三峽升船機(jī)船廂停位控制

冉志平　吳笛

摘 要：根據(jù)三峽升船機(jī)實(shí)船試航調(diào)試運(yùn)行情況，介紹船廂停位控制相關(guān)的傳感器工作原理，簡(jiǎn)單分析相關(guān)傳感信號(hào)在控制程序中的使用。

關(guān)鍵詞：三峽；升船機(jī)；傳感器；停位對(duì)接

中圖分類號(hào)：U642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2016）09-0054-02

2016年7月15日，升船機(jī)在我國(guó)應(yīng)用十分廣泛，它作為船舶過(guò)壩的快速通道，在水利樞紐中發(fā)揮了重要作用。如福建水口升船機(jī)，重慶彭水升船機(jī)，以及正在調(diào)試的三峽升船機(jī)。盡管它們的驅(qū)動(dòng)方式不盡相同，但其船廂與閘首的對(duì)接形式卻大同小異。

停位對(duì)接，是指承船廂垂直上升（或下降）后，停在靜止的閘首工作門(mén)附近，保證承船廂內(nèi)的水位高度與閘首門(mén)外側(cè)的航道水位高度一致，然后推出間隙密封框，開(kāi)啟船廂門(mén)與閘首門(mén)，使船廂水域與航道水域聯(lián)通，便于船舶進(jìn)出船廂，從而完成船舶過(guò)壩過(guò)程。三峽升船機(jī)運(yùn)行從高程62m到175m，行程113m，要求對(duì)接時(shí)船廂內(nèi)水平面與閘首航道水平面相差0.1m。

1 相關(guān)傳感器介紹

1.1 航道水位計(jì)

三峽升船機(jī)上下游航道水位檢測(cè)，屬于一類運(yùn)行在線檢測(cè)的重要檢測(cè)量之一，其數(shù)據(jù)的可靠性直接影響到船廂的安全運(yùn)行及精確停位。所以水位計(jì)選型采用兩種不同工作原理構(gòu)成，冗余配置，分別位于上游測(cè)井、下游測(cè)井中，每測(cè)井配置 1臺(tái)激光水位儀和 1臺(tái)吹氣式水位計(jì)。

激光水位儀反光板安裝于測(cè)井內(nèi)浮子上，高出水面，不易污染；浮子采用導(dǎo)向裝置，防止水位波動(dòng)造成偏擺，影響數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

吹氣式壓力水位計(jì)水頭產(chǎn)生的壓力，無(wú)滯后的傳遞給傳感器中的波紋管，同時(shí)這個(gè)力通過(guò)一個(gè)真空杠桿傳送給石英晶振。壓力的改變會(huì)導(dǎo)致石英晶振頻率的變化，傳感器把頻率信號(hào)傳入處理單元進(jìn)行處理計(jì)算。同時(shí)，溫度也被測(cè)量并且傳到處理單元進(jìn)行補(bǔ)償壓力，使這個(gè)壓力在一個(gè)寬溫度范圍內(nèi)接近于沒(méi)有溫度的影響。

除傳感器自身的線性與重復(fù)性穩(wěn)定性精度以外，最主要的有溫度、水的波動(dòng)和泥沙含量的影響。在選用高精度壓力傳感器的同時(shí)，將采用多次測(cè)量平均和數(shù)字濾波等方法平滑水波影響，去除電氣干擾的影響，在0～40m的水深測(cè)量范圍保證測(cè)量誤差≤±10mm，測(cè)量精度≤0.025%FS，以滿足升船機(jī)系統(tǒng)的總體要求。

1.2 行程檢測(cè)

升船機(jī)行程檢測(cè)應(yīng)用多種類型、不同原理的傳感器，確保測(cè)量的精度與準(zhǔn)確率，滿足控制系統(tǒng)要求。按測(cè)量范圍分為局部行程和全行程檢測(cè)。

裝設(shè)于船廂上、下游安全螺母柱附近的局部行程測(cè)量傳感器（KH53），采用絕對(duì)線性編碼器進(jìn)行測(cè)量。下游側(cè)絕對(duì)線性編碼器標(biāo)尺安裝于60m高程到80m高程，共20m；上游側(cè)絕對(duì)線性編碼器標(biāo)尺安裝于140m高程到180m高程，共40m，測(cè)量誤差≤±1mm；測(cè)量精度≤0.1mm；在船廂干舷與之對(duì)應(yīng)的位置布置絕對(duì)線性編碼器讀數(shù)頭，檢測(cè)船廂在上、下閘首對(duì)接范圍的位置。

全行程檢測(cè)包括安裝于1#、3#驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的WCS；2#、4#驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的格雷母線。WCS為絕對(duì)位置編碼系統(tǒng)測(cè)量裝置，精度0.1mm，誤差±1mm。使用SSI信號(hào)傳輸，在鎖定機(jī)構(gòu)螺母柱框體安裝位置編碼標(biāo)尺，在鎖定機(jī)構(gòu)螺桿下導(dǎo)向架與之對(duì)應(yīng)的位置安裝讀數(shù)頭。格雷母線的安裝方式與之類似，測(cè)量范圍120m，精度1mm，誤差±5mm。每個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)減速齒輪箱還裝設(shè)了絕對(duì)值角位移編碼器（AVM58），測(cè)量范圍120m，精度1mm，誤差±1mm。

