一種浮式檢修門沉浮量自動(dòng)檢測(cè)裝置

望 昊，杜 滿，胡 航，秦一帆，習(xí) 武

（長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002）

0 引言

浮式檢修門（簡(jiǎn)稱為“浮門”）是一種用于輔助船閘閘室排干的浮箱式擋水門，是船閘閘室排干施工的重要封堵設(shè)備。浮門沉浮量是指浮門在檢修門槽內(nèi)沉浮作業(yè)期間，浮門門體下沉或上浮的數(shù)值，一般需精確到厘米。浮門在沉浮作業(yè)時(shí)，沉浮量的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，直接影響浮門沉浮過程的控制判斷和安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判。數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確可能會(huì)造成浮門下沉不到位、封堵不可靠；數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性不夠還會(huì)使作業(yè)人員對(duì)浮門浮態(tài)判斷錯(cuò)誤或不及時(shí)，造成浮門在沉浮過程中傾斜過大甚至有卡在檢修門槽內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，設(shè)計(jì)一種浮門沉浮量的自動(dòng)檢測(cè)裝置對(duì)于浮門沉浮作業(yè)控制的安全性提升具有十分重要的意義。本文基于拉繩式開度儀和三峽船閘浮門沉浮作業(yè)環(huán)境，進(jìn)行浮門沉浮量檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)。

1 裝置需求分析

1.1 裝置設(shè)計(jì)目標(biāo)與原則

浮門沉浮量檢測(cè)裝置需實(shí)現(xiàn)三峽船閘浮門在檢修門槽內(nèi)沉浮作業(yè)期間，浮門沉浮量的自動(dòng)檢測(cè)。

浮門沉浮量檢測(cè)裝置需基于拉繩式開度儀設(shè)計(jì)，采用將拉繩開度儀傳感器本體安裝在浮門門體端，拉繩端固定在閘墻端的方式，裝置布置簡(jiǎn)圖如圖1 所示，浮門沉浮作業(yè)時(shí)拉繩的長(zhǎng)度變化值即為浮門沉浮量。

圖1 裝置布置簡(jiǎn)圖

1.2 裝置技術(shù)指標(biāo)

1）檢測(cè)精度。根據(jù)沉浮作業(yè)浮態(tài)判斷需求，裝置檢測(cè)精度需精確到厘米，傳感器檢測(cè)精度需精確到毫米。

2）防護(hù)等級(jí)。根據(jù)檢修門槽環(huán)境和浮門作業(yè)環(huán)境，裝置需滿足室外運(yùn)行工況，防護(hù)等級(jí)不低于IP64。

3）檢測(cè)量程。裝置檢測(cè)量程需滿足檢測(cè)最大浮門沉浮行程Hmax，檢測(cè)裝置量程取Hmax的1.5 倍。Hmax=H2-H3-H1，其中H1為浮門門體常規(guī)排空吃水值；H2為船閘下游最高檢修水位；H3為檢修門槽底檻高程。

4）數(shù)據(jù)接口類型。裝置檢測(cè)數(shù)據(jù)需接入浮門PLC控制系統(tǒng)，沉浮量需在人機(jī)界面顯示，數(shù)據(jù)接口類型應(yīng)為同步串行接口（SSI）。

5）傳感器編碼器類型。裝置檢測(cè)數(shù)據(jù)掉電需能保存位置信息，傳感器的編碼器應(yīng)為絕對(duì)值編碼器。

6）數(shù)據(jù)顯示刷新周期。裝置檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示刷新周期不超過250 ms。

7）安裝校準(zhǔn)便捷。裝置安裝校準(zhǔn)或拆解復(fù)位時(shí)長(zhǎng)不大于20min，裝置大小、重量、穩(wěn)固性滿足現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求。

2 裝置設(shè)計(jì)

