三峽升船機(jī)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(jī)，三峽升船機(jī)具有建設(shè)規(guī)模大、技術(shù)難度高、運(yùn)行控制復(fù)雜特點(diǎn)。為確保三峽升船機(jī)的安全運(yùn)行，三峽升船機(jī)采用先進(jìn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)并配以各種先進(jìn)的傳感器實(shí)現(xiàn)三峽升船機(jī)的自動(dòng)控制。本文介紹了三峽升船機(jī)電氣控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：升船機(jī) 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(jí)船閘和一級(jí)垂直升船機(jī)。三峽升船機(jī)采用齒輪齒條爬升式垂直升船機(jī)，過(guò)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(jí)船閘右側(cè)、左岸7#、8#非溢流壩段之間，是船舶快速過(guò)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(jī)電氣控制系統(tǒng)主要由供配電系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、圖像監(jiān)控系統(tǒng)、通航信號(hào)及廣播系統(tǒng)設(shè)備等組成。

三峽升船機(jī)供配電系統(tǒng)

三峽升船機(jī)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(tái)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(kāi)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(kāi)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(jī)供配電系統(tǒng)采用三回獨(dú)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(jī)供配電系統(tǒng)設(shè)備負(fù)責(zé)升船機(jī)上閘首工作門橋機(jī)及輔助門橋機(jī)、上/下閘首工作門、上/下廂頭工作門、上/下閘首啟閉機(jī)房、泄水工作閥門、集中控制室、船廂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、工作/安全制動(dòng)器、充泄水系統(tǒng)、檢測(cè)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(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

三峽升船機(jī)計(jì)算機(jī)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(jī)計(jì)算機(jī)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(jí)間控制層兩層。上層管理層和級(jí)間控制層之間采用雙1000M工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)連接，實(shí)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(guò)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的交換共同實(shí)現(xiàn)整個(gè)升船機(jī)系統(tǒng)的操作、控制功能。控制網(wǎng)和管理網(wǎng)分離的結(jié)構(gòu)將升船機(jī)控制與管理進(jìn)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(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)控制網(wǎng)和管理網(wǎng)的跨越，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)了升船機(jī)系統(tǒng)的分散控制、集中管理。三峽升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

三峽升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)PLC選擇Control Logix系列。計(jì)算機(jī)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(jī)組態(tài)軟件及PLC編程軟件組成，上位機(jī)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(chǔ)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(jī)等組成。

集中監(jiān)控系統(tǒng)采集現(xiàn)地控制系統(tǒng)各項(xiàng)信息、數(shù)據(jù)，并根據(jù)事先升船機(jī)運(yùn)行工藝的要求，按照預(yù)先編制好的運(yùn)行流程，進(jìn)行升船機(jī)整體運(yùn)行的控制與操作。集中監(jiān)控系統(tǒng)具有自動(dòng)控制、人機(jī)對(duì)話、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理、時(shí)鐘同步、系統(tǒng)狀態(tài)自診斷、故障報(bào)警及應(yīng)對(duì)處理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)管理、記錄及歷史報(bào)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。現(xiàn)地控制系統(tǒng)具有采集現(xiàn)場(chǎng)傳感器信息、閉鎖條件、故障報(bào)警等信息，并根據(jù)集控、現(xiàn)地指令，進(jìn)行控制站接觸器、中間繼電器控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)船廂門、輸水閥門及液壓?jiǎn)㈤]機(jī)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(gè)遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)船廂門開(kāi)啟/關(guān)閉、防撞裝置上升/下降、間隙密封框進(jìn)/退等機(jī)構(gòu)控制、船廂水位檢測(cè)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(gè)遠(yuǎn)程I/O站組成。分別布置于上/下閘首機(jī)房、工作門、活動(dòng)橋控制柜。上/下閘首控制站主要實(shí)現(xiàn)活動(dòng)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。現(xiàn)地控制系統(tǒng)操作界面見(jiàn)圖3。

3、安全控制系統(tǒng)

為了保證三峽升船機(jī)安全運(yùn)行，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)之外，三峽升船機(jī)設(shè)計(jì)了一套安全控制站，采用安全等級(jí)更高的安全PLC系統(tǒng)，以對(duì)聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行控制。這種設(shè)計(jì)繼承傳統(tǒng)升船機(jī)設(shè)置硬件閉鎖的好的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)提供獨(dú)立運(yùn)行的安全等級(jí)更高的故障安全PLC系統(tǒng)可靠性更高，提供優(yōu)先級(jí)更高的緊急操作接口，確保自動(dòng)流程于正確的時(shí)間起動(dòng)、以正確的程序運(yùn)行并最終安全完成，還將確保整個(gè)過(guò)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(yùn)行條件，核準(zhǔn)上閘首、船廂和下閘首各機(jī)構(gòu)動(dòng)作步序的閉鎖條件和升船機(jī)運(yùn)行的動(dòng)作順序流程，升船機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及實(shí)時(shí)過(guò)程數(shù)據(jù)的采集，運(yùn)行工藝的安全邏輯運(yùn)算與處理。升船機(jī)狀態(tài)檢測(cè)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(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)endprint

