基于全平衡垂直升船机监控系统试验研究

林宗霖

摘 要：以水口全平衡垂直升船机为例，介绍了升船机监控系统设备、存在问题与技术改造，水口升船机是大惯量设备，安全运行的关键技术措施是：单机构控制流程要有严格的逻辑闭锁条件，通过实验验证逻辑闭锁条件的正确性。通过对试验数据的分析和研究，关键参数的优化，减少单机构动作时间，提高通航效率。

关键词：全平衡；升船机；控制流程；逻辑闭锁；试验

中图分类号：U642 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2016）08-0074-03

水口2×500t级全平衡垂直升船机，2005年投入试运行，是国内首座建在高坝上并成功投运的快速高效通航设施，在设计、制造、安装、试验及运行等均无经验可借鉴。水口升船机由主提升、上闸首、承船厢、下闸首、主控站、信号检测及配电等设备组成，最大提升高度59m，额定运行速度0.2m/s，运动总质量16000t，运行事故采用首创的事故二级调压制动技术，实现升船机平稳停机。监控系统控制对象涉及多学科多专业的技术集成，集数据采集、计算、监视、控制、逻辑闭锁条件判断、继电器控制、大惯量的设备拖动控制、信号检测和事故保护于一身，运行工况相当复杂，为了监控系统改造后升船机能安全稳定运行，必须通过试验发现并消除潜在的安全隐患。

1 监控系统设备

升船机监控系统由主控站和5套现地PLC子站（主提升、上闸首、承船厢上、下游、下闸首）组成。

（1）主控站。主控站设在集控室，由数据服务器、操作员站、工程师站和多媒体服务器等设备组成。

（2）主提升。主提升4个吊点各设一套钢丝绳卷扬机装置和一套五级齿轮减速箱及其润滑油泵，每个吊点16组重力平衡重，4组可控平衡重，由一台直流电机驱动，采用内环式闭环刚性同步轴联成一体；上下游各设一套液压泵站：控制8对工作制动器（简称工制）和112对安全制动器（简称安制）；信号检测和配电系统。

（3）上闸首。闸首门及其液压启闭机；闸首门上液压泵站：控制闸首卧倒门（简称卧倒门）、对接密封框、锁锭及拉紧装置；信号检测和配电系统。

（4）承船厢上、下游。上、下游子站互为备用；承船厢4个吊点各设一套液压泵站：控制上、下游卧倒门、上、下游防撞梁、撑紧装置；安全锁定装置；信号检测和配电系统。

（5）下闸首。闸首门及其液压启闭机；闸首门上液压泵站：控制卧倒门、对接密封框、锁锭及拉紧装置；信号检测和配电系统。

2 技术改造

监控系统设备于1999年安装运行，采用西门子S5 PLC与主控站通过L2网通讯，经过十几年来运行，PLC模块整体老化严重、无备品备件、影响故障实时反馈、无事故追忆功能、故障频发等需进行升级改造。

改造内容：主控站和5套现地子站，主控站与子站用光缆通讯。优化人机界面，增加单机构操控流程。

3 单机构控制流程逻辑闭锁条件

逻辑闭锁条件是升船机安全运行的关键，各子站单机构控制流程严格执行下面所列的逻辑闭锁条件，一个条件不满足流程即停止。主控站执行控制流程时再次判断。+表示“与”的关系。

3.1 主提升

（1）承船厢运行：主提升准备好+上、下卧倒门关到位+承船厢上、下游卧倒门关到位+上、下闸首解除对接到位+撑紧退到位+承船厢安全锁定装置收回到位+承船厢水平+2.42m≤承船厢水深≤2.51m+闸首门行程左右偏差≤2cm。

