基于重錘測距技術(shù)的浮式系船柱卡阻監(jiān)測裝置在龍溪口船閘的應(yīng)用

王建林，鄭春，向震宇，張曉君，周有寶

（1.四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610017；2.岷江公司龍溪口分公司總包部，四川 犍為 614400）

1 引言

浮式系船柱作為過閘船舶在閘室內(nèi)系纜固定的主要部件，其工作方式為隨著船閘閘室水位的升降而上下浮動，滿足過閘船舶的系纜要求，是船閘工程的重要組成部分。在船閘的實(shí)際運(yùn)行中，浮式系船柱的使用頻率往往很高。

龍溪口船閘位于四川岷江河段，該河段具有高原、山地地貌和山區(qū)河流的特點(diǎn)，河谷深切，水面寬度50～100m，山高坡陡，灘多流急。屬于典型的山區(qū)性河流，汛期水位陡漲陡落、峰高時短、水位變幅大等特點(diǎn)。該船閘建成后運(yùn)行階段，船閘在灌泄水時，浮式系船柱隨著閘室內(nèi)水位變化快速升降，同時受船舶系纜拉力和水流沖擊力的影響或系纜不規(guī)范等出現(xiàn)不同程度的傾斜；或遇水中異物附著浮式系船柱兩側(cè)軌道槽造成浮式系船柱卡阻。導(dǎo)致閘室內(nèi)系纜船舶傾覆或船閘構(gòu)筑物損壞等安全事故，而傳統(tǒng)的浮式系船柱的管理方法主要依靠人工巡視，可靠度有限，存在較大安全隱患。

為響應(yīng)船閘“無人化、少人化”管理發(fā)展的大趨勢，保障船閘安全運(yùn)行和船舶安全過閘，推進(jìn)船閘運(yùn)行智能化發(fā)展，亟需開展浮式系船柱工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究。近年來，國內(nèi)已有學(xué)者開展浮式系船柱表面應(yīng)變、系纜力的分析與檢測等方面的研究，將浮式系船柱所受系纜力與預(yù)警閾值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對浮式系船柱的系纜安全評估。但在實(shí)際運(yùn)行中浮式系船柱受力和應(yīng)變情況復(fù)雜，與船舶系纜角度、方向及位置等因素都有關(guān)，系船柱的工作狀態(tài)還受到其兩側(cè)導(dǎo)輪運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)等因素的影響，因此，可通過直接檢查系船柱的高程變化來判斷是否存在卡阻、升降遲緩等問題。

本文依托龍溪口船閘工程，在利用重錘測距技術(shù)，獲得浮式系船柱位置關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出一套適用于山區(qū)河流特性的船閘浮式系船柱工作狀態(tài)監(jiān)測裝置，對于提高船閘工程安全運(yùn)行管理水平、推動行業(yè)科技進(jìn)步均具有重要的意義。

2 卡阻監(jiān)測裝置的設(shè)計

設(shè)計目標(biāo)是通過以通信技術(shù)為基礎(chǔ)，融合工業(yè)監(jiān)測技術(shù)結(jié)合船閘運(yùn)行中的安全需求，通過對浮式系船柱上下移動距離的實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測，綜合利用傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、重錘系統(tǒng)、智能編碼技術(shù)，以船閘浮式系船柱為對象、以空間信息為基礎(chǔ)，設(shè)計浮式系船柱工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并接入船閘運(yùn)行控制系統(tǒng)中，與船閘輸水閥門聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)對過閘船舶在閘室的安全進(jìn)行預(yù)判和管控。

2.1 系統(tǒng)組成

卡阻監(jiān)測裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由控制系統(tǒng)（工業(yè)計算機(jī)）、數(shù)據(jù)采集器、重錘測距裝置等三部分組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

重錘測距裝置由鋼絲繩、鉛錘、智能計米器組成。其中：鋼絲繩采用6×7 鋼芯，直徑Φ8mm，長度25m；鉛錘采用圓柱形，外形尺寸d=10cm，h=18cm，重量16kg；智能計米器采用多圈絕對式編碼器，只需投用時一次人工校正在后期運(yùn)行中能自動校正，分辨率5～10000 線，厘米級精度，帶數(shù)字顯示和超限報警功能，采用A、B 兩相聯(lián)接模式，能正反向計數(shù)，防護(hù)等級IP65，輸入電壓AC220V，輸出電壓DC12V，配置RS485 串口。

為了保證重錘測距裝置數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和時效性，船閘浮式系船柱進(jìn)行編號，采用將串口信息轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)網(wǎng)口信息的數(shù)據(jù)傳輸方案，實(shí)現(xiàn)RS485 串口與TCP/IP 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)雙線透明傳輸，每個重錘裝置擁有唯一的Modbus 地址，按編號進(jìn)行排列。通過Modbus RTU 通信協(xié)議定時采集浮式系船柱高程數(shù)據(jù)，并通過光纖接入閘首機(jī)房的PLC 控制柜內(nèi)，將數(shù)據(jù)放置在存儲區(qū)域，將串口信息轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信息。

