水電站升船機電氣控制系統(tǒng)探究

摘 要：作為一種水利通航設(shè)施，升船機適用于水頭高、上下游水位落差大的河流，具有節(jié)約水資源、過船速度快等優(yōu)點，現(xiàn)已被廣泛運用于高壩電站、旅游過船等水利水電工程。升船機的設(shè)備包括了機械設(shè)備、電氣設(shè)備以及液壓設(shè)備3大類，機械設(shè)備又可分為上游閘首設(shè)備、下游閘首設(shè)備、承船廂設(shè)備、平衡重設(shè)備、主提升設(shè)備等。本文對水電站升船機的電氣控制系統(tǒng)展開概述。

關(guān)鍵詞：水電站；升船機；電氣；控制系統(tǒng)

中圖分類號：U642 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）29-0172-02

引 言

升船機是當今世界上克服航道上集中落差，解決船舶過壩問題的一種主要的通航建筑物型式，也是船廠建造新船和維修時的主要工作臺。這種型式的通航建筑物由于其形式多樣性、高水頭適應性、船舶過閘快捷性、投資節(jié)約性、技術(shù)條件簡約性等優(yōu)點而得到廣泛的應用。

隨著升船機的廣泛應用，其安全穩(wěn)定運行也成為日益關(guān)注的焦點。由于升船機是一個多子系統(tǒng)之間相互結(jié)合在一起的龐大系統(tǒng)，為了對系統(tǒng)運行的復雜工況進行有效控制，必須具備良好的運行控制系統(tǒng)。因此，分析升船機主體運行控制系統(tǒng)方案，研究各設(shè)備運行狀態(tài)及運行特點，分析每一個設(shè)備、每一個環(huán)節(jié)故障種類、原因、數(shù)量等，并在此基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化升船機運行工藝，對于提高升船機運行保障能力具有十分重要的意義。本文以某水電站升船機為例，展開相關(guān)概述。

1 某升船機設(shè)計條件和主要技術(shù)參數(shù)

1.1 升船機設(shè)計條件

標準船型分2類：單船（排水量3000t客貨輪）84.5m×17.2m×2.65m（長×寬×吃水）；船隊（排水量1500t貨駁單船）109.4m×14m×2.78m（長×寬×吃水）。

1.2 升船機主要技術(shù)參數(shù)

（1）船廂主要技術(shù)參數(shù)

有效水域120m×18m×3.5m（長×寬×水深）；干舷高0.8m；走道寬度≥1.5m；通航凈空18m。

（2）船廂驅(qū)動系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

最大提升高度113m；最小提升高度71.2m；船廂升降速度0.2m/s；船廂正常升降加速度±0.01m/s2；船廂升降最大允許誤載水深±0.1m。

2 某升船機主體結(jié)構(gòu)

某升船機的主要建筑有上閘首、下閘首、承重塔柱。上閘首兼有擋水壩段及升船機閘首雙重功能，其整體型式為U形混凝土結(jié)構(gòu)；承重塔柱主要承擔承船廂及平衡重共3.1萬t的重量，承擔著船廂最高113m的垂直升降。上、下閘首之間是升船機工作運行的核心部位，主要由船廂、船廂設(shè)備、平衡重系統(tǒng)等構(gòu)成。船廂為盛水鋼結(jié)構(gòu)，用于承載船只翻越高壩。

2.1 承船廂

承船廂整體長度共計132m，設(shè)計的可用寬度即兩側(cè)踏板之間的距離18m。承船廂側(cè)壁由縱向空心廂梁構(gòu)成。縱向空心主廂梁寬2.3m，這樣整個承船廂橫截面的寬度達到23m。承船廂由4個驅(qū)動裝置驅(qū)動（位于承船廂的1/4處），每個驅(qū)動裝置由1個傳動齒輪和2個傳動機構(gòu)組成，帶有鼠籠轉(zhuǎn)子式電動機在兩側(cè)驅(qū)動傳動齒輪。承船廂驅(qū)動裝置總共使用8個電動機。

2.2 安全裝置

升船機的安全裝置由3個主要部件組成：①旋轉(zhuǎn)螺桿（旋轉(zhuǎn)阿基米德螺線）；②螺母柱；③旋轉(zhuǎn)螺桿導向支架4連接柱。安全裝置將承船廂固定在混凝土結(jié)構(gòu)上，承船廂安全機構(gòu)可防止發(fā)生失控運行情況。

2.3 平衡重系統(tǒng)

平衡重系統(tǒng)由平衡組、鋼絲繩、鎖定裝置、平衡鏈、導向裝置等組成。平衡重由鋼絲繩通過平衡滑輪與承船廂相聯(lián)。平衡組底部懸掛平衡鏈，平衡鏈的另一段繞過塔柱底的導向輪懸掛在承船廂的底部，以平衡承船廂運行時因鋼絲繩長度變化而產(chǎn)生的不平衡載荷。

3 某升船機現(xiàn)狀概述

某升船機布置在某水利樞紐的左岸，雙線5級永久船閘的右側(cè)，7號和8號非溢流壩段之間，從上游口門至下游口門全線總長約為5000m。升船機設(shè)計過船規(guī)模為3000t級船舶，承船廂帶水最大提升重量約1.55萬t，最大提升高度113m，正常升降運行的速度0.2m/s。

升船機具體運行工藝流程如下：①船舶下行。船舶進入上游升船機引航道→船廂運行至上游停靠位停準→船廂頂緊并鎖定→船廂推出密封框→向船廂與閘首間的間隙充水→打開上閘首和船廂的閘門→船舶進入船廂并系纜→關(guān)閉船廂門和閘首門→調(diào)節(jié)船廂內(nèi)的誤載水體→排除間隙水→收回密封框→收回鎖定和頂緊裝置→船廂起動并向下游運行→抵達下游后停準→船廂頂緊并鎖定→船廂推出密封框→向船廂與閘首間的間隙充水→打開下首和船廂的閘門→船舶松纜并出廂。②船舶上行。上行過程基本與下行過程相同。

