基于多组冗余的门式启闭机控制系统优化

甘辉敏，贾中会，童 颖，姚永欢，邹高庆，杜祖军

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

0 引言

结合水电站部分门式启闭机现场运行工况，对其电气系统、PLC 程序及工控系统梳理研究，发现其电气控制系统存在较大安全漏洞和设计缺陷，可能会导致门式启闭机运行机构失控。主要表现为PLC 控制系统可靠性不高，PLC 程序存在不稳定性，出现过因通信故障导致大车机构无法停止运行、合闸系统频报故障无法启动、输出模块通道击穿后运行机构自启动等异常现象，由于工作人员及时正确处理，未发生事故，但电气控制系统的安全性、可靠性问题已经曝露。

1 通信方式冗余优化

1.1 实施背景

门式启闭机大车机构运行时，PLC 突然报硬件及通信总线故障（SF 灯常亮、BF 灯闪烁），司机室ET200 从站通信连接断开，司机室操作台除硬线控制的信号外其余信号全部失效，造成大车机构无法平缓停车。工作人员只能通过硬线控制的急停按钮断开门式启闭机总电源，进而停止大车机构的运行。

1.2 风险分析

门式启闭机通信采用的是PROFIBUS DP 总线通信网络，通信电缆采用专用屏蔽电缆。专用屏蔽电缆由于材质特性问题，速率较低，传输距离有限，在充斥电磁波的环境特别是强电的干扰下，传输效率大为下降，容易出现通信故障。门式启闭机总线网络上PLC 从站、触摸屏、变频器单元较多，各站点距离较远，DP 网线长度较长，抗干扰能力差。现场总线通信网络采用串联网络，当其中一个站点出现通信故障，其后连接的站点均会通信失联。

1.3 优化方案

结合现场实际工况，将门式启闭机PLC 主站与通信距离长且比较重要ET200 从站间的通信采用加装光纤链路模块OLM，实现光纤通信模式，组建冗余环网，从而保证门式启闭机运行可靠性。光纤通信传输较PROFIBUS DP 总线通信有以下几点优点：传输损耗低，可传输15～20 km；传输频带宽，光纤的频带可达10 GB 以上；抗干扰能力强，光纤传输的载波为光波，是频率极高的电磁波，不受强电的干扰；安全性能高，光纤采用玻璃材质，不导电，防雷击，机械性能好。通过光纤链路模块OLM/G12 组成冗余环网中即使其中一个站点光缆断开，通信自动变成总线形式正常通信，大大增加通信网络的容错率和可用性。

2 工作制动器控制冗余完善

2.1 实施原因

门式启闭机各机构工作制动器动作仅依靠PLC控制，其中门式启闭机主起升合闸后安全制动器一直处于打开状态，如果此时控制工作制动器的输出模块通道被击穿，工作制动器将会自动打开，出现遛钩、溜车等现象，严重时会造成重物失落事故。

2.2 风险分析

以启闭机主起升电机工作制动器为例，当PLC对应工作制动器打开的数字量输出点接通后，接触器得电吸合，控制回路中的中间继电器吸合，工作制动器得电打开。虽然主起升电机变频器的制动器控制输出信号进入PLC 中，作为工作制动器打开输出程序的条件之一，但无法在制动器硬线控制回路中作为制动器控制条件。若门式启闭机电源合闸后，PLC 对应工作制动器打开的数字量输出通道击穿，输出点保持常开输出，工作制动器自动打开，造成起升机构重物失落事故，是极大的安全隐患。

2.3 优化方案

在起升机构工作制动器控制回路中增加变频器的硬线常开接点（制动器控制方式），其中接触器由PLC 输出点控制，中间继电器由变频器抱闸控制输出节点控制，只有PLC 的控制接点和变频器的控制接点同时吸合后，工作制动器才能打开。避免了因PLC模块通道击穿，而发生工作制动器误动作的风险。

3 防风铁楔控制冗余完善

3.1 实施原因

门式启闭机防风铁楔装置在关断操作后或门式启闭机断电后，铁楔落下楔死车轮。若门式启闭机大车运行机构未完全停止运行时，防风楔铁已经动作则会发生碾压防风铁楔楔块的情况，对防风铁楔及门式启闭机产生较大的冲击损害。

3.2 风险分析

防风铁楔控制程序存在不可靠的安全隐患。门式启闭机大车机构“置零”控制程序中没有加入防风铁楔状态地址条件，当防风铁楔处于关闭状态时，大车机构变频器接收不到“置零”指令，仍会保持原状态运行，可能会发生碾压防风铁楔楔块的情况。

3.3 优化方案

在大车机构置零程序中增加防风铁楔状态反馈信号，保证防风铁楔在任何状态关闭时，大车机构都能够停止运行。并设置大车机构变频器通信中断参数（P222=1 000），最多允许通信中断1 s，中断后1 s立即停机，停止大车机构运行。

4 超载功能冗余优化

4.1 实施原因

门式启闭机判断起升载荷是否超载仅仅依靠单一的称重仪显示输出。称重仪作为一套电气的传感测量显示系统，其传感器测量的精度、显示的准确性无法方便地校核，每次准确校核必须通过门式启闭机起吊标准配重块进行负荷试验的方法校核，进而无法充分保障门式启闭机称重传感系统时时处于无偏差运行。为有效判断称重传感系统的正确性，在称重传感系统出现偏差的情况下，门式启闭机不至于发生超载运行严重故障，需要增加另外一套称重载荷判断保护，保障门式启闭机运行安全。

4.2 优化方案

在门式启闭机的变频器电气传动系统中，变频器在起升时处于恒转矩运行，重载运行工况时变频器输出电流与起升载荷可近似于正比线型关系。可根据变频器输出电流与载荷比例关系，设置起升载荷报警值，加强门式启闭机吊运载荷时的安全可靠性。

编制程序将变频的电流数值转换对应成门式启闭机的载荷数值，并加入变频器电流的控制条件，变频器电流上限值不能升至额定电流的1.3 倍；变频的电流折算至载荷数值后，当经过电流折算后的载荷数值达到额定载荷的90%时报警，110%载荷时保护动作断电，起升机构停止运行。

5 结语

通过对门式启闭机的电气控制系统进行了上述优化改造后，设计缺陷带来的安全隐患已经消除，通信故障已基本解决，保护功能得到了加强，设备运行情况良好，其安全稳定性得到了有效保障。