數字化絞車在水文纜道中的應用

陳勝軍

（陜西省水文水資源勘測局安康水文站，陜西 安康 725000）

1 安康水文站概況

設立于1934年。集水面積38625km2，距河口里程1018km，屬于漢江干流控制站，區域代表站，國家重要水文站，測驗精度為Ⅰ類。

建站目的：收集漢江水文資料，掌握漢江洪水、洪量、沙量的變化過程及規律，為防汛抗旱、水工程規劃設計、水資源開發利用與管理、水環境綜合治理、防洪影響評價、以及漢江水庫群安全度汛提供基本水文數據。

由于受1983年特大洪水影響，1989年上遷1300 m至現斷面，流量、泥沙測驗采用測船。2004年由陜西省水文水資源局開始建設，也是陜西省最大跨度的水文纜道。由于當時受技術和設備條件限制，存在繞線多，滑輪和絞車磨損嚴重等不安全隱患。2010年進行改造，更換了絞車、更改了游繩繞線方式，由于設計理念差異不能很好的兼容，信號、計數等系統時常出故障，不能保證大洪水正常測報工作。隨著陜西省水文工作的不斷發展變化，新儀器設備的增多，2014年安康水文站首先實驗鉛魚加裝ADCP測流方法，經過一年的實驗研究。這種方法有較好的操作性，測驗精度高、大洪水多普勒測流系統不會因漲落水風波浪對探頭入水的影響。2015年開始了新纜道系統的研發，2018年竣工完成投入使用。

2 數字化絞車設計思路

水文纜道絞車驅動系統主要分為電動和人工兩種。對于安康水文站這種大跨度纜道（489 m）,鉛魚重530 kg，主索起伏變化大，對驅動和承載系統要求高，且沒有成熟的經驗和現成的設備可用。從2004年安康水文站新建纜道到2010年纜道改造，水文絞車一直是影響纜道正常運轉的瓶頸。為解決這個技術難題，安康水文站與河北寶鼎大華公司在2015年共同研發了數字化智能絞車系統。通過三年的實驗研究解決了諸多技術難題，經過一年多的試運行，發現該技術具有：技術先進、運行可靠、操作簡便、故障率低等特點(設計承載安全系數＞4倍)。

改造纜道驅動設備自動控制鉛魚入水深度，使鉛魚自動水面運行滿足ADCP走航式測流，使新儀器最大限度地提高利用率，具備可操作性，同時提升了測量精度和減輕工作效率。絞車設計圖與實物圖分別見圖1、圖2。絞車參數見表1。

圖1 絞車設計圖

圖2 絞車實物圖

表1 絞車參數

3 創新功能

1）首創了在水文絞車上使用伺服電機，通過pLC編程電腦和絞車有效結合，實現了自動控制與人工控制，運行狀態一目了然，極大的提高了運行速度和安全操作，使鉛魚運行更加平穩。同時伺服電機還具備一下特點：對位置、速度控制精準，能精確控制起點距及水深，啟動扭矩大，調速范圍寬，瞬間功率大等優點，是水文纜道最佳的動力裝置。

2）絞車上加裝不銹鋼安全防塵罩，頂面為有機玻璃視頻監控清晰可見，在操作臺上可以直接通過視頻查看絞車運行狀態，側面安裝有觸摸顯示屏，操作人員在絞車房也可以查看當前鉛魚所處位置、所測水深、流速、鉛魚運行速度等測驗數據，也可以在觸摸屏上進行升降、前進、后退等操作控制。為今后中小河流纜道建設減少成本提升實用性起到好的借鑒作用。

3）在卷揚系統加裝自動排線裝置，配合起重索升降自動校正鋼絲繩的偏轉，避免因鋼絲繩打彎、纏繞、碾壓、脫槽等造成的安全隱患。實現了鋼絲繩在卷筒內每圈排繩整齊有序。

4）解決了一直以來困擾安康站測流難的問題，可以用ADCP走航測流，又可以利用纜道流速儀自動測流。豐富了測驗手段，特別是受上游安康電站開關閘水位漲落變化快，傳統測流形式不能滿足水位漲落變幅。加快了測流時間，為搶測洪峰過程提供了保證，同時也為安康水文站及其類似水文站提高水文測驗質量和精度提供技術支撐。提高工作效率，減輕運行成本。

