双机闭式启闭机自动化监控系统设计

丁 军 ，钱 钧

（1. 江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127；2. 江苏省秦淮河水利工程管理处，江苏 南京 210001）

0 前言

武定门节制闸位于南京市武定门外秦淮河下游，距三汊河入江口 12.6 km，距上游河定桥 9.9 km，是秦淮河流域的重要控制工程之一，具有挡洪、排涝、蓄水等功能。工程闸门为上、下扉平板直升门形式，每孔由 2×100 kN 联动卷扬式启闭机启闭，已运行近 50 年。受工程建设年代客观条件限制，单台启闭机结构复杂，占地面积近 10 m2，另外启闭机传动、制动刹车及电气控制等系统可靠性差，不能实行自动监控。2007 年经江苏省水利厅批准同意在武定门节制闸加固改造中更新改造原启闭机。依据安全检测与复核计算结果，2011年12 月武定门节制闸原启闭机报废更新为双机闭式启闭机[1]，上扉闸门启闭机为 QP-2×100 kN，电机功率 7.5 kW；下扉闸门启闭机为 QP-2×250 kN，电机功率 18.5 kW，布置总图如图 1 所示。现启闭机结构简单、占地面积小，控制方式采用基于 PLC 的自动化监控系统，实行了现地与远程控制，提高了闸门自动化程度和日常管理水平。

1 启闭机结构优化设计

图1 双机闭式启闭机布置图

在我国水利工程中，上、下扉闸门常用的启闭机布置形式有单独、联动和单独双机闭式等 3 种启闭方式。前 2 种启闭方式在水利工程中经常被采用，如 20 世纪 90 年代建设的盐河北套闸、南套闸采用单独启闭形式，20 世纪 50 年代老旧工程万福闸、武定门闸采用联动启闭形式。单独启闭布置形式，上、下扉闸门启闭相对独立，互不干扰，操作灵活，启闭速度快，效率高，但投资大，启闭机在工作桥上所占空间大。武定门节制闸启闭机更新改造设计时，对前 2 种启闭方式进行了优化组合，提出双机闭式启闭的布置形式。由于武定门节制闸加固改造中，工程土建尺寸及上、下扉闸门相对位置基本不动，采用 2 台启闭机单独布置无法满足要求，采用联动布置亦无优点。根据工程实际，在布置形式上采用独立启闭，在传动方式上采用闭式传动，摒弃大、小开式齿轮传动，将常规启闭机中的开式齿轮与减速器合二为一，组成 1 台大传动比减速装置，卷筒通过支座支撑在减速装置的低速轴上，减速装置结构紧凑，体积小，重量轻，能大大减小启闭机整体的布置尺寸。在整体布置形式上，考虑采用同机架，使整个结构布置紧凑协调，外型布置整体美观。经过不断的优化设计，2011 年该机型被应用到武定门节制闸加固改造工程中，并安全使用至今。

2 启闭机自动化监控系统控制保护设计

2.1 自动化监控系统布置形式及思路

启闭机自动化监控系统采用分层布置形式，主要由上位机、现场电气控制保护设备单元及启闭机用开度显示仪等组成。自动化监控系统的主要思路是数据分散采集，集中控制管理，在现场实现测量、控制和保护等重要数据的智能测控，现场测控设备通过网络连接，形成相互协同的整体构架，便于监控、统一操作和管理[2]。

2.2 自动化监控系统主要设备

启闭机自动化监控系统中布置的主要设备如下：

1）远方控制工作站。采用工控机及 1 台液晶显示器，安装 intouch 10.0 上位机软件，负责数据采集与处理、统计与计算、控制与调节等监控和监视功能的实现[3]。实现实时显示启闭机的运行状态，启闭机的启闭及开度，显示操作流程、各类运行状态等。

2）数据库服务器。采用 HP 服务器及 1 台液晶显示器，作为计算机系统的数据库服务器，安装了sql 存储相关参数及数据，并支持实时查询及历史纪录。

3）网络打印机及不间断电源。采用网络打印机，打印各类报表、图表及纪录等，采用在线式不间断电源，后备 2 h，用于上位机设备的供电电源。

4）现场控制单元。启闭机共 6 台套，现地设控制箱 6 只。

2.3 启闭机自动监控系统原理及功能

启闭机自动监控系统保护主要有现地及远方 2 种电气控制[4]。

2.3.1 现地电气监控保护

根据规范或行业标准规定，启闭机配备了 QCX系列轴承座式荷重传感器，P + F 型进口绝对型编码器，控制上、下极限位置的 QY-II 型行程开关。载荷测量精度为 0.1 t，开度测量精度为 ±1.0 cm。

