窄口水庫閘門啟閉機電氣控制設計

□駱堅強(許繼電氣股份有限公司)

□張亞輝(河南省水利勘測設計研究有限公司)

一、概述

窄口水庫是河南省大型重點水利工程之一，位于河南省靈寶市五畝鄉(xiāng)南的弘農(nóng)澗河上。窄口水庫控制流域面積903km2，年徑流量1.55億m3。水庫任務以防洪為主，兼顧灌溉，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)魚、旅游、供水等綜合利用，總庫容1.85億m3，窄口水庫保護著下游靈寶市城區(qū)及沿河鄉(xiāng)鎮(zhèn)、隴海鐵路、310國道、連霍高速公路以及鄭西高速鐵路客運專線的安全，其地理位置極其重要。

窄口水庫溢洪道為2孔工作閘門固定式卷揚啟閉機，閘門現(xiàn)地控制柜共計2套，采用一控一方式；灌溉洞進口為1孔事故檢修門和1孔攔污柵，均為斜拉、固定式卷揚機，閘門現(xiàn)地控制柜共計1套，采用一控二方式；泄洪洞進口為1孔事故檢修門，固定式卷揚機，閘門現(xiàn)地控制柜共計1套，采用一控一方式。溢洪道、灌溉洞進口工作閘門、泄洪洞進口事故檢修門及泄洪洞出口工作閘門、灌溉洞出口錐閥參與計算機監(jiān)控系統(tǒng)(采用PLC控制)，可實現(xiàn)遠方和現(xiàn)地自動控制，進口攔污柵不參與計算機監(jiān)控系統(tǒng)，采用常規(guī)現(xiàn)地控制。

二、主回路設計

每扇閘門啟閉機的主回路相對獨立，供電電源采用獨立的單回路三相四線制電源供電，供電電源為：AC380/220V±10%，50Hz±5%。其中主電源接在動力柜的負荷隔離開關(guān)上，對于卷揚機通過控制兩組交流接觸器使啟閉機電動機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)閘門的提升或下降；對于液壓機通過控制液壓泵站電動機、電磁閥實現(xiàn)閘門的提升或下降?？倲嗦菲骶哂羞^負荷、短路、分勵脫扣保護功能，當一級保護沒有動作時，總斷路器及時保護動作，如果出現(xiàn)緊急意外情況，按下緊急停止按鈕，接通總斷路器的分勵脫扣線圈切斷總電源，使設備在多種安全措施的保護下正常運行。主回路電流和電壓量的采集，通過變送器把采集到的電流和電壓轉(zhuǎn)換成4～20mA的模擬量送至PLC，可實現(xiàn)啟閉機運行時電流、電壓的遠方監(jiān)視。就地監(jiān)視采用常規(guī)儀表。對于卷揚啟閉機按鼠籠電動機設計，電動機一般容量較小，采用直接啟動。斷路器和接觸器的額定值按回路額定值的1.3倍選型，電機過流保護按其額定電流的2.5倍整定。

為適應工地的潮濕環(huán)境，所有控制柜均配裝有溫濕度傳感器和電加熱器，可以自動調(diào)節(jié)柜內(nèi)濕度，防止凝露。當柜內(nèi)濕度超過預先設定值，濕度調(diào)節(jié)器可自動控制加熱器，使柜內(nèi)相對濕度提高到露點，避免在組件或電子元件上凝結(jié)水滴，從而達到除濕防潮目的。

電涌保護器用來保護柜內(nèi)的電氣設備，避免雷擊直接擊中建筑物配電設備。

三、控制回路設計

現(xiàn)地控制單元可實現(xiàn)閘門遠方控制和現(xiàn)地手動控制的切換。在切換至自動檔時，可實現(xiàn)遠方閘門的正常升、降、停，出現(xiàn)異常情況時能做到自動緊急停機；在手動檔時，分為現(xiàn)地自動和現(xiàn)地手動，現(xiàn)地自動可通過現(xiàn)地按鈕和PLC自動操作實現(xiàn)閘門的正常升、降、停，出現(xiàn)異常情況能做到緊急停機。當出現(xiàn)異常情況和PLC出現(xiàn)故障時，現(xiàn)地手動可通過常規(guī)繼電器實現(xiàn)閘門的正常升、降、停。

