基于全平衡垂直升船機監控系統試驗研究

林宗霖

摘 要：以水口全平衡垂直升船機為例，介紹了升船機監控系統設備、存在問題與技術改造，水口升船機是大慣量設備，安全運行的關鍵技術措施是：單機構控制流程要有嚴格的邏輯閉鎖條件，通過實驗驗證邏輯閉鎖條件的正確性。通過對試驗數據的分析和研究，關鍵參數的優化，減少單機構動作時間，提高通航效率。

關鍵詞：全平衡；升船機；控制流程；邏輯閉鎖；試驗

中圖分類號：U642 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2016）08-0074-03

水口2×500t級全平衡垂直升船機，2005年投入試運行，是國內首座建在高壩上并成功投運的快速高效通航設施，在設計、制造、安裝、試驗及運行等均無經驗可借鑒。水口升船機由主提升、上閘首、承船廂、下閘首、主控站、信號檢測及配電等設備組成，最大提升高度59m，額定運行速度0.2m/s，運動總質量16000t，運行事故采用首創的事故二級調壓制動技術，實現升船機平穩停機。監控系統控制對象涉及多學科多專業的技術集成，集數據采集、計算、監視、控制、邏輯閉鎖條件判斷、繼電器控制、大慣量的設備拖動控制、信號檢測和事故保護于一身，運行工況相當復雜，為了監控系統改造后升船機能安全穩定運行，必須通過試驗發現并消除潛在的安全隱患。

1 監控系統設備

升船機監控系統由主控站和5套現地PLC子站（主提升、上閘首、承船廂上、下游、下閘首）組成。

（1）主控站。主控站設在集控室，由數據服務器、操作員站、工程師站和多媒體服務器等設備組成。

（2）主提升。主提升4個吊點各設一套鋼絲繩卷揚機裝置和一套五級齒輪減速箱及其潤滑油泵，每個吊點16組重力平衡重，4組可控平衡重，由一臺直流電機驅動，采用內環式閉環剛性同步軸聯成一體；上下游各設一套液壓泵站：控制8對工作制動器（簡稱工制）和112對安全制動器（簡稱安制）；信號檢測和配電系統。

（3）上閘首。閘首門及其液壓啟閉機；閘首門上液壓泵站：控制閘首臥倒門（簡稱臥倒門）、對接密封框、鎖錠及拉緊裝置；信號檢測和配電系統。

（4）承船廂上、下游。上、下游子站互為備用；承船廂4個吊點各設一套液壓泵站：控制上、下游臥倒門、上、下游防撞梁、撐緊裝置；安全鎖定裝置；信號檢測和配電系統。

（5）下閘首。閘首門及其液壓啟閉機；閘首門上液壓泵站：控制臥倒門、對接密封框、鎖錠及拉緊裝置；信號檢測和配電系統。

2 技術改造

監控系統設備于1999年安裝運行，采用西門子S5 PLC與主控站通過L2網通訊，經過十幾年來運行，PLC模塊整體老化嚴重、無備品備件、影響故障實時反饋、無事故追憶功能、故障頻發等需進行升級改造。

改造內容：主控站和5套現地子站，主控站與子站用光纜通訊。優化人機界面，增加單機構操控流程。

3 單機構控制流程邏輯閉鎖條件

邏輯閉鎖條件是升船機安全運行的關鍵，各子站單機構控制流程嚴格執行下面所列的邏輯閉鎖條件，一個條件不滿足流程即停止。主控站執行控制流程時再次判斷。+表示“與”的關系。

3.1 主提升

（1）承船廂運行：主提升準備好+上、下臥倒門關到位+承船廂上、下游臥倒門關到位+上、下閘首解除對接到位+撐緊退到位+承船廂安全鎖定裝置收回到位+承船廂水平+2.42m≤承船廂水深≤2.51m+閘首門行程左右偏差≤2cm。