（2）工制松闸：安制上闸到位。

（3）安制松闸：工制上闸到位。

3.2 上闸首

（1）闸首门解锁：航道水位≥55m+左右油缸在上极限位。

（2）闸首门粗调：闸首门解锁到位+闸首解除对接到位+1.5m≥底槛水深≥2.8m+|航道水位反算底槛水深-底槛水深|<20cm+粗调令。

（3）闸首门精调：闸首门解锁到位+闸首解除对接到位+2.42m≥底槛水深≥2.57m+|航道水位反算底槛水深-底槛水深|<20cm+精调令。

（4）闸首锁锭穿销：承船厢与闸首精准停位+2.57m≥底槛水深≥2.42m+主拖动停机+工制安制上闸到位。

（5）闸首对接：闸首左右锁锭进到位+撑紧进到位。

（6）充间隙水：闸首对接到位+撑紧进到位+卧倒门关到位+承船厢卧倒门关到位。

（7）开卧倒门：卧倒门区无船+承船厢卧倒门区无船+闸首对接到位+撑紧进到位+间隙水深≥2.45m+2.57m≥底槛水深≥2.42m。

（8）下行进船：卧倒门开到位+承船厢卧倒门开到位+防撞梁降到位+闸首对接到位+下游防撞梁升到位+承船厢下游卧倒门关到位+撑紧进到位。

（9）关卧倒门：卧倒门区无船+承船厢卧倒门区无船。

（10）闸首解除对接：卧倒门关到位+承船厢卧倒门关到位+间隙水深≤2cm。

（11）排间隙水：闸首对接到位+撑紧进到位+卧倒门关到位+承船厢卧倒门关到位+防撞梁升到位+间隙水深≥15cm。

3.3 承船厢

承船厢分上、下游，上游对应上闸首，下游对应下闸首。

（1）开承船厢卧倒门：卧倒门区无船+承船厢卧倒门区无船+闸首对接到位+撑紧进到位+间隙水深≥2.45m+2.57m≥底槛水深≥2.42m。

（2）关承船厢卧倒门：卧倒门区无船+承船厢卧倒门区无船。

（3）撑紧进：闸首锁定进到位。

（4）撑紧退：闸首解除对接到位。

（5）承船厢水深调整：闸首对接到位+承船厢卧倒门开到位+卧倒门关到位+2.42m>承船厢水深>2.51m。

3.4 下闸首

（1）闸首门解锁：航道水位≥6.05m+左右油缸在上极限位。

（2）闸首门粗调：闸首门解锁到位+闸首解除对接到位+1.5m≥底槛水深≥2.8m+|航道水位反算底槛水深-底槛水深|<20cm+粗调令。

（3）闸首门精调：闸首门解锁到位+闸首解除对接到位+2.42m≥底槛水深≥2.57m+|航道水位反算底槛水深-底槛水深|<20cm+精调令。

（4）闸首锁锭穿销：承船厢与闸首精准停位+2.57m≥底槛水深≥2.42m+主拖动停机+工制安制上闸到位。

（5）闸首对接：闸首左右锁锭进到位+撑紧进到位。

（6）充间隙水：闸首对接到位+撑紧进到位+卧倒门关到位+承船厢卧倒门关到位。

（7）开卧倒门：卧倒门区无船+承船厢卧倒门区无船+闸首对接到位+撑紧进到位+间隙水深≥2.45m+2.57m≥底槛水深≥2.42m。

（8）上行进船：卧倒门开到位+承船厢卧倒门开到位+防撞梁降到位+闸首对接到位+上游防撞梁升到位+承船厢上游卧倒门关到位+撑紧进到位。

（9）关卧倒门：卧倒门区无船+承船厢卧倒门区无船。

（10）闸首解除对接：卧倒门关到位+承船厢卧倒门关到位+间隙水深≤2cm。

（11）排间隙水：闸首对接到位+撑紧进到位+卧倒门关到位+承船厢卧倒门关到位+防撞梁升到位+间隙水深≥15cm。

4 试验

试验分步进行，先现地子站试验，后主控站总联调试验。每个控制流程试验时，人工模拟流程的逻辑闭锁条件，检验流程正确性，试验过程发现异常或缺陷即停止，消缺后继续试验。试验时，设备均无故障，上闸首门65.1m，上游航道水位61.76m，下闸首门21.79m，下游航道水位6.71m，承船厢水深2.5m。试验过程，主控站数据服务器接收并记录各子站所有电机电流、电压、温度，各液压泵站动作压力值、动作时间，对关键参数进行分析研究、优化调整和重新整定以节省单机构动作时间。关键参数数据量太多受字数所限（略）。

