三峽升船機電氣控制系統(tǒng)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(shè)規(guī)模大、技術(shù)難度高、運行控制復(fù)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(jiān)控系統(tǒng)并配以各種先進的傳感器實現(xiàn)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(tǒng)。

關(guān)鍵詞：升船機 電氣控制系統(tǒng) 傳感器

三峽水利樞紐主要由擋水和泄水建筑物、發(fā)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(guī)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(cè)、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(tǒng)主要由供配電系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)、電氣傳動控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、圖像監(jiān)控系統(tǒng)、通航信號及廣播系統(tǒng)設(shè)備等組成。

三峽升船機供配電系統(tǒng)

三峽升船機供配電系統(tǒng)設(shè)備由供配電工作站、塔柱供配電系統(tǒng)、船廂供配電系統(tǒng)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(tǒng)由2套10kV供配電系統(tǒng)、2套0.4kV供配電系統(tǒng)、1套直流電源、1套EPS電源組成。船廂供配電系統(tǒng)由4套10kV供配電系統(tǒng)組成、4套船廂0.4kV供配電系統(tǒng)、1套低壓開關(guān)裝置等組成。塔柱10kV供配電系統(tǒng)、0.4kV供配電系統(tǒng)、直流電源、EPS電源布置在塔柱+196.00m高程北側(cè)、南側(cè)。船廂10kV供配電系統(tǒng)、0.4kV供配電系統(tǒng)、低壓開關(guān)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(tǒng)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(tǒng)設(shè)備負(fù)責(zé)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(qū)動機構(gòu)、工作/安全制動器、充泄水系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、1-6#電梯等設(shè)備供電。

三峽升船機計算機監(jiān)控系統(tǒng)

三峽升船機計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要由集中控制系統(tǒng)、現(xiàn)地控制系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備四部分組成。三峽升船機計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用兩層集散分布式結(jié)構(gòu)，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(yè)以太環(huán)網(wǎng)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。管理層和圖像視頻系統(tǒng)、通航及廣播指揮系統(tǒng)間采用1000M工業(yè)以太網(wǎng)，通過對運行數(shù)據(jù)的交換共同實現(xiàn)整個升船機系統(tǒng)的操作、控制功能?？刂凭W(wǎng)和管理網(wǎng)分離的結(jié)構(gòu)將升船機控制與管理進行了適當(dāng)?shù)母綦x，可以提高控制系統(tǒng)性能、確保系統(tǒng)安全、提高管理效能。通過計算機系統(tǒng)對控制網(wǎng)和管理網(wǎng)的跨越，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)了升船機系統(tǒng)的分散控制、集中管理。三峽升船機計算機監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

三峽升船機計算機監(jiān)控系統(tǒng)PLC選擇Control Logix系列。計算機監(jiān)控系統(tǒng)軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件主要由監(jiān)控系統(tǒng)軟件、圖像監(jiān)控系統(tǒng)控制軟件、廣播系統(tǒng)控制軟件、仿真培訓(xùn)軟件等組成。監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要由上位機組態(tài)軟件及PLC編程軟件組成，上位機組態(tài)軟件采用Factory Talk VIEW，PLC編程軟件采用RSLogix5000。

1、集中監(jiān)控系統(tǒng)

集中監(jiān)控系統(tǒng)由操作員站、工程師站、I/O服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、通信服務(wù)器、圖像監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器/工作站、廣播系統(tǒng)工作站、工業(yè)以太網(wǎng)交換機等組成。

集中監(jiān)控系統(tǒng)采集現(xiàn)地控制系統(tǒng)各項信息、數(shù)據(jù)，并根據(jù)事先升船機運行工藝的要求，按照預(yù)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(jiān)控系統(tǒng)具有自動控制、人機對話、實時數(shù)據(jù)采集與處理、時鐘同步、系統(tǒng)狀態(tài)自診斷、故障報警及應(yīng)對處理、實時數(shù)據(jù)庫管理、歷史數(shù)據(jù)庫管理、記錄及歷史報表打印、本地網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)際通信等功能。集控典型操作界面如圖2。

2、現(xiàn)地控制系統(tǒng)

現(xiàn)地控制系統(tǒng)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(xiàn)地控制系統(tǒng)具有采集現(xiàn)場傳感器信息、閉鎖條件、故障報警等信息，并根據(jù)集控、現(xiàn)地指令，進行控制站接觸器、中間繼電器控制，實現(xiàn)對船廂門、輸水閥門及液壓啟閉機系統(tǒng)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(xiàn)船廂門開啟/關(guān)閉、防撞裝置上升/下降、間隙密封框進/退等機構(gòu)控制、船廂水位檢測調(diào)節(jié)，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(xiàn)活動公路橋啟/閉、上/下閘首工作門內(nèi)臥倒門啟/閉、上閘首泄水系統(tǒng)等設(shè)備操作、狀態(tài)監(jiān)視等功能?，F(xiàn)地控制系統(tǒng)操作界面見圖3。

