三峡升船机船厢停位控制

冉志平　吴笛

摘 要：根据三峡升船机实船试航调试运行情况，介绍船厢停位控制相关的传感器工作原理，简单分析相关传感信号在控制程序中的使用。

关键词：三峡；升船机；传感器；停位对接

中图分类号：U642 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2016）09-0054-02

2016年7月15日，升船机在我国应用十分广泛，它作为船舶过坝的快速通道，在水利枢纽中发挥了重要作用。如福建水口升船机，重庆彭水升船机，以及正在调试的三峡升船机。尽管它们的驱动方式不尽相同，但其船厢与闸首的对接形式却大同小异。

停位对接，是指承船厢垂直上升（或下降）后，停在静止的闸首工作门附近，保证承船厢内的水位高度与闸首门外侧的航道水位高度一致，然后推出间隙密封框，开启船厢门与闸首门，使船厢水域与航道水域联通，便于船舶进出船厢，从而完成船舶过坝过程。三峡升船机运行从高程62m到175m，行程113m，要求对接时船厢内水平面与闸首航道水平面相差0.1m。

1 相关传感器介绍

1.1 航道水位计

三峡升船机上下游航道水位检测，属于一类运行在线检测的重要检测量之一，其数据的可靠性直接影响到船厢的安全运行及精确停位。所以水位计选型采用两种不同工作原理构成，冗余配置，分别位于上游测井、下游测井中，每测井配置 1台激光水位仪和 1台吹气式水位计。

激光水位仪反光板安装于测井内浮子上，高出水面，不易污染；浮子采用导向装置，防止水位波动造成偏摆，影响数据稳定性。

吹气式压力水位计水头产生的压力，无滞后的传递给传感器中的波纹管，同时这个力通过一个真空杠杆传送给石英晶振。压力的改变会导致石英晶振频率的变化，传感器把频率信号传入处理单元进行处理计算。同时，温度也被测量并且传到处理单元进行补偿压力，使这个压力在一个宽温度范围内接近于没有温度的影响。

除传感器自身的线性与重复性稳定性精度以外，最主要的有温度、水的波动和泥沙含量的影响。在选用高精度压力传感器的同时，将采用多次测量平均和数字滤波等方法平滑水波影响，去除电气干扰的影响，在0～40m的水深测量范围保证测量误差≤±10mm，测量精度≤0.025%FS，以满足升船机系统的总体要求。

1.2 行程检测

升船机行程检测应用多种类型、不同原理的传感器，确保测量的精度与准确率，满足控制系统要求。按测量范围分为局部行程和全行程检测。

装设于船厢上、下游安全螺母柱附近的局部行程测量传感器（KH53），采用绝对线性编码器进行测量。下游侧绝对线性编码器标尺安装于60m高程到80m高程，共20m；上游侧绝对线性编码器标尺安装于140m高程到180m高程，共40m，测量误差≤±1mm；测量精度≤0.1mm；在船厢干舷与之对应的位置布置绝对线性编码器读数头，检测船厢在上、下闸首对接范围的位置。

全行程检测包括安装于1#、3#驱动点的WCS；2#、4#驱动点的格雷母线。WCS为绝对位置编码系统测量装置，精度0.1mm，误差±1mm。使用SSI信号传输，在锁定机构螺母柱框体安装位置编码标尺，在锁定机构螺杆下导向架与之对应的位置安装读数头。格雷母线的安装方式与之类似，测量范围120m，精度1mm，误差±5mm。每个驱动点减速齿轮箱还装设了绝对值角位移编码器（AVM58），测量范围120m，精度1mm，误差±1mm。

1.3 准确停位装置

该装置由浮动标志镜和一组反射式光电开关（B0、B1、B2、B3、B4）组成。

浮子在闸门浮筒内，利用钢丝绳拉力T、浮子浮力Fp以及系统摩擦力f与浮子重力G平衡的原理，保证浮子随水位自由升降。由于引入了伺服系统，其核心元件-驱动卷筒的电机可以根据受力反馈信号实时地调节驱动力，克服了系统摩擦力作用和卷簧在工作行程内不恒力因素的影响，使得测量钢丝绳的张力保持恒定，从而提高了液位测量精度。 测量钢丝绳拉力，控制伺服电机转动，保持钢丝绳拉力不变，带动标志镜升降，实时反映上、下闸首工作大门淹没水深。

图以上闸首为例，通过标志镜（反射板）反应航道水位相对变化；在升船机运行过程中，光电开关检测反射板标志镜的位置，程序控制实现准确对接。

2 对接控制过程

船厢主传动系统具有的控制功能，能确保升船机的运行平稳，对位准确。一般情况下，主传动系统是由位置调节器主导控制，能使升船机启动和停止过程平滑、运行周期短、控制精度高。在位置调节器的控制下，承船厢停位后与上（下）游航道对接，误差在±15mm内。

