高度下降100mm設為編碼起升上限。通常機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。光電編碼控制上限及下限和沖水限位值。

3啟閉機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，此方法是個人經驗，僅供參考。

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

方法二：觀察荷重顯示，閘門體及吊頭落地時荷重顯示剛好為零，此時可停止下降。

方法三：觀察電流表數值變化，閘門體下降過程中，電流值比較平穩地停在某一數值上。發現電流表突然有輕微明顯變小的時候，可立即停機，閘門就已經落地。啟閉機重載和輕載時電流變化不是很大。

三種方法同時結合使用，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。

抱匝長期使用會磨損，影響零位直觀性，定期檢查、緊固。通氣孔設計尺寸大小限制了通氣量，閘門充水閥開啟后閘門誤動作提升，通氣孔實施排氣功能。閘門關閉，水輪機導葉全開，通氣孔實施補氣。無論排氣還是補氣不能滿足通氣量，會對管道設施相關物體造成不同程度損壞。通氣孔相應增大，其優勢明顯。

4啟閉機實行自動化控制的工況

4.2動力制動環節

自動單元是中間電路主環節，電機制動時能量經逆變器回饋到直流側，使直流側濾波電容電壓升高。回饋能量較大或要求強制動，選用接于H、G兩點的外接制動電阻REB。制動電阻一般置于柜外，訂貨時須向廠家特別注明，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點：無須重新布線，即可更改控制功能；可以通過設置串行接口修改變頻器參數；連續對變頻器進行監測和控制。

4.3.2恒轉矩（CT）。

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

變頻器效率：96%～97%，供電因數0.98。

保護特征：欠電壓、過電壓、過負載、接地、短路、電機鎖定保護、電機過溫、參數聯鎖。

4.4PLC主要性能指標

4.4.1存儲容量：中小型PLC存儲容量一般在16kB以下，超大型PLC的存儲容量最多可達到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網等功能的模塊。功能模塊種類多少和功能強弱是衡量PLC產品水平高低的一個重要指標。

4.4.3PLC內存使用兩種類型的存儲器：ROM和RAM。ROM中的內容一般由制造廠家寫入，用于存放系統程序，如檢查程序、鍵盤輸入處理程序、翻譯程序、信息傳遞程序和監控程序等。ROM為系統存

儲器。

4.4.4RAM中的內容有用戶程序（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為用戶存儲器，中小型PLC的RAM在8kB以下，大型PLC的RAM已達256kB及以上。

4.4.5PLC與工業生產過程的聯系是靠I/O模塊實現的。模擬量I/O模塊，其任務是把工業過程中的模擬量信號轉換成數字量后輸入PLC，或把PLC的數字輸出轉換成電流信號去控制執行機構；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，在模塊內部進行信號放大及A/D轉換，最后以BCD數碼形式輸出送給PLC；高速技術模塊，其是一種硬件計數器模塊。

4.5集中控制系統

這種系統用一臺PLC控制多臺地理位置比較接近且相互之間的動作有一定聯系的被控設備，采用這種系統，須注意I/O點數和存儲器容量選擇余量大些，以方便增加控制對象。

4.6遠程I/O控制系統

遠程I/O控制系統就是I/O模塊不與控制器放在一起，而是遠距離地放置在被控設備附近。遠程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所能驅動的電纜或光纜長度不同，應用時必須按系統需要選擇。

4.7PLC機型的選擇

4.7.1對輸入輸出點的選擇。了解控制系統的I/O總點數，按實際所需點數的15%～20%留出備用量后確定PLC的點數。PLC輸出點數選擇要考慮輸出點的電壓種類和等級。

4.7.2根據輸出負載特點選擇輸出形式。對于動作不頻繁交直流負載，可選擇繼電器輸出型。

4.7.3對存儲容量的選擇。在有模擬量輸入/輸出系統中按每輸入（輸出）一路模擬量約需要80～100字來估算，有通信處理時按每個接口需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格較多，可實現各種復雜的功能控制。

4.7.5對I/O響應時間的選擇。具體應視實際系統的要求而定。

4.8變頻器功率選擇

4.8.1恒定負載運行。低頻低壓起動，變頻器僅完成變頻調速，要求變頻器額定電流稍大于電動機的額定電流：IFN=（1.1～1.3）IMN，其中IFN為變頻器額定電流，IMN為電動機額定電流。

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荷重的測量。傳感器以mV模擬量輸出供信號轉換變送裝置采集。經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集控運行結構

水電站自動化系統采用全開放、分層分布式結構，系統由站控層、現地層和網絡層設備構成。

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

現地層一般以間隔為單元，配有機組LCU、公用設備及升壓站LCU、壩區LCU以及輔機控制單元等，不同的控制對象分散在各個機房或中控室。

網絡層是站控層與現地層數據傳輸的通道。

現地控制單元LCU主要由以下設備構成：

現地I/O控制單元：PLC+現地工作站，同期裝置，溫度巡檢、轉速信號裝置，接收232/485設備的參數并通過工業以太網總線，微機測控裝置。

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

（責任編輯：周加轉）