三峽升船機電氣控制系統介紹

摘 要：作為目前世界上提升高度最大的升船機，三峽升船機具有建設規模大、技術難度高、運行控制復雜特點。為確保三峽升船機的安全運行，三峽升船機采用先進計算機監控系統并配以各種先進的傳感器實現三峽升船機的自動控制。本文介紹了三峽升船機電氣控制系統。

關鍵詞：升船機 電氣控制系統 傳感器

三峽水利樞紐主要由擋水和泄水建筑物、發電建筑物以及通航建筑物組成。通航建筑物有雙線五級船閘和一級垂直升船機。三峽升船機采用齒輪齒條爬升式垂直升船機，過船規模3000t，最大提升高度113m，上游通航水位變幅30m，下游通航水位變幅11.8m。布置在三峽樞紐左岸，位于雙線五級船閘右側、左岸7#、8#非溢流壩段之間，是船舶快速過壩通道，由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道等部分組成。

三峽升船機電氣控制系統主要由供配電系統、計算機監控系統、電氣傳動控制系統、檢測系統、圖像監控系統、通航信號及廣播系統設備等組成。

三峽升船機供配電系統

三峽升船機供配電系統設備由供配電工作站、塔柱供配電系統、船廂供配電系統等組成。供配電工作站由1臺工作站、1套變電控制站組成，塔柱供配電系統由2套10kV供配電系統、2套0.4kV供配電系統、1套直流電源、1套EPS電源組成。船廂供配電系統由4套10kV供配電系統組成、4套船廂0.4kV供配電系統、1套低壓開關裝置等組成。塔柱10kV供配電系統、0.4kV供配電系統、直流電源、EPS電源布置在塔柱+196.00m高程北側、南側。船廂10kV供配電系統、0.4kV供配電系統、低壓開關裝置分別布置在船廂1.1、2.1、3.1、4.1電氣室。三峽升船機供配電系統采用三回獨立的10kV電源供電，一回引自左岸電廠，另兩回引自壇子嶺變電站。

三峽升船機供配電系統設備負責升船機上閘首工作門橋機及輔助門橋機、上/下閘首工作門、上/下廂頭工作門、上/下閘首啟閉機房、泄水工作閥門、集中控制室、船廂驅動機構、工作/安全制動器、充泄水系統、檢測系統、消防系統、空調系統、照明系統、1-6#電梯等設備供電。

三峽升船機計算機監控系統

三峽升船機計算機監控系統主要由集中控制系統、現地控制系統、安全控制系統和網絡設備四部分組成。三峽升船機計算機監控系統采用兩層集散分布式結構，分為上層管理層和級間控制層兩層。上層管理層和級間控制層之間采用雙1000M工業以太環網連接，實現數據交換。管理層和圖像視頻系統、通航及廣播指揮系統間采用1000M工業以太網，通過對運行數據的交換共同實現整個升船機系統的操作、控制功能?？刂凭W和管理網分離的結構將升船機控制與管理進行了適當的隔離，可以提高控制系統性能、確保系統安全、提高管理效能。通過計算機系統對控制網和管理網的跨越，實現了控制系統與管理系統的數據融合，實現了升船機系統的分散控制、集中管理。三峽升船機計算機監控系統系統結構圖見圖1。

三峽升船機計算機監控系統PLC選擇Control Logix系列。計算機監控系統軟件分為系統軟件和應用軟件。應用軟件主要由監控系統軟件、圖像監控系統控制軟件、廣播系統控制軟件、仿真培訓軟件等組成。監控系統軟件主要由上位機組態軟件及PLC編程軟件組成，上位機組態軟件采用Factory Talk VIEW，PLC編程軟件采用RSLogix5000。

1、集中監控系統

集中監控系統由操作員站、工程師站、I/O服務器、數據存儲服務器、通信服務器、圖像監控系統服務器/工作站、廣播系統工作站、工業以太網交換機等組成。

集中監控系統采集現地控制系統各項信息、數據，并根據事先升船機運行工藝的要求，按照預先編制好的運行流程，進行升船機整體運行的控制與操作。集中監控系統具有自動控制、人機對話、實時數據采集與處理、時鐘同步、系統狀態自診斷、故障報警及應對處理、實時數據庫管理、歷史數據庫管理、記錄及歷史報表打印、本地網絡和網際通信等功能。集控典型操作界面如圖2。

2、現地控制系統

現地控制系統由上廂頭控制站、下廂頭控制站、上閘首控制站、下閘首控制站等組成?，F地控制系統具有采集現場傳感器信息、閉鎖條件、故障報警等信息，并根據集控、現地指令，進行控制站接觸器、中間繼電器控制，實現對船廂門、輸水閥門及液壓啟閉機系統的控制。

上/下廂頭控制站由1套冗余熱備的CPU主站、3個遠程I/O站組成。分別布置于船廂上/下廂頭控制柜。船廂上/下廂頭控制站主要實現船廂門開啟/關閉、防撞裝置上升/下降、間隙密封框進/退等機構控制、船廂水位檢測調節，船廂間隙充/泄水控制等功能。上/下閘首PLC控制站由1套冗余熱備的CPU主站、3個遠程I/O站組成。分別布置于上/下閘首機房、工作門、活動橋控制柜。上/下閘首控制站主要實現活動公路橋啟/閉、上/下閘首工作門內臥倒門啟/閉、上閘首泄水系統等設備操作、狀態監視等功能。現地控制系統操作界面見圖3。