三峽升船機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)由傳動(dòng)控制站、交流變頻裝置等組成。傳動(dòng)控制站由1套冗余PLC主站、12套遠(yuǎn)程I/O站組成。冗余PLC主站布置在3#驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，遠(yuǎn)程I/O站分別布置在1#～4#驅(qū)動(dòng)點(diǎn)電氣傳動(dòng)控制站控制柜。交流變頻裝置由8套變頻控制柜，8臺(tái)交流變頻電機(jī)組成，交流變頻裝置及交流變頻電機(jī)，布置于升船機(jī)承船廂內(nèi)，由傳動(dòng)控制站控制。

其主要功能是控制承船廂的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、液壓導(dǎo)向系統(tǒng)、液壓制動(dòng)系統(tǒng)、齒輪箱稀油潤(rùn)滑系統(tǒng)、小齒輪潤(rùn)滑系統(tǒng)、同步軸干油潤(rùn)滑系統(tǒng)等機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行，以及承船廂行程、同步軸扭矩和機(jī)電設(shè)備狀態(tài)等信號(hào)的檢測(cè)處理，實(shí)現(xiàn)升船機(jī)承船廂的正常運(yùn)行和安全保護(hù)功能。電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)見(jiàn)圖4。

檢測(cè)系統(tǒng)

升船機(jī)檢測(cè)設(shè)備多，檢測(cè)監(jiān)控對(duì)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(lái)源，是電控系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。檢測(cè)系統(tǒng)由水位（水深）測(cè)量、行程位移測(cè)量、船廂減速停位檢測(cè)、監(jiān)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)、船舶探測(cè)、位置檢測(cè)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(cè)量為上/下游水位測(cè)量，上/下閘首航道口門通航水深測(cè)量，船廂水位測(cè)量，船廂間隙水位測(cè)量，船廂間隙水管水位測(cè)量，船廂室漏水檢測(cè)。行程位移測(cè)量為船廂全行程檢測(cè)、船廂局部行程檢測(cè)。船廂減速停位檢測(cè)為上游端兩側(cè)、下游端兩側(cè)減速停位檢測(cè)。監(jiān)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)為同步軸扭矩檢測(cè)，驅(qū)動(dòng)小齒輪荷載檢測(cè)。船舶探測(cè)為探測(cè)工作門門區(qū)有無(wú)船只。船舶探測(cè)點(diǎn)為承船廂上/下廂頭、上/下閘首工作門船舶探測(cè)。位置檢測(cè)裝置為檢測(cè)各類設(shè)備是否按系統(tǒng)規(guī)定的動(dòng)作步驟準(zhǔn)確地到位或退位，位置檢測(cè)傳感器有行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、紅外光電開(kāi)關(guān)。

圖像監(jiān)控系統(tǒng)

升船機(jī)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(jī)、硬盤錄像機(jī)、液晶拼接顯示屏、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、光端機(jī)、視頻分配器等組成。具備升船機(jī)設(shè)備運(yùn)行情況、船舶過(guò)往情況、參觀人員流動(dòng)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(chǎng)實(shí)時(shí)圖像，對(duì)歷史圖像進(jìn)行完整的保存與再現(xiàn)，與火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)配合等功能。

三峽升船機(jī)的圖像監(jiān)控系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)，對(duì)三峽升船機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，全面獲取整個(gè)升船機(jī)運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)圖像，從而保障三峽升船機(jī)的安全運(yùn)行。三峽升船機(jī)圖像監(jiān)控系統(tǒng)視頻圖像信號(hào)采用模擬制式，遠(yuǎn)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(chǎng)運(yùn)行監(jiān)視為主、安全防范監(jiān)視為輔。三峽升船機(jī)的圖像監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖8。

通航信號(hào)及廣播系統(tǒng)

升船機(jī)通航信號(hào)系統(tǒng)由通航指揮信號(hào)燈、遠(yuǎn)程信號(hào)燈、航道標(biāo)志燈組成。通航信號(hào)裝置根據(jù)升船機(jī)的運(yùn)行流程進(jìn)行自動(dòng)切換控制。

廣播系統(tǒng)設(shè)備由有線/無(wú)線話筒、錄音機(jī)、激光唱機(jī)、前置放大器、均衡器、分區(qū)控制器、功率放大器、揚(yáng)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(jī)房及走道。用于指揮船舶進(jìn)出升船機(jī)和宣講通航知識(shí)、安全注意事項(xiàng)等功能。廣播系統(tǒng)具有自動(dòng)語(yǔ)音播放功能，升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)過(guò)壩工藝流程發(fā)出的控制指令，對(duì)各個(gè)區(qū)域（船廂室或上、下游航道）播放預(yù)先存儲(chǔ)在廣播多媒體站硬盤中的聲音文件，實(shí)現(xiàn)升船機(jī)自動(dòng)播音的通航廣播指揮。手動(dòng)控制播音功能采用無(wú)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(shí)現(xiàn)船舶過(guò)壩的臨場(chǎng)廣播指揮，能手動(dòng)控制錄音機(jī)、激光唱機(jī)實(shí)現(xiàn)背景音樂(lè)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(yǔ)

升船機(jī)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(jī)械、電氣設(shè)備的安裝，2015年12月進(jìn)行試運(yùn)行。屆時(shí)，船舶通過(guò)三峽升船機(jī)的時(shí)間大約26分鐘，而船舶通過(guò)三峽船閘的時(shí)間大約150分鐘，三峽升船機(jī)通航將極大縮短船舶通過(guò)三峽樞紐的時(shí)間。

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（作者單位：長(zhǎng)江三峽通航管理局）endprint