基于全平衡垂直升船機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)試驗(yàn)研究

林宗霖

摘 要：以水口全平衡垂直升船機(jī)為例，介紹了升船機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備、存在問(wèn)題與技術(shù)改造，水口升船機(jī)是大慣量設(shè)備，安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)措施是：?jiǎn)螜C(jī)構(gòu)控制流程要有嚴(yán)格的邏輯閉鎖條件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證邏輯閉鎖條件的正確性。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和研究，關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化，減少單機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間，提高通航效率。

關(guān)鍵詞：全平衡；升船機(jī)；控制流程；邏輯閉鎖；試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2016）08-0074-03

水口2×500t級(jí)全平衡垂直升船機(jī)，2005年投入試運(yùn)行，是國(guó)內(nèi)首座建在高壩上并成功投運(yùn)的快速高效通航設(shè)施，在設(shè)計(jì)、制造、安裝、試驗(yàn)及運(yùn)行等均無(wú)經(jīng)驗(yàn)可借鑒。水口升船機(jī)由主提升、上閘首、承船廂、下閘首、主控站、信號(hào)檢測(cè)及配電等設(shè)備組成，最大提升高度59m，額定運(yùn)行速度0.2m/s，運(yùn)動(dòng)總質(zhì)量16000t，運(yùn)行事故采用首創(chuàng)的事故二級(jí)調(diào)壓制動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)升船機(jī)平穩(wěn)停機(jī)。監(jiān)控系統(tǒng)控制對(duì)象涉及多學(xué)科多專業(yè)的技術(shù)集成，集數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、監(jiān)視、控制、邏輯閉鎖條件判斷、繼電器控制、大慣量的設(shè)備拖動(dòng)控制、信號(hào)檢測(cè)和事故保護(hù)于一身，運(yùn)行工況相當(dāng)復(fù)雜，為了監(jiān)控系統(tǒng)改造后升船機(jī)能安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并消除潛在的安全隱患。

1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備

升船機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由主控站和5套現(xiàn)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(shè)在集控室，由數(shù)據(jù)服務(wù)器、操作員站、工程師站和多媒體服務(wù)器等設(shè)備組成。

（2）主提升。主提升4個(gè)吊點(diǎn)各設(shè)一套鋼絲繩卷?yè)P(yáng)機(jī)裝置和一套五級(jí)齒輪減速箱及其潤(rùn)滑油泵，每個(gè)吊點(diǎn)16組重力平衡重，4組可控平衡重，由一臺(tái)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用內(nèi)環(huán)式閉環(huán)剛性同步軸聯(lián)成一體；上下游各設(shè)一套液壓泵站：控制8對(duì)工作制動(dòng)器（簡(jiǎn)稱工制）和112對(duì)安全制動(dòng)器（簡(jiǎn)稱安制）；信號(hào)檢測(cè)和配電系統(tǒng)。

（3）上閘首。閘首門及其液壓?jiǎn)㈤]機(jī)；閘首門上液壓泵站：控制閘首臥倒門（簡(jiǎn)稱臥倒門）、對(duì)接密封框、鎖錠及拉緊裝置；信號(hào)檢測(cè)和配電系統(tǒng)。

（4）承船廂上、下游。上、下游子站互為備用；承船廂4個(gè)吊點(diǎn)各設(shè)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(hào)檢測(cè)和配電系統(tǒng)。

（5）下閘首。閘首門及其液壓?jiǎn)㈤]機(jī)；閘首門上液壓泵站：控制臥倒門、對(duì)接密封框、鎖錠及拉緊裝置；信號(hào)檢測(cè)和配電系統(tǒng)。

2 技術(shù)改造

監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備于1999年安裝運(yùn)行，采用西門子S5 PLC與主控站通過(guò)L2網(wǎng)通訊，經(jīng)過(guò)十幾年來(lái)運(yùn)行，PLC模塊整體老化嚴(yán)重、無(wú)備品備件、影響故障實(shí)時(shí)反饋、無(wú)事故追憶功能、故障頻發(fā)等需進(jìn)行升級(jí)改造。

改造內(nèi)容：主控站和5套現(xiàn)地子站，主控站與子站用光纜通訊。優(yōu)化人機(jī)界面，增加單機(jī)構(gòu)操控流程。

3 單機(jī)構(gòu)控制流程邏輯閉鎖條件

邏輯閉鎖條件是升船機(jī)安全運(yùn)行的關(guān)鍵，各子站單機(jī)構(gòu)控制流程嚴(yán)格執(zhí)行下面所列的邏輯閉鎖條件，一個(gè)條件不滿足流程即停止。主控站執(zhí)行控制流程時(shí)再次判斷。+表示“與”的關(guān)系。

3.1 主提升

（1）承船廂運(yùn)行：主提升準(zhǔn)備好+上、下臥倒門關(guān)到位+承船廂上、下游臥倒門關(guān)到位+上、下閘首解除對(duì)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(diào)：閘首門解鎖到位+閘首解除對(duì)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(diào)令。

（3）閘首門精調(diào)：閘首門解鎖到位+閘首解除對(duì)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(diào)令。