4 升船機電氣控制系統(tǒng)概述

升船機電氣控制系統(tǒng)通常主要由上位計算機集控系統(tǒng)和現(xiàn)地控制系統(tǒng)組成。

4.1 升船機電氣控制系統(tǒng)存在的不足

雖然某升船機運行控制系統(tǒng)采用了當前國際最先進的技術(shù)，為項目運行管理帶來了極大的方便，但是目前仍存在以下不足之處：

（1）傳感器網(wǎng)絡的復雜性。某升船機傳感器網(wǎng)絡信息采用的是傳統(tǒng)的有線傳輸，需要鋪設(shè)大量的傳遞介質(zhì)，所需時間長，且人工成本較高；另外，硬件線路也容易出現(xiàn)老化現(xiàn)象，導致通信故障，后期維修及更換成本更好。尤其是升船機內(nèi)部設(shè)備彼此緊密相聯(lián)，一旦出現(xiàn)問題，所影響范圍較大。

（2）監(jiān)控數(shù)據(jù)和指令的不完全共享性。某升船機電氣控制系統(tǒng)中，主要由上位計算機集控系統(tǒng)以及現(xiàn)地控制站組成，該裝置只能各自獨立完成其自身權(quán)限范圍內(nèi)的控制功能，這必然導致運行管理的復雜性。

（3）監(jiān)測信息的不完備性。某升船機的監(jiān)控系統(tǒng)能夠較準確地對電氣、液壓等設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，但是對機械結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷、機構(gòu)運行準確位置目前仍然不能實行有效的監(jiān)控。

（4）組態(tài)軟件的通用性差。某升船機控制系統(tǒng)組態(tài)軟件采用RockwellAllen-Bradley公司Facto-ryTalkView。該軟件雖然擁有多方面優(yōu)勢，但是其配套設(shè)備價格昂貴、技術(shù)服務不便、通用性不高等問題，對升船機的運行控制會產(chǎn)生一定影響。

（5）組態(tài)過程的復雜性。某升船機的Facto-ryTalkView軟件是基于圖元的觸摸屏組態(tài)軟件，組態(tài)界面由各種基本圖形及由基本圖形組合的開關(guān)、儀表、閥門等大量部件組成，組態(tài)過程復雜，同時監(jiān)控信息量大。

4.2 升船機計算機電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，升船機計算機控制技術(shù)同樣也在發(fā)展，新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制裝置、軟件等不斷涌現(xiàn)，使得我們進一步思考升船機計算機控制技術(shù)的主要發(fā)展方向。

（1）傳感器網(wǎng)絡的無線化

與傳統(tǒng)的有限傳感器網(wǎng)絡不同，無線傳感器網(wǎng)絡具有靈活性強、經(jīng)濟性好、精細度高等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應用，勢必也是傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢。

（2）網(wǎng)絡共享化

升船機電氣控制系統(tǒng)由上位機和現(xiàn)場控制單元等計算機設(shè)備構(gòu)成，其可以獨立運行完成其自身權(quán)限內(nèi)的控制功能，但讓這些計算機設(shè)備彼此相互協(xié)調(diào)工作，就像需要挖掘潛在的計算機控制系統(tǒng)功能，必須通過網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)共享等，更好地協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)所有設(shè)備的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化運行。

網(wǎng)絡共享計算機控制系統(tǒng)，可以共享計算機硬件設(shè)備、裝置，進而減少控制系統(tǒng)設(shè)備的投資、維護工作量。除內(nèi)部計算機和設(shè)備網(wǎng)絡外，升船機計算機控制系統(tǒng)還可以與調(diào)度自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換。調(diào)度計算機通過網(wǎng)絡通信向計算機控制系統(tǒng)發(fā)送調(diào)度命令。升船機的計算機控制系統(tǒng)將各設(shè)備的運行參數(shù)和狀態(tài)傳遞給調(diào)度計算機。調(diào)度系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)備狀態(tài)自動調(diào)度升船機，以及確定調(diào)度命令是否允許發(fā)出。可以看出，升船機電氣控制網(wǎng)絡化使其必然發(fā)展方向。

（3）人工智能化

升船機計算機電氣控制系統(tǒng)的智能化主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的人工智能診斷、操作指導、事故處理和故障處理等方面。人工智能技術(shù)已經(jīng)被引入到工程控制系統(tǒng)的各個領(lǐng)域，不僅可以快速的查找出故障，還可以對自動化控制流程進行優(yōu)化。

（4）組態(tài)軟件的國產(chǎn)化和通用化

組態(tài)軟件的強大功能早已受到工程技術(shù)人員的青睞，而國外的組態(tài)軟件價格昂貴且通用性差，其國產(chǎn)化和通用化是必然的發(fā)展趨勢。

5 結(jié)束語

某升船機經(jīng)歷60多年論證和近10年的施工，進入運行階段。本文結(jié)合某升船機電氣控制系統(tǒng)，指出了我國升船機電氣控制系統(tǒng)存在傳感器網(wǎng)絡復雜性、數(shù)據(jù)不可共享性、信息不完備性、組態(tài)軟件通用性差等缺點，為控制系統(tǒng)科研人員提供參考，同時對升船機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢做了預測，指出傳感器網(wǎng)絡無線化、網(wǎng)絡共享化、人工智能化、組態(tài)軟件的國產(chǎn)化和通用化是其今后的發(fā)展方向。

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收稿日期：2018-9-6

作者簡介：張笑凡（1991-），男，助理工程師，大專，主要從事工程管理工作。