（2）工制松閘：安制上閘到位。

（3）安制松閘：工制上閘到位。

3.2 上閘首

（1）閘首門解鎖：航道水位≥55m+左右油缸在上極限位。

（2）閘首門粗調：閘首門解鎖到位+閘首解除對接到位+1.5m≥底檻水深≥2.8m+|航道水位反算底檻水深-底檻水深|<20cm+粗調令。

（3）閘首門精調：閘首門解鎖到位+閘首解除對接到位+2.42m≥底檻水深≥2.57m+|航道水位反算底檻水深-底檻水深|<20cm+精調令。

（4）閘首鎖錠穿銷：承船廂與閘首精準停位+2.57m≥底檻水深≥2.42m+主拖動停機+工制安制上閘到位。

（5）閘首對接：閘首左右鎖錠進到位+撐緊進到位。

（6）充間隙水：閘首對接到位+撐緊進到位+臥倒門關到位+承船廂臥倒門關到位。

（7）開臥倒門：臥倒門區無船+承船廂臥倒門區無船+閘首對接到位+撐緊進到位+間隙水深≥2.45m+2.57m≥底檻水深≥2.42m。

（8）下行進船：臥倒門開到位+承船廂臥倒門開到位+防撞梁降到位+閘首對接到位+下游防撞梁升到位+承船廂下游臥倒門關到位+撐緊進到位。

（9）關臥倒門：臥倒門區無船+承船廂臥倒門區無船。

（10）閘首解除對接：臥倒門關到位+承船廂臥倒門關到位+間隙水深≤2cm。

（11）排間隙水：閘首對接到位+撐緊進到位+臥倒門關到位+承船廂臥倒門關到位+防撞梁升到位+間隙水深≥15cm。

3.3 承船廂

承船廂分上、下游，上游對應上閘首，下游對應下閘首。

（1）開承船廂臥倒門：臥倒門區無船+承船廂臥倒門區無船+閘首對接到位+撐緊進到位+間隙水深≥2.45m+2.57m≥底檻水深≥2.42m。

（2）關承船廂臥倒門：臥倒門區無船+承船廂臥倒門區無船。

（3）撐緊進：閘首鎖定進到位。

（4）撐緊退：閘首解除對接到位。

（5）承船廂水深調整：閘首對接到位+承船廂臥倒門開到位+臥倒門關到位+2.42m>承船廂水深>2.51m。

3.4 下閘首

（1）閘首門解鎖：航道水位≥6.05m+左右油缸在上極限位。

（2）閘首門粗調：閘首門解鎖到位+閘首解除對接到位+1.5m≥底檻水深≥2.8m+|航道水位反算底檻水深-底檻水深|<20cm+粗調令。

（3）閘首門精調：閘首門解鎖到位+閘首解除對接到位+2.42m≥底檻水深≥2.57m+|航道水位反算底檻水深-底檻水深|<20cm+精調令。

（4）閘首鎖錠穿銷：承船廂與閘首精準停位+2.57m≥底檻水深≥2.42m+主拖動停機+工制安制上閘到位。

（5）閘首對接：閘首左右鎖錠進到位+撐緊進到位。

（6）充間隙水：閘首對接到位+撐緊進到位+臥倒門關到位+承船廂臥倒門關到位。

（7）開臥倒門：臥倒門區無船+承船廂臥倒門區無船+閘首對接到位+撐緊進到位+間隙水深≥2.45m+2.57m≥底檻水深≥2.42m。

（8）上行進船：臥倒門開到位+承船廂臥倒門開到位+防撞梁降到位+閘首對接到位+上游防撞梁升到位+承船廂上游臥倒門關到位+撐緊進到位。

（9）關臥倒門：臥倒門區無船+承船廂臥倒門區無船。

（10）閘首解除對接：臥倒門關到位+承船廂臥倒門關到位+間隙水深≤2cm。

（11）排間隙水：閘首對接到位+撐緊進到位+臥倒門關到位+承船廂臥倒門關到位+防撞梁升到位+間隙水深≥15cm。

4 試驗

試驗分步進行，先現地子站試驗，后主控站總聯調試驗。每個控制流程試驗時，人工模擬流程的邏輯閉鎖條件，檢驗流程正確性，試驗過程發現異常或缺陷即停止，消缺后繼續試驗。試驗時，設備均無故障，上閘首門65.1m，上游航道水位61.76m，下閘首門21.79m，下游航道水位6.71m，承船廂水深2.5m。試驗過程，主控站數據服務器接收并記錄各子站所有電機電流、電壓、溫度，各液壓泵站動作壓力值、動作時間，對關鍵參數進行分析研究、優化調整和重新整定以節省單機構動作時間。關鍵參數數據量太多受字數所限（略）。

4.1 現地子站

4.1.1 主提升

流程試驗：

（1）啟動潤滑油泵站；

（2）工制松閘；

（3）安制松閘；

（4）故障保護柜流程試驗：承船廂運行過程中出現8種事故啟動事故二級調壓制動：①主提升掉電；②上、下行過卷；③上、下行極限；④主拖動電機過速；⑤上位機急停；⑥制動器液壓泵站油箱油位低；⑦故障柜手動操作；⑧工制或安制松閘信號丟失；為了安全承船廂升降速度均設2m/min。

（5）確認承船廂沿程4個位置校驗開關設定值，上行校驗值為42.37m、35.32m、28.26m、21.34m，下行校驗值為42.38m、35.31m、28.26m、21.35m。

