水下監視系統在水電站閘門起重機的應用

陳圣錦

（華能瀾滄江水電股份有限公司烏弄龍·里底電廠，云南 迪慶674606）

水電站通常設置有進水口閘門、尾水閘門、溢洪閘門等，其相應的檢修門主要使用橋門式起重機起吊。橋門式起重機作為水電站重要的閘門操作設備，且一機承擔多扇閘門的操作任務，傳統的橋門式閘門起重設備抓梁通常配置有液壓自動穿銷、抓梁就位信號、穿銷位移信號和起吊重量、高度等監測裝置，在水下作業過程中，易發生抓梁液壓泵站故障、穿銷軸卡塞、穿銷退銷不到位等異常情況，指揮和司機人員均無法直接觀察到抓梁在水下的狀態，冒然操作則大大增加起重作業的風險。

當前國內相關標準規范對起重機設置可視系統沒有具體要求，起重機安裝初期功能配置存在局限性，傳統閘門起重機控制功能難以滿足新形勢下的使用需求，故對承擔水下作業的起重機進行改造和優化，增設水下可視監視功能，完善系統功能具有重要意義。

1 水電站閘門起重機水下監視系統介紹

某大型水電站進水口設置有機組壓力管道進口檢修門、分層取水疊梁門以及工作攔污柵，由于機組較多，需要在水下操作的閘門和攔污柵數量達1020多節，每年必須進行的常規啟閉操作達到600節/次以上，且僅配置1臺2500kN/1600kN雙向門式起重機承擔操作，為安全高效完成繁重的閘門操作任務，將閘門起重機傳統的控制系統進行改造升級，加裝水下可視監視系統，改造抓梁信號傳輸方式，大大提高了閘門操作的可靠性。

1.1 水下監視系統結構和實現的信號功能

閘門起重機所配置的水下可視監視系統由1臺工控機作為監視處理主機，集合抓梁狀態信號和視頻監視信號，將整合的信號分別傳送至主、副司機室內的液晶觸摸顯示屏，在液晶觸摸顯示屏上可通過畫面切換，實現各種狀態模擬信號、數字信號、視頻信號實時顯示。

圖1 系統配置圖

2 水下監視系統的配置

2.1 主機系統

新增1套水下可視監視系統工控機，獨立使用1個控制柜，安裝于起重機電氣室內。主機系統配置研華UNO-3072A工控機，配套安裝視頻信號處理主機、外圍通信接口卡、UPS電源、監控儲存硬盤、數據交換機、監控觸摸屏、開關電源等設備，實現起重機抓梁各傳感器信號、各視頻信號等信號的集中處理、儲存、通信、顯示、調閱等多種管理功能，并與現有門機控制系統 PLC 之間進行通信，實時讀取門機控制系統的有關數據、狀態，進行集中管理。

2.2 抓梁就位、穿銷同步位移檢測傳感器

改造抓梁原就位、穿銷位移傳感器，采用數字式WZ-IV型抓梁就位、穿銷位移檢測傳感器，非接觸式測量，指示范圍0～1200mm（可調），非線性誤差±0.05%FS，分辨率0.002%FS，工作電壓電流為DC24V，4～20mA，工作溫度 -40～+85 ℃，防護等級IP68，輸出標準RS485通信數字信號。

數字式抓梁就位、穿銷軸同步位移檢測傳感器內部多個磁傳感器和電子芯片集成一體，包括工業單片機、RS485接口芯片、隔離電源等，非接觸式測量，安裝方便。檢測儀對現場信號進行采集，由信號調理模塊的單片機處理系統對傳感器信號進行分析判斷，處理后直接按輸出標準RS485通信信號供上位機采集顯示，所有傳感器輸出均掛入RS485總線上進行串行通信，因此傳感器接線非常容易，且輸出的是標準數字信號，信號抗干擾能力極強。傳感器外殼使用特殊金屬材料精密加工處理，具靈敏度高、防水防銹蝕、機械強度好的特點，能適應強水流沖擊、高水壓、高泥沙等惡劣環境。抓梁就位、穿銷同步位移傳感器對抓梁對位、穿銷銷軸運行全過程進行檢測，整個運行監測值為線性化，因此其實際顯示也為對全過程的監視，可以避免運行時諸多不安全因素所帶來的隱患。

閘門起重機抓梁數字式就位、位移、就位檢測傳感器相對于采用傳統的干簧式繼電器，具有動作無觸點，檢測位置準確，范圍廣的特點；相對于電感式位移傳感器，具有輸出信號強，對電源要求低，互換性好，輸出信號處理簡單的優點；相對于電位器式位移傳感器，具有防水處理可靠簡單，無轉動部件，無需潤滑等特點。此外，它能很好地解決了高水壓工作狀態下的防水問題和多泥沙問題。

2.3 視頻系統

由于閘門起重機抓梁通常在水下工作，監視攝像頭的防水要求和攝像輔助照明要求較高，水下監視攝像頭采用專業監控鏡頭、CCD傳感器、索尼700線主板、新一代陣列LED白光燈和密封外殼防水攝像頭，防護等級IP66，潛水深度120m，分辨率（水平中心）為 700～1200TVL，有效像素PAL：976H×582V，NTSC：976H×494V，信號制式為PAL/NTSC，最低照度0.01LUX/f1.2，視頻輸出幅度1.0Vp～p/75Ω，工作溫度 -20～60℃。

