窄口水库闸门启闭机电气控制设计

□骆坚强(许继电气股份有限公司)

□张亚辉(河南省水利勘测设计研究有限公司)

一、概述

窄口水库是河南省大型重点水利工程之一，位于河南省灵宝市五亩乡南的弘农涧河上。窄口水库控制流域面积903km2，年径流量1.55亿m3。水库任务以防洪为主，兼顾灌溉，结合发电、养鱼、旅游、供水等综合利用，总库容1.85亿m3，窄口水库保护着下游灵宝市城区及沿河乡镇、陇海铁路、310国道、连霍高速公路以及郑西高速铁路客运专线的安全，其地理位置极其重要。

窄口水库溢洪道为2孔工作闸门固定式卷扬启闭机，闸门现地控制柜共计2套，采用一控一方式；灌溉洞进口为1孔事故检修门和1孔拦污栅，均为斜拉、固定式卷扬机，闸门现地控制柜共计1套，采用一控二方式；泄洪洞进口为1孔事故检修门，固定式卷扬机，闸门现地控制柜共计1套，采用一控一方式。溢洪道、灌溉洞进口工作闸门、泄洪洞进口事故检修门及泄洪洞出口工作闸门、灌溉洞出口锥阀参与计算机监控系统(采用PLC控制)，可实现远方和现地自动控制，进口拦污栅不参与计算机监控系统，采用常规现地控制。

二、主回路设计

每扇闸门启闭机的主回路相对独立，供电电源采用独立的单回路三相四线制电源供电，供电电源为：AC380/220V±10%，50Hz±5%。其中主电源接在动力柜的负荷隔离开关上，对于卷扬机通过控制两组交流接触器使启闭机电动机正转或反转，实现闸门的提升或下降；对于液压机通过控制液压泵站电动机、电磁阀实现闸门的提升或下降。总断路器具有过负荷、短路、分励脱扣保护功能，当一级保护没有动作时，总断路器及时保护动作，如果出现紧急意外情况，按下紧急停止按钮，接通总断路器的分励脱扣线圈切断总电源，使设备在多种安全措施的保护下正常运行。主回路电流和电压量的采集，通过变送器把采集到的电流和电压转换成4～20mA的模拟量送至PLC，可实现启闭机运行时电流、电压的远方监视。就地监视采用常规仪表。对于卷扬启闭机按鼠笼电动机设计，电动机一般容量较小，采用直接启动。断路器和接触器的额定值按回路额定值的1.3倍选型，电机过流保护按其额定电流的2.5倍整定。

为适应工地的潮湿环境，所有控制柜均配装有温湿度传感器和电加热器，可以自动调节柜内湿度，防止凝露。当柜内湿度超过预先设定值，湿度调节器可自动控制加热器，使柜内相对湿度提高到露点，避免在组件或电子元件上凝结水滴，从而达到除湿防潮目的。

电涌保护器用来保护柜内的电气设备，避免雷击直接击中建筑物配电设备。

三、控制回路设计

现地控制单元可实现闸门远方控制和现地手动控制的切换。在切换至自动档时，可实现远方闸门的正常升、降、停，出现异常情况时能做到自动紧急停机；在手动档时，分为现地自动和现地手动，现地自动可通过现地按钮和PLC自动操作实现闸门的正常升、降、停，出现异常情况能做到紧急停机。当出现异常情况和PLC出现故障时，现地手动可通过常规继电器实现闸门的正常升、降、停。

启闭机采用先进的PLC集中控制技术，并配有彩色、完全汉化的触摸屏辅助控制，每套PLC应配有CPU模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量模块、以太网（ 模块以及电源模块等。同时还应有下列接口：Ethevnet接口、RS-485接口。PLC有20%以上的硬件裕量，包括过程信号输入/输出容量，内存容量等。主要完成以下任务：接收主控级发来的各种控制命令，并通过各种输入输出模块完成对闸门的实时控制；采集各类设备信息(电动机保护装置状态等开关量、荷重4～20mA、行程开关状态、断路器和接触器状态等)。PLC在脱离主控级及网络后，能够对所控制的闸门进行正确、无误地操作；PLC应有自诊断功能，出现异常情况时同时启动现地和中控室内的音响报警装置，并明示出故障设备和故障类型；任一PLC故障不应影响计算机系统的正常工作；PLC采用模块式具有带电插拔特性，便于维护和更换；PLC的数字输入信息由独立的、无源的常开或常闭接点提供，且数字信号输入应经过光电隔离，还设有接口滤波措施，每个数字量输入都有LED指示状态；PLC的通信接口能将所有I/O量传输至主控级。

四、自动化元件设计

对于卷扬机，闸位计采用光电式绝对型轴角编码器，测量闸门开度；由于卷扬式启闭机在闸门启闭过程中可能存在着上部或下部被卡现象，为此在每台启闭机定滑轮组的受力点安装荷重传感器，闸门开度传感器和荷重传感器均接入开度荷载综合显示控制仪。开度荷载综合显示控制仪输出3路4～20mA模拟量信号，其中2路为荷载信号，1路为开度信号，均送入PLC；开度荷载综合显示控制仪输出的开关量信号有上、下极限位置、检修位置、预置位置等开度信号和提升过程中110%过载、下降过程中10%欠载信号。输出的多路闸门开度开关量引入PLC控制回路，与安装在闸门体的上、下限位开关配合使用，更可靠地实现闸门上、下限位置的自动停机；输出的110%过载及10%欠载信号的常闭接点引入常规控制回路，常开接点引入PLC控制回路，作为闸门启闭机的机械保护。

对于液压启闭机，左、右启闭油缸闸门开度传感器输出接至现地显示仪表，显示闸门开度位置，并输出4～20mA信号，直接接入PLC。现地显示仪表计算并整定输出上、下极限位置及其它位置开关量信号，供紧急情况下常规控制回路用，以控制启闭机可靠停机。液压系统油压传感器输出4～20mA信号直接接入PLC，输出的开关量信号供紧急情况下常规控制回路用，当液压系统油压过高或过低及油箱油位过低时，启闭机可靠停机。

每台卷扬机设置2套机械式限位开关，每台液压机左右缸各设置2套接近开关，当闸门运行至全开或全关位置时，触动限位开关或接近开关，接点动作，断开主回路，使闸门停机。在上、下极限位置，限位开关和开度传感器通过PLC整定出的位置接点共同作用，确保控制的可靠性。

五、结论

窄口水库启闭机控制柜电路设计能够满足工程自动化较高的要求，确保闸站现地和远方的可靠操作。