啟閉機采用先進的PLC集中控制技術(shù)，并配有彩色、完全漢化的觸摸屏輔助控制，每套PLC應配有CPU模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量模塊、以太網(wǎng)（ 模塊以及電源模塊等。同時還應有下列接口：Ethevnet接口、RS-485接口。PLC有20%以上的硬件裕量，包括過程信號輸入/輸出容量，內(nèi)存容量等。主要完成以下任務：接收主控級發(fā)來的各種控制命令，并通過各種輸入輸出模塊完成對閘門的實時控制；采集各類設備信息(電動機保護裝置狀態(tài)等開關(guān)量、荷重4～20mA、行程開關(guān)狀態(tài)、斷路器和接觸器狀態(tài)等)。PLC在脫離主控級及網(wǎng)絡后，能夠?qū)λ刂频拈l門進行正確、無誤地操作；PLC應有自診斷功能，出現(xiàn)異常情況時同時啟動現(xiàn)地和中控室內(nèi)的音響報警裝置，并明示出故障設備和故障類型；任一PLC故障不應影響計算機系統(tǒng)的正常工作；PLC采用模塊式具有帶電插拔特性，便于維護和更換；PLC的數(shù)字輸入信息由獨立的、無源的常開或常閉接點提供，且數(shù)字信號輸入應經(jīng)過光電隔離，還設有接口濾波措施，每個數(shù)字量輸入都有LED指示狀態(tài)；PLC的通信接口能將所有I/O量傳輸至主控級。

四、自動化元件設計

對于卷揚機，閘位計采用光電式絕對型軸角編碼器，測量閘門開度；由于卷揚式啟閉機在閘門啟閉過程中可能存在著上部或下部被卡現(xiàn)象，為此在每臺啟閉機定滑輪組的受力點安裝荷重傳感器，閘門開度傳感器和荷重傳感器均接入開度荷載綜合顯示控制儀。開度荷載綜合顯示控制儀輸出3路4～20mA模擬量信號，其中2路為荷載信號，1路為開度信號，均送入PLC；開度荷載綜合顯示控制儀輸出的開關(guān)量信號有上、下極限位置、檢修位置、預置位置等開度信號和提升過程中110%過載、下降過程中10%欠載信號。輸出的多路閘門開度開關(guān)量引入PLC控制回路，與安裝在閘門體的上、下限位開關(guān)配合使用，更可靠地實現(xiàn)閘門上、下限位置的自動停機；輸出的110%過載及10%欠載信號的常閉接點引入常規(guī)控制回路，常開接點引入PLC控制回路，作為閘門啟閉機的機械保護。

對于液壓啟閉機，左、右啟閉油缸閘門開度傳感器輸出接至現(xiàn)地顯示儀表，顯示閘門開度位置，并輸出4～20mA信號，直接接入PLC?，F(xiàn)地顯示儀表計算并整定輸出上、下極限位置及其它位置開關(guān)量信號，供緊急情況下常規(guī)控制回路用，以控制啟閉機可靠停機。液壓系統(tǒng)油壓傳感器輸出4～20mA信號直接接入PLC，輸出的開關(guān)量信號供緊急情況下常規(guī)控制回路用，當液壓系統(tǒng)油壓過高或過低及油箱油位過低時，啟閉機可靠停機。

每臺卷揚機設置2套機械式限位開關(guān)，每臺液壓機左右缸各設置2套接近開關(guān)，當閘門運行至全開或全關(guān)位置時，觸動限位開關(guān)或接近開關(guān)，接點動作，斷開主回路，使閘門停機。在上、下極限位置，限位開關(guān)和開度傳感器通過PLC整定出的位置接點共同作用，確?？刂频目煽啃浴?/p>

五、結(jié)論

窄口水庫啟閉機控制柜電路設計能夠滿足工程自動化較高的要求，確保閘站現(xiàn)地和遠方的可靠操作。