3、安全控制系統

為了保證三峽升船機安全運行，在計算機控制系統之外，三峽升船機設計了一套安全控制站，采用安全等級更高的安全PLC系統，以對聯鎖系統進行控制。這種設計繼承傳統升船機設置硬件閉鎖的好的經驗，同時提供獨立運行的安全等級更高的故障安全PLC系統可靠性更高，提供優先級更高的緊急操作接口，確保自動流程于正確的時間起動、以正確的程序運行并最終安全完成，還將確保整個過程不出現危害性故障。

安全控制系統具有能判斷上閘首、船廂和下閘首各控制系統之間的安全運行條件，核準上閘首、船廂和下閘首各機構動作步序的閉鎖條件和升船機運行的動作順序流程，升船機運行狀態及實時過程數據的采集，運行工藝的安全邏輯運算與處理。升船機狀態檢測和故障診斷，事故處理及恢復操作指導等主要功能。

三峽升船機電氣傳動控制系統endprint

三峽升船機電氣傳動控制系統由傳動控制站、交流變頻裝置等組成。傳動控制站由1套冗余PLC主站、12套遠程I/O站組成。冗余PLC主站布置在3#驅動點，遠程I/O站分別布置在1#～4#驅動點電氣傳動控制站控制柜。交流變頻裝置由8套變頻控制柜，8臺交流變頻電機組成，交流變頻裝置及交流變頻電機，布置于升船機承船廂內，由傳動控制站控制。

其主要功能是控制承船廂的驅動電動機、液壓導向系統、液壓制動系統、齒輪箱稀油潤滑系統、小齒輪潤滑系統、同步軸干油潤滑系統等機電設備的運行，以及承船廂行程、同步軸扭矩和機電設備狀態等信號的檢測處理，實現升船機承船廂的正常運行和安全保護功能。電氣傳動控制系統見圖4。

檢測系統

升船機檢測設備多，檢測監控對象分布范圍廣，是電氣控制系統中控制參數和狀態信息的來源，是電控系統不可缺少的重要組成部分。檢測系統由水位（水深）測量、行程位移測量、船廂減速停位檢測、監護檢測系統、船舶探測、位置檢測等組成，分別布置上閘首、承船廂、工作門、下閘首相關設備上。

水位（水深）測量為上/下游水位測量，上/下閘首航道口門通航水深測量，船廂水位測量，船廂間隙水位測量，船廂間隙水管水位測量，船廂室漏水檢測。行程位移測量為船廂全行程檢測、船廂局部行程檢測。船廂減速停位檢測為上游端兩側、下游端兩側減速停位檢測。監護檢測系統為同步軸扭矩檢測，驅動小齒輪荷載檢測。船舶探測為探測工作門門區有無船只。船舶探測點為承船廂上/下廂頭、上/下閘首工作門船舶探測。位置檢測裝置為檢測各類設備是否按系統規定的動作步驟準確地到位或退位，位置檢測傳感器有行程開關、接近開關、紅外光電開關。

圖像監控系統

升船機圖像監控系統由圖像監控服務器、圖像監控工作站、視頻矩陣切換器、攝像機、硬盤錄像機、液晶拼接顯示屏、網絡交換機、光端機、視頻分配器等組成。具備升船機設備運行情況、船舶過往情況、參觀人員流動情況監控，向控制室操作人員和安全保衛部門提供現場實時圖像，對歷史圖像進行完整的保存與再現，與火災自動報警及聯動控制系統配合等功能。

三峽升船機的圖像監控系統采用先進的數字技術，對三峽升船機系統的運行過程進行實時監控，全面獲取整個升船機運行情況的實時圖像，從而保障三峽升船機的安全運行。三峽升船機圖像監控系統視頻圖像信號采用模擬制式，遠程圖像傳輸采用數字通信方式，并以通航調度和現場運行監視為主、安全防范監視為輔。三峽升船機的圖像監控系統結構圖如圖8。

通航信號及廣播系統

升船機通航信號系統由通航指揮信號燈、遠程信號燈、航道標志燈組成。通航信號裝置根據升船機的運行流程進行自動切換控制。

廣播系統設備由有線/無線話筒、錄音機、激光唱機、前置放大器、均衡器、分區控制器、功率放大器、揚聲器、廣播多媒體站等設備組成。分別布置于196電氣室廣播控制柜、上閘首、承船廂、下閘首機房及走道。用于指揮船舶進出升船機和宣講通航知識、安全注意事項等功能。廣播系統具有自動語音播放功能，升船機計算機監控系統根據過壩工藝流程發出的控制指令，對各個區域（船廂室或上、下游航道）播放預先存儲在廣播多媒體站硬盤中的聲音文件，實現升船機自動播音的通航廣播指揮。手動控制播音功能采用無線話筒和有線話筒直接播音或播放錄制好的通航指揮錄音，實現船舶過壩的臨場廣播指揮，能手動控制錄音機、激光唱機實現背景音樂的廣播。緊急廣播功能緊急廣播功能包括消防緊急廣播和通航事故緊急廣播。

結語

升船機已于2012年5月完成土建工程施工，2014年5月完成船廂金屬結構與機械、電氣設備的安裝，2015年12月進行試運行。屆時，船舶通過三峽升船機的時間大約26分鐘，而船舶通過三峽船閘的時間大約150分鐘，三峽升船機通航將極大縮短船舶通過三峽樞紐的時間。

參考文獻：

【1】鄧李，《ControlLogix系統實用手冊》，北京：機械工業出版社，2008

【2】張白帆，《低壓成套開關設備的原理及其控制技術》，北京：機械工業出版社，2014

【3】《長江三峽水利樞紐升船機主體設備制造、安裝、調試工程招標文件》，湖北·宜昌：中國長江三峽集團公司、長江勘測規劃設計研究有限責任公司，2010

【4】屈斌，《船閘升船機計算機監控系統簡介》，《自動化博覽》，2013

（作者單位：長江三峽通航管理局）endprint