1.3 準(zhǔn)確停位裝置

該裝置由浮動(dòng)標(biāo)志鏡和一組反射式光電開(kāi)關(guān)（B0、B1、B2、B3、B4）組成。

浮子在閘門(mén)浮筒內(nèi)，利用鋼絲繩拉力T、浮子浮力Fp以及系統(tǒng)摩擦力f與浮子重力G平衡的原理，保證浮子隨水位自由升降。由于引入了伺服系統(tǒng)，其核心元件-驅(qū)動(dòng)卷筒的電機(jī)可以根據(jù)受力反饋信號(hào)實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)力，克服了系統(tǒng)摩擦力作用和卷簧在工作行程內(nèi)不恒力因素的影響，使得測(cè)量鋼絲繩的張力保持恒定，從而提高了液位測(cè)量精度。 測(cè)量鋼絲繩拉力，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，保持鋼絲繩拉力不變，帶動(dòng)標(biāo)志鏡升降，實(shí)時(shí)反映上、下閘首工作大門(mén)淹沒(méi)水深。

圖以上閘首為例，通過(guò)標(biāo)志鏡（反射板）反應(yīng)航道水位相對(duì)變化；在升船機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)反射板標(biāo)志鏡的位置，程序控制實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)接。

2 對(duì)接控制過(guò)程

船廂主傳動(dòng)系統(tǒng)具有的控制功能，能確保升船機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)，對(duì)位準(zhǔn)確。一般情況下，主傳動(dòng)系統(tǒng)是由位置調(diào)節(jié)器主導(dǎo)控制，能使升船機(jī)啟動(dòng)和停止過(guò)程平滑、運(yùn)行周期短、控制精度高。在位置調(diào)節(jié)器的控制下，承船廂停位后與上（下）游航道對(duì)接，誤差在±15mm內(nèi)。

2.1 目標(biāo)位的設(shè)定

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，與庫(kù)區(qū)相連的上游引航道水位變幅大，而下游引航道受葛洲壩發(fā)電的影響，水位變率快。為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的特殊工況，充分利用上、下游航道水位計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)，當(dāng)船廂上（下）行時(shí)，如果執(zhí)行正常流程，主傳動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)獲取航道水位計(jì)的值，作為本次運(yùn)行對(duì)接的目標(biāo)位；在上（下）行過(guò)程中，若航道水位發(fā)生變化，主傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)在收到B0光電開(kāi)關(guān)（行程校驗(yàn)）信號(hào)后，立即自動(dòng)獲取此時(shí)航道水位值，作為本次運(yùn)行的對(duì)接目標(biāo)位；但收到B0信號(hào)時(shí)，不再對(duì)目標(biāo)位進(jìn)行修改，通過(guò)浮動(dòng)標(biāo)志鏡B1—B4精確控制船廂運(yùn)行速度，進(jìn)而停位對(duì)接。

如果船廂需要運(yùn)行至某一預(yù)定的位置時(shí)，可手動(dòng)輸入目標(biāo)位，不隨航道水位的變化而改變。主傳動(dòng)控制站對(duì)驅(qū)動(dòng)船廂的四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的八套電氣傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，使船廂根據(jù)目標(biāo)位的變化，按給定速度運(yùn)行，并在自動(dòng)準(zhǔn)確定位系統(tǒng)的配合下停止在目標(biāo)位置上。

2.2 行程檢測(cè)

在正齒輪箱上引出軸上配置一套位置同步檢測(cè)裝置（AVM58）對(duì)四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的同步性進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。該位置同步檢測(cè)裝置不會(huì)干擾電氣位置同步控制系統(tǒng)同步控制，但是如果傾斜程度超過(guò)±20mm，船廂主傳動(dòng)系統(tǒng)將啟動(dòng)快速停機(jī)。即：位置同步檢測(cè)裝置的檢測(cè)信號(hào)只作為船廂運(yùn)行的監(jiān)護(hù)檢測(cè)信號(hào)，不參與船廂的同步調(diào)節(jié)控制。該編碼器的脈沖序列信號(hào)還用于每次運(yùn)行前，設(shè)定船廂當(dāng)前絕對(duì)位置。

在四個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)安裝有兩種不同工作原理的全行程檢測(cè)裝置（格雷母線、WCS），各兩套；局部行程檢測(cè)裝置四套；保證船廂全行程檢測(cè)的準(zhǔn)確度和可靠性。控制系統(tǒng)采集各個(gè)信號(hào)相互對(duì)比冗余。