（6）閘首門上設有5個光電對射開關，分別是停止精調位、位置校驗位、準確停位、越位和超限保護。升船機承船廂2m/min速度上、下運行，模擬上、下閘首越位信號，承船廂快停，模擬上、下閘首超限信號，承船廂急停，確認信號正確。

4.1.2 上閘首

流程試驗：①閘首門解鎖，在主控站方式，自動粗調降至61.76m底檻水深2.5m；②承船廂上行與閘首精準對位，上行過程均收到停止精調、位置校驗、準確停位信號；③閘首對接：鎖錠穿銷→拉緊→對接密封框推出；④充間隙水至2.5m；⑤開臥倒門；⑥關臥倒門→排間隙水→對接密封框退回→松拉緊→鎖錠退回；⑦提閘首門至投鎖。

4.1.3 承船廂上游

承船廂與上閘首對接到位后，流程試驗：①撐緊進；②開上游臥倒門并降防撞梁；③關上游臥倒門并升防撞梁；④撐緊退。

4.1.4 承船廂下游

承船廂與下閘首對接到位后，流程試驗：①撐緊進；②開下游臥倒門并降防撞梁；③關下游臥倒門并升防撞梁；④撐緊退。

4.1.5 下閘首

流程試驗：①閘首門解鎖，在主控站方式，自動粗調降至6.71m底檻水深2.5m；②承船廂下行與閘首精準對位，下行過程均收到停止精調、位置校驗、準確停位信號；③閘首對接：鎖錠穿銷→拉緊→對接密封框推出；④充間隙水至2.5m；⑤開臥倒門；⑥關臥倒門→排間隙水→對接密封框退回→松拉緊→鎖錠退回；⑦提閘首門至投鎖。

4.2 主控站

主控站發承船廂運行命令，主提升子站解除安制和工制松閘相互閉鎖條件。

（1）承船廂運行。操作員站計算并下載主拖動控制參數：預加力矩、運行速度、上行目標位置、下行目標位置、承船廂當前位置。承船廂上（下）運行流程：啟動滑油泵→啟動液壓泵→工制松閘→消除五級齒輪間隙→工制上閘→安制松閘→上（下）行命令→工制松閘→松閘校核→承船廂運行→自動停機（或手動停機、快速停機、事故停機）→工制上閘→安制上閘→液壓泵停機→滑油泵停機。其中：自動停機是停在預設的目標位，離目標位6m開始減速至停機，事故停機由故障保護柜強制執行事故二級調壓制動。

（2）上班恢復流程：上、下閘首門解鎖→安制充壓→工制充壓→承船廂上（下）運行與閘首精準對位→上（下）閘首對接。

（3）上行流程：上行進船→停止進船→關下臥倒門→承船廂水深調整→關承船廂下游臥倒門→排間隙水→解除下閘首對接→撐緊退回→承船廂上行與上閘首精準對位→鎖錠穿銷→撐緊進→上閘首對接→開承船廂上游臥倒門→開上臥倒門→上行出船。

（4）下行流程：下行進船→停止進船→關上臥倒門→承船廂水深調整→關承船廂上游臥倒門→排間隙水→解除上閘首對接→撐緊退回→承船廂下行與下閘首精準對位→鎖錠穿銷→撐緊進→下閘首對接→開承船廂下游臥倒門→開下臥倒門→下行出船。

（5）解除上游對接流程：關上臥倒門→承船廂水深調整→關承船廂上游臥倒門→排間隙水→解除上閘首對接→撐緊退回→承船廂下行至目標位。

（6）解除下游對接流程：關下臥倒門→承船廂水深調整→關承船廂下游臥倒門→排間隙水→解除下閘首對接→撐緊退回→承船廂上行至目標位。

（7）安全鎖錠裝置試驗。承船廂運行至安全鎖錠裝置允許位停機，在安全鎖錠裝置投入/退回人機界面上操作流程試驗。

5 結束語

水口升船機運動慣量大，控制流程邏輯閉鎖條件繁雜，為了監控系統技改后升船機安全可靠運行，需進行多次細致試驗，經缺陷處理、流程優化，平均船舶過升船機時間從38.2min減少到28.3min，試驗驗證了各項技術指標達到或超過設計要求。在參數整定、邏輯閉鎖條件完善、人機界面優化、數據管理和運行危險點等方面收獲大量試驗數據以及現場試驗成果，可供國內十幾座正在建設的全平衡垂直升船機運行、試驗借鑒，為我國升船機運行、試驗技術規范編制提供成功的試驗實例依據。