QCX 荷重传感器安装在轴承座下，当钢丝绳受拉时，传感器顶部承受一定压力，并随时输出信号，显示仪表上显示出与实际负荷相对应的数值。当钢丝绳欠载或超载 10% 时，自动切断电源。

QY-II 型行程开关、P + F 型进口绝对型编码器和显示仪表组成高度指示装置，通过安装在轴端的绝对型编码器和行程开关输出信号，显示并控制闸门的任何位置。编码器具有断电记忆功能，可有效地控制闸门上、下极限位置和开度预置，当闸门到达上、下限和相应的开度位置时，显示仪表发出声光报警信号，并有相应的控制触点输出，启闭机停止运行。行程限位开关仅控制闸门的上、下极限位置，当编码器失灵时动作，起保护作用。

启闭机房设有启闭机现地控制箱，每台现地控制箱控制 1 台启闭机运行，共 6 台套，上、下扉门启闭机分别进行控制，箱内装设闸门开度荷重显示仪表、断路器、接触器和热继电器等设备。开度位置信号由闸门开度编码器将信号传输给开度仪表显示，每台控制箱设有 PLC 可编程控制器，负责采集数据上传上位机，并接受上位机下发的控制指令，处理且执行闸门的升、降、停等操作。控制箱装有上下扉 2 只闸门开度、荷重显示仪表，具有闸门运行状态指示、电流电压显示及闸门开度荷重显示功能[5]。控制箱面板上装有现地/远方切控开关、按钮及控制灯。箱内装设的带电动操作机构的断路器、交流接触器和热继电器等设备，能够在现地控制箱上通过按钮对闸门进行现场的升、降、停等操作。

2.3.2 远方电气自动监控保护

在远方控制室内安装 PLC 控制柜，控制柜设有 PLC 可编程控制器，配备以太网通讯口和开入开出、模拟量模块，实现闸门自动化运行[6]。现地控制箱负责采集对应的闸门运行工况、开度、荷重等模拟量信号，由 PLC 通过以太网模件上传上位机电脑监控软件，在数据采集及传输过程中，对数据进行抗干扰、数字滤波及数据有效性分析处理。现地控制主要在现地控制箱上，通过切换把手及按钮进行控制，远方控制指通过上位机上的监控软件对闸门进行控制。2 种控制方式中现地控制优先级高于远方控制，两者相互协调，提高了现代工程管理水平[7]。

3 结语

武定门节制闸工程为秦淮河流域的主要控制工程之一，闸门启闭机为该工程的主要运行控制设备，闸门启闭在控制方式上由单一的现地简单控制改造为基于 PLC 的自动化监控系统[7]，在启闭机安全保护方式上由配置单一的机械制动器发展为配置液压制动器、荷重传感器、行程限制器等安全联合保护装置后，已安全投入运行近 3 年时间。实际运行说明，经过改造发展后，启闭机的安全可靠性增强了，工程自动化监控水平提高了，日常的工程维护及管理更方便了，可为新型启闭机在安全和控制设计上开辟思路。

[1]陈同生，单方庆. 水利工程启闭机电气部分[M]. 北京：中国水利水电出版社，2009: 55.

[2]方辉钦. 现代水电厂计算机监控系统技术和试验[M]. 北京：中国电力出版社，2004: 23-24.

[3]龚玉东，刘新泉，姚怀柱，等. 解台泵站计算机自动控制系统设计[J]. 水电自动化和大坝监测，2007,31 (4): 15-16.

[4]廖映华. 机械电气自动控制[M]. 重庆：重庆大学出版社，2013: 63.

[5]Daniel E. Kandray, P.E. 可编程自动化技术[M]. 北京：科学出版社，2013: 12-13.

[6]浙江省水利水电勘测设计院. 水电站机电设计手册——水力机械[M]. 北京：中国水利电力出版社，2010: 20.

[7]何峥，鲍子云. 宁夏引黄灌区自动化测控设施应用效果分析[J]. 中国水利，2013 (22): 49.