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

（5）閘首對(duì)接：閘首左右鎖錠進(jìn)到位+撐緊進(jìn)到位。

（6）充間隙水：閘首對(duì)接到位+撐緊進(jìn)到位+臥倒門關(guān)到位+承船廂臥倒門關(guān)到位。

（7）開臥倒門：臥倒門區(qū)無(wú)船+承船廂臥倒門區(qū)無(wú)船+閘首對(duì)接到位+撐緊進(jìn)到位+間隙水深≥2.45m+2.57m≥底檻水深≥2.42m。

（8）下行進(jìn)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(duì)接到位+下游防撞梁升到位+承船廂下游臥倒門關(guān)到位+撐緊進(jìn)到位。

（9）關(guān)臥倒門：臥倒門區(qū)無(wú)船+承船廂臥倒門區(qū)無(wú)船。

（10）閘首解除對(duì)接：臥倒門關(guān)到位+承船廂臥倒門關(guān)到位+間隙水深≤2cm。

（11）排間隙水：閘首對(duì)接到位+撐緊進(jìn)到位+臥倒門關(guān)到位+承船廂臥倒門關(guān)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(duì)應(yīng)上閘首，下游對(duì)應(yīng)下閘首。

（1）開承船廂臥倒門：臥倒門區(qū)無(wú)船+承船廂臥倒門區(qū)無(wú)船+閘首對(duì)接到位+撐緊進(jìn)到位+間隙水深≥2.45m+2.57m≥底檻水深≥2.42m。

（2）關(guān)承船廂臥倒門：臥倒門區(qū)無(wú)船+承船廂臥倒門區(qū)無(wú)船。

（3）撐緊進(jìn)：閘首鎖定進(jìn)到位。

（4）撐緊退：閘首解除對(duì)接到位。

（5）承船廂水深調(diào)整：閘首對(duì)接到位+承船廂臥倒門開到位+臥倒門關(guān)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(diào)：閘首門解鎖到位+閘首解除對(duì)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(diào)令。

（3）閘首門精調(diào)：閘首門解鎖到位+閘首解除對(duì)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(diào)令。

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

（5）閘首對(duì)接：閘首左右鎖錠進(jìn)到位+撐緊進(jìn)到位。

（6）充間隙水：閘首對(duì)接到位+撐緊進(jìn)到位+臥倒門關(guān)到位+承船廂臥倒門關(guān)到位。

（7）開臥倒門：臥倒門區(qū)無(wú)船+承船廂臥倒門區(qū)無(wú)船+閘首對(duì)接到位+撐緊進(jìn)到位+間隙水深≥2.45m+2.57m≥底檻水深≥2.42m。

（8）上行進(jìn)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(duì)接到位+上游防撞梁升到位+承船廂上游臥倒門關(guān)到位+撐緊進(jìn)到位。

（9）關(guān)臥倒門：臥倒門區(qū)無(wú)船+承船廂臥倒門區(qū)無(wú)船。

（10）閘首解除對(duì)接：臥倒門關(guān)到位+承船廂臥倒門關(guān)到位+間隙水深≤2cm。

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

4 試驗(yàn)

試驗(yàn)分步進(jìn)行，先現(xiàn)地子站試驗(yàn)，后主控站總聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。每個(gè)控制流程試驗(yàn)時(shí)，人工模擬流程的邏輯閉鎖條件，檢驗(yàn)流程正確性，試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)異?；蛉毕菁赐Ｖ?，消缺后繼續(xù)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，設(shè)備均無(wú)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(yàn)過(guò)程，主控站數(shù)據(jù)服務(wù)器接收并記錄各子站所有電機(jī)電流、電壓、溫度，各液壓泵站動(dòng)作壓力值、動(dòng)作時(shí)間，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析研究、優(yōu)化調(diào)整和重新整定以節(jié)省單機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間。關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)量太多受字?jǐn)?shù)所限（略）。

4.1 現(xiàn)地子站

4.1.1 主提升

流程試驗(yàn)：

（1）啟動(dòng)潤(rùn)滑油泵站；

（2）工制松閘；

（3）安制松閘；

（4）故障保護(hù)柜流程試驗(yàn)：承船廂運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)8種事故啟動(dòng)事故二級(jí)調(diào)壓制動(dòng)：①主提升掉電；②上、下行過(guò)卷；③上、下行極限；④主拖動(dòng)電機(jī)過(guò)速；⑤上位機(jī)急停；⑥制動(dòng)器液壓泵站油箱油位低；⑦故障柜手動(dòng)操作；⑧工制或安制松閘信號(hào)丟失；為了安全承船廂升降速度均設(shè)2m/min。

（5）確認(rèn)承船廂沿程4個(gè)位置校驗(yàn)開關(guān)設(shè)定值，上行校驗(yàn)值為42.37m、35.32m、28.26m、21.34m，下行校驗(yàn)值為42.38m、35.31m、28.26m、21.35m。

（6）閘首門上設(shè)有5個(gè)光電對(duì)射開關(guān)，分別是停止精調(diào)位、位置校驗(yàn)位、準(zhǔn)確停位、越位和超限保護(hù)。升船機(jī)承船廂2m/min速度上、下運(yùn)行，模擬上、下閘首越位信號(hào)，承船廂快停，模擬上、下閘首超限信號(hào)，承船廂急停，確認(rèn)信號(hào)正確。