2.1 裝置安裝位置選擇

2.1.1 傳感器拉繩端安裝位置

三峽南、北線船閘的浮門沉放檢修門槽非中隔墩側(cè)和中隔墩側(cè)的形式不同，門槽簡(jiǎn)圖如圖2 所示。非中隔墩側(cè)的門槽，從閘墻頂?shù)降讬憛^(qū)間，上部分為平面，下部分為梯形凹槽。中隔墩側(cè)的門槽，從閘墻頂?shù)降讬憛^(qū)間為從頂?shù)降滓恢碌姆叫伟疾邸Ｍ瑫r(shí)中隔墩側(cè)閘墻頂高程低于南北兩側(cè)閘墻高程。結(jié)合門槽環(huán)境可知，裝置岸上部分適合安裝在中隔墩側(cè)閘墻頂。

圖2 檢修門槽簡(jiǎn)圖

2.1.2 傳感器安裝位置

浮門在檢修門槽內(nèi)沉浮過程需保持與上游止水面的貼合。沉浮作業(yè)時(shí)采用人工系纜的方式，系纜端為浮門門頂兩端的系纜樁和門槽閘墻上縱向排列的固定系纜點(diǎn)。浮門門頂兩側(cè)上游部分區(qū)域?yàn)橄道|區(qū)，如圖3 所示。裝置需避開系纜區(qū)安裝于下游側(cè)。

圖3 浮門系纜簡(jiǎn)圖

由于浮門門體無(wú)法進(jìn)行打磨焊接等作業(yè)。檢測(cè)傳感器的安裝需充分利用現(xiàn)有可安裝支點(diǎn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察可知，浮門門頂布置有多處欄桿立桿安裝支座。可依托欄桿支座進(jìn)行設(shè)計(jì)。綜合各項(xiàng)因素，裝置傳感器的最佳安裝點(diǎn)，如圖4 所示。

圖4 裝置傳感器最佳安裝點(diǎn)

2.1.3 傳感器拉繩端相對(duì)安裝高度

浮門門體在沉浮作業(yè)期間與檢修門槽中隔墩側(cè)閘墻之水面的相對(duì)位置不固定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，浮門在上下游方向的偏移量較小可忽略，南北側(cè)的偏移量最大為40 cm。

2.2 裝置安裝設(shè)計(jì)

裝置的安裝涉及拉繩開度儀本體和拉繩端兩部分，拉繩開度儀安裝在浮門頂部，拉繩端安裝在中隔墩側(cè)閘墻，安裝方式簡(jiǎn)圖如圖5 所示。安裝設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，分別是浮門端傳感器支座、閘墻端可調(diào)節(jié)拉繩支架。安裝設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足安裝環(huán)境要求，能可靠固定傳感器，能進(jìn)行拉繩開度儀的拉繩垂直校準(zhǔn)，確保拉繩的長(zhǎng)度變化值即為浮門沉浮量。

圖5 拉繩開度儀安裝方案（俯視圖）

2.2.1 浮門端傳感器支座

浮門端傳感器支座需依托欄桿支座固定在浮門上，需結(jié)合欄桿支座尺寸數(shù)據(jù)和拉繩開度儀尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。支座設(shè)計(jì)為三部分，分別為固定支架、位移平臺(tái)、安裝板。固定支架根據(jù)欄桿支座螺孔設(shè)計(jì)了安裝槽套裝在浮門防護(hù)欄桿U 型支座上實(shí)現(xiàn)固定，且不影響欄桿立桿安裝拆解。位移平臺(tái)設(shè)計(jì)用于拉繩開度儀的拉繩垂直校準(zhǔn)，平臺(tái)有兩套滑塊結(jié)構(gòu)，平臺(tái)上有可調(diào)節(jié)的螺絲長(zhǎng)圓孔，用于調(diào)節(jié)測(cè)量?jī)x器南北方向的移動(dòng)。安裝板設(shè)計(jì)用于固定開度儀本體，安裝在位移平臺(tái)滑塊上。浮門端傳感器支座的設(shè)計(jì)如圖6所示。

2.2.2 閘墻端可調(diào)節(jié)拉繩支架

閘墻端可調(diào)節(jié)拉繩支架通過閘墻頂水泥護(hù)欄固定，由卡在閘墻護(hù)欄上的鋼支座和延長(zhǎng)金屬桿組成。鋼支座安裝于閘墻頂水泥護(hù)欄上，用螺栓固定，支座頂端平面平臺(tái)中心有一個(gè)直徑為10 mm 的圓孔通過10 mm 的螺桿固定延長(zhǎng)金屬桿的一端。中心圓孔附近有兩條直徑為10 mm 的半圓弧道，可調(diào)節(jié)金屬桿的旋轉(zhuǎn)角度，從而改變金屬桿末端位置，可用于拉繩垂直校準(zhǔn)。鋼支座設(shè)計(jì)如圖7 所示。延長(zhǎng)金屬桿一端固定于鋼支座上，另一端設(shè)計(jì)有調(diào)節(jié)孔可用于固定和調(diào)節(jié)拉繩端。