視頻系統實際程序掃描周期：≤100ms，儲存時間：60個工作日；系統連續運行時間：7×24h，平均年故障時間：≤3d，平均故障修復時間：≤10min。

視頻儲存選用海康威視DS7216HW型視頻儲存錄像機，功能齊全，性能穩，支持16路視頻輸入，1路 RCA，錄像畫質 PAL：720×576，NTSC：720×480，回放質量 PAL：352×288（CIF），NTSC：352×240（CIF），支持8路同時回放，支持24h全天運行，數據儲存不少于168h。

主、副司機室觸摸屏選用AOC 27英寸高分辨率液晶顯示器，多比例多畫面信號切換，多點觸摸操作更流暢。顯示屏壁掛于司機室側面，司機可隨手操作顯示屏以便監視抓梁在水下的狀態。

2.4 抓梁隨行深水電纜

抓梁隨行深水電纜用于穿銷軸同步位移傳感器、抓梁就位傳感器、攝像頭等信號傳輸以及抓梁液壓泵站操作動力電源輸送，型號為SXFG16×1.5+SYV75-1+1×2.5（鋼），電壓等級 0.6/1kV，采用專用信號傳輸4芯電纜，帶鋼芯，集動力電源、信號傳輸為一體的復合船用電纜。

2.5 新型防水密封接線盒和防水插頭、插座

深水密封接線盒是閘門起重機抓梁上各種電纜和信號線的中轉裝置。一機多門的配置方式下，由于不同的門葉而需要更換與之匹配的抓梁，起重機在進行閘門操作時，抓梁的動力電源及信號裝置電纜需要經常插拔，且水下作業環境特殊，插座、插頭長時間暴露在外，容易引起氧化，造成電氣部分接觸不良。抓梁在水下作業時，如果深水插頭、插座以及深水電纜轉接部位的密封工藝處理不當，會引起插頭進水而燒損電纜，甚至損壞整套系統，所以深水密封接線盒、防水插頭、插座、深水電纜的設計和密封工藝顯得極為重要。

根據水電站閘門起重機的特點，更換原抓梁接線盒，采用新型不銹鋼深水密封防水接線盒。深水密封接線盒一體加工成型，內部通過焊接及螺栓緊固組裝而成，其結構分為密封倉、密封倉蓋板、密封轉接頭、電纜密封接頭和○型密封圈等幾個部分，轉接頭和電纜接頭采用深水防水插接件，性能可靠，壽命長。密封倉與蓋板間選用進口優質丁晴橡膠○型密封圈密封，安裝時涂抹密封膠，提高其密封性能。電纜接頭采用軟橡膠彈性柱壓式密封，壓迫脹緊力達到30kgf/cm2，安裝時使用高壓泵進行耐壓試驗，當水壓達20kgf/cm2時，相當于水下200m的壓力，接頭處未出現浸水跡象為合格。為加強系統可靠性，在密封接線盒內部設置浸水傳感器，以便實時監測密封接線盒內潮濕狀況，防止密封接線盒裝置因潮濕短路導致系統運行癱瘓，及時提醒對密封接線盒進行維護。

將原抓梁隨行深水電纜的防水插接件改造為法國進口軍工級專用防水插頭、插座，法國法碼通M系列水下連接器，性能可靠，壽命長。新型防水插接件殼體采用青銅制成，接觸件采用黃銅焊接接觸件，鎳基層鍍金，絕緣體采用PTFE或PCTFE，具有適用溫度范圍廣、耐油、耐酒精、耐海水、各種氣體以及各種酸等特點。插接件設置五鍵防錯插，螺紋鎖緊，可拆卸式結構，半防斜插插配，有利于對接觸件的保護。

3 水下監視系統的布置和安裝

將水下抓梁原位置直接更換新型數字式抓梁就位、穿銷位移傳感器，更換防水接線盒，根據自動抓梁液壓裝置以及其他電子附件的控制要求，現場重新布線接線和封裝。抓梁隨行深水電纜需要在出廠前進行插頭接線封裝，完成絕緣試驗，安裝現場直接更換和進行隨行同步性調整。數字式抓梁就位、穿銷位移傳感器的數字信號傳輸至抓梁防水密封接線盒內，掛入RS485信號總線傳輸到工控主機，將新系統控制輸出信號并入門機控制系統相應保護回路和主、副司機室觸摸屏上抓梁抓門實時動作模擬圖。

根據抓梁監視的要求，在抓梁穿銷接力器油缸正上方安裝一個攝像頭，監視穿銷同步位移滑塊的走位、就位、回位的實時位置狀態。在抓梁吊耳側面安裝一個攝像頭，監視抓梁就位及就位傳感器的實時狀態。在抓梁吊耳正面安裝一個攝像頭，監視穿銷軸抓門時實際就位狀態。要求攝像頭支撐支架焊接和攝像頭安裝牢固，監視位置準確，抓梁本體布線全部使用鋼套管整體布置。各個攝像頭的視頻信號傳輸至抓梁防水密封接線盒內的視頻發送器，視頻發送器將多路視頻合成1路視頻信號輸出，通過抓梁隨行深水電纜傳輸到工控主機，在主、副司機室觸摸屏上可實時監視抓梁作業的狀態。

圖2 安裝及走線示意圖

安裝結束，分別對各路信號調試，最終進行抓梁空載水中穿、退銷試驗及帶門水中綜合試驗，確保新系統安全可靠、運行穩定。

4 結語

水下可視監視系統的投入使用，起重司機可全面、精確掌握抓梁在水下作業的實時狀態，避免發生盲目操作，提高了閘門操作的正確性，在出現設備故障等突發狀況時，根據視頻影像做出準確判斷，有針對性地制訂解決方案，有效降低水電站閘門起重機水下作業風險。