2.1 目标位的设定

从统计数据分析发现，与库区相连的上游引航道水位变幅大，而下游引航道受葛洲坝发电的影响，水位变率快。为适应现场的特殊工况，充分利用上、下游航道水位计测量数据，当船厢上（下）行时，如果执行正常流程，主传动系统自动获取航道水位计的值，作为本次运行对接的目标位；在上（下）行过程中，若航道水位发生变化，主传动系统会在收到B0光电开关（行程校验）信号后，立即自动获取此时航道水位值，作为本次运行的对接目标位；但收到B0信号时，不再对目标位进行修改，通过浮动标志镜B1—B4精确控制船厢运行速度，进而停位对接。

如果船厢需要运行至某一预定的位置时，可手动输入目标位，不随航道水位的变化而改变。主传动控制站对驱动船厢的四个驱动单元的八套电气传动系统进行控制，使船厢根据目标位的变化，按给定速度运行，并在自动准确定位系统的配合下停止在目标位置上。

2.2 行程检测

在正齿轮箱上引出轴上配置一套位置同步检测装置（AVM58）对四个驱动单元的同步性进行自动检测。该位置同步检测装置不会干扰电气位置同步控制系统同步控制，但是如果倾斜程度超过±20mm，船厢主传动系统将启动快速停机。即：位置同步检测装置的检测信号只作为船厢运行的监护检测信号，不参与船厢的同步调节控制。该编码器的脉冲序列信号还用于每次运行前，设定船厢当前绝对位置。

在四个驱动点安装有两种不同工作原理的全行程检测装置（格雷母线、WCS），各两套；局部行程检测装置四套；保证船厢全行程检测的准确度和可靠性。控制系统采集各个信号相互对比冗余。

2.3 对接停位

为使承船厢准确停位，确保其与上（下）闸首工作门对接时，船厢标准水平面（船厢内3.5m水深）与航道水面平齐，在承船厢的上（下）厢头左右侧各装设一套对射式红外光电开关（位置校验开关），与上（下）闸首工作门上的浮动标志镜配合。由它们给主传动系统提供行程校验（B0）、正常减速（B1）、快速减速（B2）、船厢准确停位（B3）及紧急停机的检验（B4）信号。在主传动系统中对每个位置校验开关信号设定了一定长度的检测范围，如果在检测范围内得到位置校验开关信号，该信号就会被用来检测主传动系统的运行状况；如果在检测范围内没有得到位置校验开关信号，主传动系统就会发出信号未收到的信息，在主传动控制面板上显示。由于航道水位的波动，会导致下面三种情况发生：

（1）若上游航道水位下降（下游航道水位上涨）超过一定范围内（±400mm），主传动系统将提前（相对于初始目标位）收到B0信号，重新计算承船厢的目标位。由于初始目标位与新目标位距离超过可调整范围；随后收到B1信号触发快速停机指令，减速度为0.02m/s。行程1m，船厢即可停止；如果未能停止，当收到B2信号时，会继续触发快速停机指令；当收到B3信号时，会触发紧急停机指令。

（2）若上（下）游航道水位变幅在一定范围内（±400mm），主传动系统收到B0信号时，及时纠正承船厢的目标位。初始目标位与新目标位距离在可调整范围；随后收到B1信号触发正常减速停机指令，减速度为0.01m/s。行程1.5m，主传动系统收到B2信号，此时船厢速度小于0.2m/s，则继续正常减速停机，实现与上（下）有航道对接；如果此时船厢速度仍大于或等于0.2m/s，主传动系统执行快速停机程序，减速度为0.02m/s。如果收到B3信号时，船厢未能停止，便会触发紧急停机指令。

（3）若上游航道水位上涨（下游航道水位下降）超过一定范围内（±400mm），主传动系统将延迟（相对于初始目标位）收到B0信号，而且初始目标位与新目标位距离超过可调整范围，船厢将按照原目标位的速度曲线运行，在初始目标位停止。

对于以上任何一种情况，如果船厢未能停止。当主传动系统收到B4信号时，会触发紧急停机指令，保证升船机主体设备及船舶的安全。

2.4 保护开关

此外，承船厢上还装设了多从保护开关检测。如安装在船厢减速齿轮箱的“最大行程前检测”和“最大行程检测”，以及安装在小齿轮托架的“开关点速度检测”和“紧急最终位置检测”。当船厢无法正常停位，行程超出流程运行值，便会触发相应开关对升船机进行紧急保护，保障承船厢安全。

3 结束语

通过传感器的数据采集，经PLC对各个信号的处理，使船厢能够准确停位，提高船厢与上、下闸首的对接成功率，缩短船舶过坝时间，节约船舶运行成本，对航运有着重要意义。