2.3 裝置硬件設(shè)計(jì)

裝置的硬件設(shè)計(jì)主要包括前端部分、傳輸部分和后端數(shù)據(jù)處理部分，硬件設(shè)計(jì)如圖8 所示。

圖8 硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 前端部分

前端部分主要完成浮門沉浮量數(shù)據(jù)的采集，筆者選用了滿足裝置技術(shù)指標(biāo)的拉繩式開度儀作為數(shù)據(jù)采集傳感器。傳感器的供電由浮門甲板中部控制區(qū)電源柜備用電源取電，經(jīng)供電電纜外接至傳感器安裝位置。

2.3.2 傳輸部分

前端采集的數(shù)據(jù)需傳輸?shù)礁￠T甲板中部控制區(qū)的PLC數(shù)據(jù)采集模塊。拉繩式開度儀的數(shù)據(jù)接口為同步串行接口（SSI），筆者選用了滿足戶外敷設(shè)和防護(hù)等級(jí)的雙層屏蔽鎧裝通信電纜與接口，確保信號(hào)傳輸穩(wěn)定。

2.3.3 后端數(shù)據(jù)處理部分

前端傳感器接入PLC 數(shù)據(jù)采集模塊后，通過編程數(shù)據(jù)處理后得出浮門沉浮量數(shù)值（顯示到毫米，精確到厘米）。在人機(jī)界面新增沉浮量數(shù)據(jù)顯示區(qū)，使沉浮作業(yè)人員可通過人機(jī)界面查看浮門沉浮量數(shù)值和輸入零點(diǎn)值進(jìn)行沉浮量數(shù)值校準(zhǔn)。

3 裝置測(cè)試

裝置在2022 年三峽南線船閘計(jì)劃性停航檢修浮門沉浮作業(yè)期間完成相關(guān)測(cè)試。

3.1 裝置安裝

裝置分為固定安裝部分和現(xiàn)場(chǎng)安裝校準(zhǔn)部分。在浮門仍處于門庫(kù)停放位時(shí)，完成裝置固定部分的安裝與接線，浮門托移到檢修門槽區(qū)滿足止水面貼合條件后，進(jìn)行支架部分延長(zhǎng)金屬桿的安裝、拉繩端固定、拉繩垂直校準(zhǔn)（利用垂線、垂塊輔助校準(zhǔn)）。

3.2 裝置讀數(shù)校準(zhǔn)

裝置正常通電后，浮態(tài)平穩(wěn)具備下沉條件時(shí)，在人機(jī)界面進(jìn)行沉浮量讀數(shù)校零。

3.3 裝置測(cè)試方法

在閘墻止水面垂直下放毫米刻度皮尺和垂線，始終保持皮尺垂直。浮門端固定測(cè)量板指向皮尺，用于沉浮量準(zhǔn)確讀數(shù)。沉浮作業(yè)期間對(duì)皮尺讀數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)錄制與人工讀數(shù)，對(duì)人機(jī)界面沉浮量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔，對(duì)裝置的檢測(cè)精度進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)試裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝校準(zhǔn)時(shí)間，對(duì)裝置的安裝便捷性進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

裝置的設(shè)計(jì)充分考慮了浮門現(xiàn)場(chǎng)工況，因地制宜，裝置固定可靠、安裝校準(zhǔn)便捷，防護(hù)等級(jí)滿足現(xiàn)場(chǎng)工況。裝置測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，檢測(cè)精度滿足設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證具備投入條件。但裝置仍需從浮門漂移離開門槽等進(jìn)行拉繩應(yīng)急掛接解除設(shè)計(jì)優(yōu)化，來進(jìn)一步降低設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和作業(yè)人員安全風(fēng)險(xiǎn)。