河南洛河故县水利枢纽门式起重机改造技术探讨

马志明，赵占敏，刘胜利，陈建民

（故县水利枢纽管理局，河南 洛宁 471715）

0 引言

故县水利枢纽位于河南省洛宁县，是国家“七五”重点建设工程，是一座以防洪为主，兼顾灌溉、发电、养殖、供水等功能的综合性国家大型水利枢纽工程，是黄河中下游防洪体系的重要配套工程之一。 该枢纽200 t 双向门式起重机为四川夹江水工机械厂20 世纪80 年代的产品，主要用于启闭泄洪底孔事故检修门、电站三孔进水口检修门、拦污栅及对坝顶设备进行检修吊装等，是对枢纽引水发电系统、泄洪系统进行检修的重要设备，直接关系故县水利枢纽能否正常泄洪和发电。 由于该设备运行已有20 年之久，电气部分经常出现故障，不能满足工作要求，故需对其进行改造。

1 故县水利枢纽200t门式起重机的运行原理

故县水利枢纽200 t 门式起重机主要包括200 t主起升机构、小车机构、上下游30 t 起升机构、回转机构、大车行走机构和自动抓梁系统等。 其中，主起升机构采用两台55 kW 绕线式电动机驱动，电动机均采用转子串电阻切换四挡电阻调速，各挡之间通过时间继电器延时切换。 现以主起升机构为例，对该起重机的运行原理进行分析。

1.1 起升机构上升

起升机构采用上升切换四挡电阻器调速。 上升时，先串入全部电阻，然后电动机低转矩启动，延时0.2 s 后，再切除第一级电阻。 这样，轻载时可减少冲击，重载时起到拉紧钢丝绳的作用。

起升主令采用上升三挡。 主令置入第一挡时，切除第一级电阻；主令置入第二挡时，切除第二级电阻；主令置入第三挡时，切除第三级电阻，经延时后，切除第四级电阻。

1.2 起升制动控制

启动时，为减小溜钩现象，电机通电后应稍延时，再打开制动器。停车时，手柄回零后，制动器先落下制动，延时0.3 s 后，电机再断电。

1.3 起升机构下降

起升机构的下降动作采用反接制动、单相制动、回馈制动3 种运行方式。 下降主令也采用三挡调速。 当下降主令置入第一挡时，起升电动机不工作。当下降主令置入第二挡时，切除第一级电阻，起升电动机在单向制动状态工作。 下降主令手柄不能在此挡长时间停留，以免电动机定子电流过大而烧毁电动机。 当下降主令置入第三挡时，电动机在发电制动状态工作。 这时，调速电阻器经延时后逐级切除四级电阻。 在下降主令从下降三挡回位到零位档过程中，当主令手柄在下降第二挡时，起升电动机在单向制动状态工作；当下降主令回到一挡时，起升电动机在正转状态工作，起升制动器此时继续打开；下降主令回到零位时，起升制动器落下制动，起升电动机经短时延时正转后停止[1]。

2 故县水利枢纽200t门式起重机原状

2.1 起重机电气元件改造前的状况

改造前，门式起重机电气元件采用继电器-接触器线路控制，过流元件使用硅油继电器。 在运行过程中，经常出现接触器主触头熔焊、机械卡阻及动作不到位等现象，部分辅助触点接触不良，以至于故障不断。 另外，由于部分元器件已属淘汰产品，维护所需的备品配件很难购置。

2.2 起重机自动抓梁系统状况

液压自动抓梁是连接起重机和闸门的液压机构，主要作用是在水下提升闸门。 自动抓梁能否准确就位，将直接影响水下穿退销的可靠性和闸门的启闭。 所以，自动抓梁的液压控制部分能否正常、可靠地工作显得尤其重要。 改造前，液压抓梁信号部分采用干簧管传递。 由于受到潮湿进水等情况的干扰，自动抓梁系统在运行过程中多次出现就位及穿、退销动作不到位状况，而且无法动态显示，致使操作人员无法判断抓梁销轴是否与闸门连接，不敢贸然提升闸门。 这影响到门机正常的运行和检修工作，给故县水利枢纽防汛的安全运行留下隐患[2]。

3 门式起重机改造内容及改造后的性能分析

3.1 改造内容

故县水利枢纽200 t 门式起重机改造内容包括：更换全部电源控制柜，主起升控制柜，大车行走控制柜，附加控制柜，上、下游回转和起升控制柜，门机坝面总电源操作柜，主钩调速电阻器，上、下游起升电阻器，上、下游回转机构电阻器，大车调速电阻器，小车电阻器。增加PLC 控制柜，用于二次控制逻辑部分。 主回路调速控制仍采用传统的电阻调速控制方式。 在抓梁部分，运用门机综合监测仪，通过触摸屏显示销轴状态，一目了然，实现了动态监控。