5）伺服電機與減速機直連，改變了原電機與減速機通過皮帶輪或轉軸連接方式帶來的機械損耗，絞車制動采用電磁控制。使絞車加減速和正反轉更加平穩順滑。（原安康站纜道驅動、卷揚系統均使用10 kW電機加變頻器），改造后采用5.5 kW伺服電機，節約了日常測驗成本。(因設計具有創新和實用性，2018年2月獲國家專利局頒發的實用新型專利證書)。

4 運行情況

安康水文站纜道于2018年1月改造完成并交付使用運行，截止2019年4月共進行流量測驗69次，每次測流水平運行距離360 m，升降高度32 m，其中流速儀測流44次，測流用時≤1 h。ADCP測流25次用時≤30 min，比原纜道運行速度提升1倍，對搶測洪峰提供有力技術保證。

用編碼器設置參數調整脈沖當量改變減速比，保證起點距位置和水深的準確性，利用人機對話實現了流速儀自動測流、ADCP自動走航測流和ADCP定點測流功能。

在纜道操作過程中行車和鉛魚運行平穩，啟動運行加減速可以任意設置調節，本站采用雙電機配置，起重索升降，循環索進退同時完成，縮短了運行歷時，同時解決了一般纜道由于啟動運行時齒輪或傳動軸的沖擊摩擦導致測流纜道不能正常運轉的難題。

5 測量成果分析

安康水文站于2018年1月對纜道進行改造完成，2018年開始ADCP與流速儀的對比分析工作，共采用ADCP測流17次，同時有流速儀測流相對應的資料，由于安康站上游17 km處有火石巖電站開關閘影響，兩種測驗方式不能在同一級水位下進行，分別用流速儀測流成果和ADCP測流成果制作水位/流量關系曲線見圖3。

圖3 安康水文站ADCP測流與流速儀測流比測成果統計分析圖

通過比測分析ADCP測流系統與流速儀測流，有很好的相關關系。采集樣本23次，見表2。

表2 ADCP測流與流速儀測流比測成果統計分析表

其中第2、9測次誤差＞10%，誤差原因：流量小水位漲落快。其他21次都在流量測驗誤差范圍內，流量、面積、平均流速均在測驗誤差范圍內符合本站斷面水流特性。滿足流量測驗規范要求。

6 結語

1）伺服電機在水文纜道作為絞車的驅動源，是一場新技術革命，改變了原電機加變頻器控制的諸多不足，實現了數字化控制纜道操作系統，也是智能化、現代化在水文測驗中的應用。

2）水文測站原纜道絞車系統大多為20世紀七八十年代的產品，由于各省市水流特性不同，絞車形式也沒有統一的標準，從安全的角度考慮大多制作的“傻、大、笨”，且輸出功率低下。伺服電機在機器人和自動控制中的廣泛應用，有效提升了工作效率、測驗精度，保障安全生產。

3）該設備由微機系列、主控接口、計算機控制接口、調速系統和水下信號系統五部分與計算機連接在相應的軟件支持下，通過指令控制各設備正常運轉，并自動采集原始數據進行綜合處理。

4）安康水文站走航式ADCP測流系統鑲嵌在鉛魚內，要求探頭入水深度一致，由于纜道跨度大主索垂度為（500 m×0.04=20 m），500 kg的鉛魚延行車前行形成集中荷載。鉛魚在行走的過程中隨著主索垂度的變化而變化，不能保持一致的入水深。在鉛魚上安裝一套水面識別裝置，鉛魚的行進過程中通過指令發送給絞車進行自動調整升降高度，以保持ADCP入水深度相同。鉛魚始終延水面自動運行，將復雜的人工操作，通過計算機控制，實現了水文纜道更新、更強，使測驗手段更加豐富。

5）該絞車系統結構簡單、成本低、科技含量高，適應各大、中、小河流纜道改造建設更新換代，具有較好的推廣前景。