4.1.2 上閘首

流程試驗(yàn)：①閘首門解鎖，在主控站方式，自動(dòng)粗調(diào)降至61.76m底檻水深2.5m；②承船廂上行與閘首精準(zhǔn)對(duì)位，上行過(guò)程均收到停止精調(diào)、位置校驗(yàn)、準(zhǔn)確停位信號(hào)；③閘首對(duì)接：鎖錠穿銷→拉緊→對(duì)接密封框推出；④充間隙水至2.5m；⑤開臥倒門；⑥關(guān)臥倒門→排間隙水→對(duì)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(duì)接到位后，流程試驗(yàn)：①撐緊進(jìn)；②開上游臥倒門并降防撞梁；③關(guān)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(duì)接到位后，流程試驗(yàn)：①撐緊進(jìn)；②開下游臥倒門并降防撞梁；③關(guān)下游臥倒門并升防撞梁；④撐緊退。

4.1.5 下閘首

流程試驗(yàn)：①閘首門解鎖，在主控站方式，自動(dòng)粗調(diào)降至6.71m底檻水深2.5m；②承船廂下行與閘首精準(zhǔn)對(duì)位，下行過(guò)程均收到停止精調(diào)、位置校驗(yàn)、準(zhǔn)確停位信號(hào)；③閘首對(duì)接：鎖錠穿銷→拉緊→對(duì)接密封框推出；④充間隙水至2.5m；⑤開臥倒門；⑥關(guān)臥倒門→排間隙水→對(duì)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(fā)承船廂運(yùn)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(yùn)行。操作員站計(jì)算并下載主拖動(dòng)控制參數(shù)：預(yù)加力矩、運(yùn)行速度、上行目標(biāo)位置、下行目標(biāo)位置、承船廂當(dāng)前位置。承船廂上（下）運(yùn)行流程：?jiǎn)?dòng)滑油泵→啟動(dòng)液壓泵→工制松閘→消除五級(jí)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(yùn)行→自動(dòng)停機(jī)（或手動(dòng)停機(jī)、快速停機(jī)、事故停機(jī)）→工制上閘→安制上閘→液壓泵停機(jī)→滑油泵停機(jī)。其中：自動(dòng)停機(jī)是停在預(yù)設(shè)的目標(biāo)位，離目標(biāo)位6m開始減速至停機(jī)，事故停機(jī)由故障保護(hù)柜強(qiáng)制執(zhí)行事故二級(jí)調(diào)壓制動(dòng)。

（2）上班恢復(fù)流程：上、下閘首門解鎖→安制充壓→工制充壓→承船廂上（下）運(yùn)行與閘首精準(zhǔn)對(duì)位→上（下）閘首對(duì)接。

（3）上行流程：上行進(jìn)船→停止進(jìn)船→關(guān)下臥倒門→承船廂水深調(diào)整→關(guān)承船廂下游臥倒門→排間隙水→解除下閘首對(duì)接→撐緊退回→承船廂上行與上閘首精準(zhǔn)對(duì)位→鎖錠穿銷→撐緊進(jìn)→上閘首對(duì)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(jìn)船→停止進(jìn)船→關(guān)上臥倒門→承船廂水深調(diào)整→關(guān)承船廂上游臥倒門→排間隙水→解除上閘首對(duì)接→撐緊退回→承船廂下行與下閘首精準(zhǔn)對(duì)位→鎖錠穿銷→撐緊進(jìn)→下閘首對(duì)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(duì)接流程：關(guān)上臥倒門→承船廂水深調(diào)整→關(guān)承船廂上游臥倒門→排間隙水→解除上閘首對(duì)接→撐緊退回→承船廂下行至目標(biāo)位。

（6）解除下游對(duì)接流程：關(guān)下臥倒門→承船廂水深調(diào)整→關(guān)承船廂下游臥倒門→排間隙水→解除下閘首對(duì)接→撐緊退回→承船廂上行至目標(biāo)位。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

水口升船機(jī)運(yùn)動(dòng)慣量大，控制流程邏輯閉鎖條件繁雜，為了監(jiān)控系統(tǒng)技改后升船機(jī)安全可靠運(yùn)行，需進(jìn)行多次細(xì)致試驗(yàn)，經(jīng)缺陷處理、流程優(yōu)化，平均船舶過(guò)升船機(jī)時(shí)間從38.2min減少到28.3min，試驗(yàn)驗(yàn)證了各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)要求。在參數(shù)整定、邏輯閉鎖條件完善、人機(jī)界面優(yōu)化、數(shù)據(jù)管理和運(yùn)行危險(xiǎn)點(diǎn)等方面收獲大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果，可供國(guó)內(nèi)十幾座正在建設(shè)的全平衡垂直升船機(jī)運(yùn)行、試驗(yàn)借鑒，為我國(guó)升船機(jī)運(yùn)行、試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范編制提供成功的試驗(yàn)實(shí)例依據(jù)。