3.2 设备改造后的性能

3.2.1 自动控制性能

本次设备改造以西门子S7-PLC（下位机）为控制核心，门机综合监测仪（上位机）为监视终端、总线通讯的多层网络体系。 新系统采用两套德国西门子公司S7-200 系列可编程控制器对门机的各个机构进行控制（各机构的二次控制逻辑通过程序来实现）。 可编程控制器作为控制核心，输入部分采集主令控制器的输出状态、联动台控制器件及各控制执行器件的反馈信号，输出的控制信号对各控制执行器件进行控制。 核心的CPU 控制所需的逻辑运算，并通过PLC 与触摸屏之间的通讯，显示设备运行状态。 触摸屏是主起升机构及大车、小车、主钩抓梁等整个控制系统的操作显示终端。 在触摸屏上，显示着系统工作过程中的电压、电流、荷重、限位状态、高度、液压抓梁的状态，同时监控着系统工作过程中出现的各种故障和状态变化， 如接触器故障、限位开关动作等等。 操作人员还可以通过触摸按键与触摸屏进行一些交互性操作，如确认故障并报警、翻查故障记录等[3]。

3.2.2 保护功能

（1）采用PLC 控制后，门式起重机的一些保护功能（如上下限位保护、上下极限限位保护、超载保护、零位保护、电源相序及断相保护、失压保护、回路过热保护、回路过流保护、保护接地等）得到了完善。（2）增设了紧急断电开关。起重机的总控制柜和3 个司机室联动台上均设有蘑菇头形状的紧急断电按钮。（3）零位保护。在起重机的3 个司机室联动控制台上的主令手柄设有零位触点。 当操纵杆由零位到任意位置时，如此时短暂断电后再通电，相应机构不会运行，必须将操纵杆拉回到零位后再操作，相应机构才会运行。 这样可以防止操作手柄未自动复位引起误动作。（4）连锁保护装置。起重机的3 个司机室门都设有连锁保护装置，如果司机进入操作室未关闭室门，则无法启动电源、操作起重机。 另外，主钩与上、下游起升机构互相连锁，上、下游回转机构与小车机构互相连锁。 设置连锁保护装置可以保证操作机构有序运行，防止机构误动作。

3.2.3 安全信号报警监测

（1）荷重监测及超载保护。 通过安装于主起升定滑轮座下的荷重传感器，将荷载信号采集起来，上传至综合监测仪，进行处理，并提供超载自动报警、控制切断电源功能， 保护起重机构不能超负荷运行。

（2）起升高度监测及上、下限位保护。 通过安装于主起升卷筒输出轴的绝对值型光电编码器，将高度信号采集起来，并上传至门机综合监测仪处理，同时提供超高度上、下限自动报警功能，控制门机不能越行程运动。

3.2.4 自动抓梁监测

改造后的抓梁液压泵站由电动机、油泵、油箱、滤油器、液压控制阀组合而成，是一种集机、电、液为一体的新型机械。 其工作原理是，电机作为动力源，带动双向油泵输出压力油，通过油路集成块等元件驱动穿、退销动作。 电动机、油泵、液压控制阀装在同一轴线上， 只需接通电动机的控制电源，即可实现穿、退销动作。 液压控制阀组合由溢流阀、调速阀、液压单向阀等组成。 穿、退销的动作由电动机正反旋转控制，具有动作灵活、行程控制准确和过载保护等性能。 当运行受阻时，油路中压力增高到设定的限额，溢流阀迅速而准确地溢流，实行过载保护，电机在额定值内运转，（不会烧毁。 当电机停止时，活塞杆则锁定在此位置上，处于保压状态。 抓梁采用穿销同步位移传感器（全过程监测）、抓梁就位检测传感器（全过程监测）传递信号。 传递的信号经综合监测仪处理后，传递给PLC。 这样，销轴的运动状况显示在司机室的显示屏上，抓梁销轴穿、退到位后，自动停止运行，并发出信号。 此控制方式动作灵活，行程控制准确。

4 结语

改造后的200 t 门式起重机控制系统整体操控运转灵活、安全可靠，各种保护及制动装置动作准确。 起升机构满足了闸门全开、全关、平压充水的要求，从而保证了防汛设备的安全可靠运行。 但是，本次设备改造电动机调速部分仍采用转子串电阻方式运行，调速时能量消耗在电阻上，属于有级调速，调速性能有待改进。在以后的改造中，如能采用变频器控制电动机的速度，则200 t 门式起重机的运行速度将得到更大的提升，闸门启闭时间将大大缩短。

[1] 裘为章，吴锡忠. 实用起重机电气技术手册[M]. 北京：机械工业出版社，2001：365-367.

[2] 赵永华，刘大淮. 水电站门式起重机（JB6128-92）[M]. 北京：中国标准出版社，2003：16-19.

[3] 西门子股份公司. 西门子系列可编程控制器使用手册[EB/OL]. [2013 -01 -20]http://fs.gongkong.com/uploadfile/datum/201108/2011081918452400001.pdf.