2.3 對(duì)接停位

為使承船廂準(zhǔn)確停位，確保其與上（下）閘首工作門(mén)對(duì)接時(shí)，船廂標(biāo)準(zhǔn)水平面（船廂內(nèi)3.5m水深）與航道水面平齊，在承船廂的上（下）廂頭左右側(cè)各裝設(shè)一套對(duì)射式紅外光電開(kāi)關(guān)（位置校驗(yàn)開(kāi)關(guān)），與上（下）閘首工作門(mén)上的浮動(dòng)標(biāo)志鏡配合。由它們給主傳動(dòng)系統(tǒng)提供行程校驗(yàn)（B0）、正常減速（B1）、快速減速（B2）、船廂準(zhǔn)確停位（B3）及緊急停機(jī)的檢驗(yàn)（B4）信號(hào)。在主傳動(dòng)系統(tǒng)中對(duì)每個(gè)位置校驗(yàn)開(kāi)關(guān)信號(hào)設(shè)定了一定長(zhǎng)度的檢測(cè)范圍，如果在檢測(cè)范圍內(nèi)得到位置校驗(yàn)開(kāi)關(guān)信號(hào)，該信號(hào)就會(huì)被用來(lái)檢測(cè)主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況；如果在檢測(cè)范圍內(nèi)沒(méi)有得到位置校驗(yàn)開(kāi)關(guān)信號(hào)，主傳動(dòng)系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出信號(hào)未收到的信息，在主傳動(dòng)控制面板上顯示。由于航道水位的波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致下面三種情況發(fā)生：

（1）若上游航道水位下降（下游航道水位上漲）超過(guò)一定范圍內(nèi)（±400mm），主傳動(dòng)系統(tǒng)將提前（相對(duì)于初始目標(biāo)位）收到B0信號(hào)，重新計(jì)算承船廂的目標(biāo)位。由于初始目標(biāo)位與新目標(biāo)位距離超過(guò)可調(diào)整范圍；隨后收到B1信號(hào)觸發(fā)快速停機(jī)指令，減速度為0.02m/s。行程1m，船廂即可停止；如果未能停止，當(dāng)收到B2信號(hào)時(shí)，會(huì)繼續(xù)觸發(fā)快速停機(jī)指令；當(dāng)收到B3信號(hào)時(shí)，會(huì)觸發(fā)緊急停機(jī)指令。

（2）若上（下）游航道水位變幅在一定范圍內(nèi)（±400mm），主傳動(dòng)系統(tǒng)收到B0信號(hào)時(shí)，及時(shí)糾正承船廂的目標(biāo)位。初始目標(biāo)位與新目標(biāo)位距離在可調(diào)整范圍；隨后收到B1信號(hào)觸發(fā)正常減速停機(jī)指令，減速度為0.01m/s。行程1.5m，主傳動(dòng)系統(tǒng)收到B2信號(hào)，此時(shí)船廂速度小于0.2m/s，則繼續(xù)正常減速停機(jī)，實(shí)現(xiàn)與上（下）有航道對(duì)接；如果此時(shí)船廂速度仍大于或等于0.2m/s，主傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行快速停機(jī)程序，減速度為0.02m/s。如果收到B3信號(hào)時(shí)，船廂未能停止，便會(huì)觸發(fā)緊急停機(jī)指令。

（3）若上游航道水位上漲（下游航道水位下降）超過(guò)一定范圍內(nèi)（±400mm），主傳動(dòng)系統(tǒng)將延遲（相對(duì)于初始目標(biāo)位）收到B0信號(hào)，而且初始目標(biāo)位與新目標(biāo)位距離超過(guò)可調(diào)整范圍，船廂將按照原目標(biāo)位的速度曲線運(yùn)行，在初始目標(biāo)位停止。

對(duì)于以上任何一種情況，如果船廂未能停止。當(dāng)主傳動(dòng)系統(tǒng)收到B4信號(hào)時(shí)，會(huì)觸發(fā)緊急停機(jī)指令，保證升船機(jī)主體設(shè)備及船舶的安全。

2.4 保護(hù)開(kāi)關(guān)

此外，承船廂上還裝設(shè)了多從保護(hù)開(kāi)關(guān)檢測(cè)。如安裝在船廂減速齒輪箱的“最大行程前檢測(cè)”和“最大行程檢測(cè)”，以及安裝在小齒輪托架的“開(kāi)關(guān)點(diǎn)速度檢測(cè)”和“緊急最終位置檢測(cè)”。當(dāng)船廂無(wú)法正常停位，行程超出流程運(yùn)行值，便會(huì)觸發(fā)相應(yīng)開(kāi)關(guān)對(duì)升船機(jī)進(jìn)行緊急保護(hù)，保障承船廂安全。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)傳感器的數(shù)據(jù)采集，經(jīng)PLC對(duì)各個(gè)信號(hào)的處理，使船廂能夠準(zhǔn)確停位，提高船廂與上、下閘首的對(duì)接成功率，縮短船舶過(guò)壩時(shí)間，節(jié)約船舶運(yùn)行成本，對(duì)航運(yùn)有著重要意義。