基于PLC控制的水电站闸门越限防护的研究与实现

何锋杰　纪浩　程鹏　邓成亮

摘 要：为了保证水电站闸门安全可靠的运行，必须对闸门行程进行上下限位。传统的限位措施是在闸门控制系统中安装相应的机电限位装置，该措施单一但可靠性不足，更不能检测闸门开度。提出一种闸门越限防护的双重机制：将旋转限位开关及编码器相结合，有效地实现闸门开度检测与行程限制。

关键词：越限 防护 开度检测

中图分类号：TV734 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）005-024-03

1 闸门越限防护必要性

水电站卷扬式闸门启闭机运行时，如果闸门上升到顶部极限还在运行，则会引起闸门拉弯变形、钢丝绳拉断以及水坝枢纽受损等重大事故，给水电站造成巨大的损失。因此，必须对闸门进行上下限位，确保闸门安全准确的停止。

目前，水电站闸门越限防护采用的是机械限位，即在卷扬式启闭机上安装相应的机电限位装置，这种方法虽然简单，但是单一的限位措施可靠性不足。本文提出了一种闸门越限防护的双重机制：将旋转限位开关及编码器限位相结合，有效地完成闸门开度的实时检测与行程限制。

2 越限防护的机制

2.1 基于旋转编码器的越限防护

（1）编码器的安装。

由于电机转速较快，而绝对式编码器的量程有限，所以编码器不能直接安装在电机的主轴上。但是，电机主轴输出的转速在经过减速箱传递到钢丝绳的卷筒时，转速就小很多。

将绝对式编码器安装在卷扬机的卷筒上，使编码器的主轴与卷筒同步转动。其优点有：1）编码器量程满足要求，编码器能发挥越限防护作用；2）卷筒转速低且转动平稳，可以避免由于高速震动使编码器损坏的事故；3）编码器拆卸方便，容易进行维护养。

（2）工作原理。

编码器的原理：编码器是用来测量角度、位置的传感器，依靠轴杆、齿轮、测量轮的控制，检测线性的位移。编码器将实际的机械参数值转换成电气信号，这些电气信号经PLC处理，形成控制系统所要求的参数。

越限防护原理：编码器与卷筒同轴连接，随着卷筒同步转动，卷筒每转动一定的角度，闸门就提升一段距离，编码器累加一定的脉冲数。因此，编码器的脉冲数就代表了闸门开启的开度值。把脉冲数传输给PLC处理，PLC依据程序作出闸门是否越限的判断，若闸门到达极限位置，则PLC控制驱动电机减速停止、液压抱闸制动器抱死，闸门被制动。其越限防护的原理图如图2所示。

（3）缺点与不足。

不管是绝对型编码器还是相对型编码器，在运行过程中都可能出现误码、拒动、丢失脉冲等故障。水电站闸门在升降过程中编码器如果发生类似故障，则PLC无法准确计算闸门开度，PLC也就无法及时驱动液压抱闸制动器动作制动闸门。此时，基于编码器的越限防护作用无法有效的实现。

2.2 基于旋转限位开关的越限防护

以国电竹溪县大峡水电站为例，水电站采用的是意大利TER（特尔）的GF4C旋转限位开关，下面以此限位开关为例简述其在闸门越限防护中的工作原理。

（1）工作原理。

（2）缺点与不足。

比起编码器，旋转限位开关虽然能避免编码器故障等原因引起的越限防护失效，但也存在缺陷：1）限位开关灵敏度不足，闸门限位精度不高，限位开关进入限位区和跳出限位区闸门的开度不一致，两者之间有几厘米差距；2）限位开关不能检测闸门开度，不能实时的采集闸门位置等状态信息。

2.3 越限防护的双重机制

基于编码器越限防护措施可靠性不足，而旋转限位开关能起到防护作用但不能实时采集闸门开度。鉴于以上缺陷，本文提出将旋转限位开关与编码器组合使用，完成闸门开度检测与越限防护。

（1）硬件的安装。

要发挥编码器和旋转限位开关在越限防护中的组合效果，其安装有两种方式。

方式一：异步安装，编码器和旋转限位开关安装在闸门启闭机的不同位置，分别发挥作用。这种方式旋转限位开关盒编码器没有统一的参考点，越限防护的组合效果不明显，而且结构分散，安装成本高。

（2）工作原理。

（3）可靠性分析。

双重越限防护机制既弥补了旋转限位开关限位误差较大且不能检测闸门开度的缺陷，又克服了编码器由于故障原因引起的闸门越限防护失效。其在闸门越限防护中可靠性和安全性明显提高。

3 结束语

PLC软件与旋转限位开关及编码器硬件相结合的双重越限防护机制作为闸门越限防护的一种新方法，已成功应用在国电竹溪县大峡水电站泄洪闸门上，从长期安全运行的经验来看，该方法对中小型水电站卷扬式闸门的越限防护具有借鉴意义。

参考文献：

[1] 杨金仑.旋转编码器在闸门控制系统中的应用[J].水电站机电技术，2004（5）.

[2] 肖志怀，张志学，王晓麟.旋转编码器在闸门控制系统中的应用[J].仪器仪表学报，2002（10）.

[3] 张永库，汤兴华.旋转限位开关[J].电子机械工程，1987（3）.