將浮式系船柱的位置狀態(tài)接入船閘運(yùn)行的控制系統(tǒng)中，并結(jié)合船閘控制系統(tǒng)的其他參數(shù)來控制輸水閥門的開度，因此工業(yè)計算機(jī)采用船閘控制系統(tǒng)所用上位機(jī)，設(shè)置于船閘集中控制室內(nèi)。

2.2 重錘測距裝置的結(jié)構(gòu)

重錘測距裝置安裝與閘室對應(yīng)的浮式系船柱上方，主要包括重錘、鋼絲繩、智能計米器等。設(shè)計結(jié)構(gòu)圖和裝置現(xiàn)場安裝圖分別詳見圖2 和圖3。

圖2 設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

圖3 裝置現(xiàn)場安裝圖

2.3 工作原理

卡阻監(jiān)測裝置將浮式系船柱作為重錘的一端，另一端采用鉛錘。其工作原理為：當(dāng)閘室充水時浮式系船柱上浮，鉛錘下落鋼絲繩帶動軸承轉(zhuǎn)動；當(dāng)閘室泄水時浮式系船柱通過重力下落，鉛錘向上運(yùn)動，帶動軸承轉(zhuǎn)動。智能計米器通過編碼器記錄軸承正反轉(zhuǎn)動圈數(shù)。

其中 H：浮式系船柱高程；H'：船舶進(jìn)出閘時閘室水位；n：軸承轉(zhuǎn)動圈數(shù)；d：軸承直徑。

由于軸承周長也是固定的。智能計米器只需要記錄浮式系船柱上下浮動時，軸承轉(zhuǎn)動的圈數(shù)n，便可以計算出鋼絲繩上下移動距離，實(shí)時監(jiān)測浮式系船柱位移狀態(tài)，當(dāng)浮式系船柱高程與閘室水位不一致或誤差過大時，則表明系船柱卡阻。

2.4 功能特點(diǎn)

裝置利用重錘原理進(jìn)行測距，簡單可靠，采用簡單的物理接觸式測量，避免了浮式系船柱附著泥沙或其他漂浮物，以及船閘其他特殊環(huán)境的影響。裝置利用鋼絲纜繩進(jìn)行連接，鋼絲繩強(qiáng)度高且耐腐蝕，還有鋼絲纜繩長度可以很長，可以進(jìn)行大量程的測量。采用機(jī)械式測距，減少電氣元器件，后期維護(hù)保養(yǎng)工作量小。

2.5 輸出信號

龍溪口船閘共11 組浮式系船柱，左右閘室共22 個，每個裝置的智能計米器由220V 電壓提供，浮式系船柱上下移動帶動軸承轉(zhuǎn)動，與軸承連接的智能計米器通過記圈器件進(jìn)行多個位置的記錄和測量，通過計算，在自帶的數(shù)顯裝置上顯示移動距離，并通過光纖將計算處理后的數(shù)據(jù)傳至船閘控制室進(jìn)行顯示，監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果見圖4。每個監(jiān)測裝置具有獨(dú)立的地址，一旦其中某個系船柱出現(xiàn)卡阻，在控制系統(tǒng)顯示屏上均能出現(xiàn)報警。

圖4 控制系統(tǒng)裝置監(jiān)測結(jié)果顯示

圖5 裝置監(jiān)測控制流程段

2.6 加入船閘運(yùn)行控制流程

常規(guī)的船閘運(yùn)行控制流程為過閘船舶從上游或者下游進(jìn)入船閘，直至安全駛離的過程中，對船閘本身的工作閘、閥門先后開閉的流程。

為減少或避免浮式系船柱卡阻對船閘安全運(yùn)行的影響，將裝置監(jiān)測結(jié)果接入船閘運(yùn)行控制流程中。利用控制系統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié)原理，根據(jù)采集到的浮式系船柱的位置信息實(shí)時調(diào)節(jié)輸水閥門的開度。為保證船閘運(yùn)行程序流暢，在保持常規(guī)流程不變的情況下僅加入下面的這一段流程。

2.7 使用效果

根據(jù)裝置監(jiān)測結(jié)果顯示的數(shù)據(jù)表明，本裝置的監(jiān)測精度能達(dá)到厘米級誤差在4～5.5cm 之間，能滿足船閘安全運(yùn)行對浮式系船柱管控的需要。

3 結(jié)語

船閘運(yùn)行中對浮式系船柱狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，是船閘監(jiān)測技術(shù)的一次革新、提高船閘安全運(yùn)行的管理水平。為船閘安全運(yùn)行過程控制提供了重要手段，可創(chuàng)立船閘浮式系船柱狀態(tài)監(jiān)測理論，可以有效減少船閘管理人員工作強(qiáng)度、提升船閘工程建設(shè)安全運(yùn)行水平，確保了工程效益的穩(wěn)定發(fā)揮，對保證工程效益、促進(jìn)行業(yè)科技進(jìn)步發(fā)展有著重要作用。浮式系船柱監(jiān)測裝置對確保船閘安全、高效具有重要的應(yīng)用價值，為船閘“無人化、少人化”的發(fā)展起到引領(lǐng)性地示范作用和強(qiáng)勁的推動力。