3、安全控制系統(tǒng)

為了保證三峽升船機安全運行，在計算機控制系統(tǒng)之外，三峽升船機設(shè)計了一套安全控制站，采用安全等級更高的安全PLC系統(tǒng)，以對聯(lián)鎖系統(tǒng)進行控制。這種設(shè)計繼承傳統(tǒng)升船機設(shè)置硬件閉鎖的好的經(jīng)驗，同時提供獨立運行的安全等級更高的故障安全PLC系統(tǒng)可靠性更高，提供優(yōu)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(xiàn)危害性故障。

安全控制系統(tǒng)具有能判斷上閘首、船廂和下閘首各控制系統(tǒng)之間的安全運行條件，核準(zhǔn)上閘首、船廂和下閘首各機構(gòu)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(tài)及實時過程數(shù)據(jù)的采集，運行工藝的安全邏輯運算與處理。升船機狀態(tài)檢測和故障診斷，事故處理及恢復(fù)操作指導(dǎo)等主要功能。

三峽升船機電氣傳動控制系統(tǒng)endprint

三峽升船機電氣傳動控制系統(tǒng)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(qū)動點，遠程I/O站分別布置在1#～4#驅(qū)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(nèi)，由傳動控制站控制。

其主要功能是控制承船廂的驅(qū)動電動機、液壓導(dǎo)向系統(tǒng)、液壓制動系統(tǒng)、齒輪箱稀油潤滑系統(tǒng)、小齒輪潤滑系統(tǒng)、同步軸干油潤滑系統(tǒng)等機電設(shè)備的運行，以及承船廂行程、同步軸扭矩和機電設(shè)備狀態(tài)等信號的檢測處理，實現(xiàn)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(tǒng)見圖4。

檢測系統(tǒng)

升船機檢測設(shè)備多，檢測監(jiān)控對象分布范圍廣，是電氣控制系統(tǒng)中控制參數(shù)和狀態(tài)信息的來源，是電控系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。檢測系統(tǒng)由水位（水深）測量、行程位移測量、船廂減速停位檢測、監(jiān)護檢測系統(tǒng)、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(guān)設(shè)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(cè)、下游端兩側(cè)減速停位檢測。監(jiān)護檢測系統(tǒng)為同步軸扭矩檢測，驅(qū)動小齒輪荷載檢測。船舶探測為探測工作門門區(qū)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(shè)備是否按系統(tǒng)規(guī)定的動作步驟準(zhǔn)確地到位或退位，位置檢測傳感器有行程開關(guān)、接近開關(guān)、紅外光電開關(guān)。

圖像監(jiān)控系統(tǒng)

升船機圖像監(jiān)控系統(tǒng)由圖像監(jiān)控服務(wù)器、圖像監(jiān)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(wǎng)絡(luò)交換機、光端機、視頻分配器等組成。具備升船機設(shè)備運行情況、船舶過往情況、參觀人員流動情況監(jiān)控，向控制室操作人員和安全保衛(wèi)部門提供現(xiàn)場實時圖像，對歷史圖像進行完整的保存與再現(xiàn)，與火災(zāi)自動報警及聯(lián)動控制系統(tǒng)配合等功能。

三峽升船機的圖像監(jiān)控系統(tǒng)采用先進的數(shù)字技術(shù)，對三峽升船機系統(tǒng)的運行過程進行實時監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)視頻圖像信號采用模擬制式，遠程圖像傳輸采用數(shù)字通信方式，并以通航調(diào)度和現(xiàn)場運行監(jiān)視為主、安全防范監(jiān)視為輔。三峽升船機的圖像監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖8。

通航信號及廣播系統(tǒng)

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

廣播系統(tǒng)設(shè)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(qū)控制器、功率放大器、揚聲器、廣播多媒體站等設(shè)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(tǒng)具有自動語音播放功能，升船機計算機監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)過壩工藝流程發(fā)出的控制指令，對各個區(qū)域（船廂室或上、下游航道）播放預(yù)先存儲在廣播多媒體站硬盤中的聲音文件，實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(jié)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(jié)構(gòu)與機械、電氣設(shè)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：

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【2】張白帆，《低壓成套開關(guān)設(shè)備的原理及其控制技術(shù)》，北京：機械工業(yè)出版社，2014

【3】《長江三峽水利樞紐升船機主體設(shè)備制造、安裝、調(diào)試工程招標(biāo)文件》，湖北·宜昌：中國長江三峽集團公司、長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，2010

【4】屈斌，《船閘升船機計算機監(jiān)控系統(tǒng)簡介》，《自動化博覽》，2013

（作者單位：長江三峽通航管理局）endprint