4.1 现地子站

4.1.1 主提升

流程试验：

（1）启动润滑油泵站；

（2）工制松闸；

（3）安制松闸；

（4）故障保护柜流程试验：承船厢运行过程中出现8种事故启动事故二级调压制动：①主提升掉电；②上、下行过卷；③上、下行极限；④主拖动电机过速；⑤上位机急停；⑥制动器液压泵站油箱油位低；⑦故障柜手动操作；⑧工制或安制松闸信号丢失；为了安全承船厢升降速度均设2m/min。

（5）确认承船厢沿程4个位置校验开关设定值，上行校验值为42.37m、35.32m、28.26m、21.34m，下行校验值为42.38m、35.31m、28.26m、21.35m。

（6）闸首门上设有5个光电对射开关，分别是停止精调位、位置校验位、准确停位、越位和超限保护。升船机承船厢2m/min速度上、下运行，模拟上、下闸首越位信号，承船厢快停，模拟上、下闸首超限信号，承船厢急停，确认信号正确。

4.1.2 上闸首

流程试验：①闸首门解锁，在主控站方式，自动粗调降至61.76m底槛水深2.5m；②承船厢上行与闸首精准对位，上行过程均收到停止精调、位置校验、准确停位信号；③闸首对接：锁锭穿销→拉紧→对接密封框推出；④充间隙水至2.5m；⑤开卧倒门；⑥关卧倒门→排间隙水→对接密封框退回→松拉紧→锁锭退回；⑦提闸首门至投锁。

4.1.3 承船厢上游

承船厢与上闸首对接到位后，流程试验：①撑紧进；②开上游卧倒门并降防撞梁；③关上游卧倒门并升防撞梁；④撑紧退。

4.1.4 承船厢下游

承船厢与下闸首对接到位后，流程试验：①撑紧进；②开下游卧倒门并降防撞梁；③关下游卧倒门并升防撞梁；④撑紧退。

4.1.5 下闸首

流程试验：①闸首门解锁，在主控站方式，自动粗调降至6.71m底槛水深2.5m；②承船厢下行与闸首精准对位，下行过程均收到停止精调、位置校验、准确停位信号；③闸首对接：锁锭穿销→拉紧→对接密封框推出；④充间隙水至2.5m；⑤开卧倒门；⑥关卧倒门→排间隙水→对接密封框退回→松拉紧→锁锭退回；⑦提闸首门至投锁。

4.2 主控站

主控站发承船厢运行命令，主提升子站解除安制和工制松闸相互闭锁条件。

（1）承船厢运行。操作员站计算并下载主拖动控制参数：预加力矩、运行速度、上行目标位置、下行目标位置、承船厢当前位置。承船厢上（下）运行流程：启动滑油泵→启动液压泵→工制松闸→消除五级齿轮间隙→工制上闸→安制松闸→上（下）行命令→工制松闸→松闸校核→承船厢运行→自动停机（或手动停机、快速停机、事故停机）→工制上闸→安制上闸→液压泵停机→滑油泵停机。其中：自动停机是停在预设的目标位，离目标位6m开始减速至停机，事故停机由故障保护柜强制执行事故二级调压制动。

（2）上班恢复流程：上、下闸首门解锁→安制充压→工制充压→承船厢上（下）运行与闸首精准对位→上（下）闸首对接。

（3）上行流程：上行进船→停止进船→关下卧倒门→承船厢水深调整→关承船厢下游卧倒门→排间隙水→解除下闸首对接→撑紧退回→承船厢上行与上闸首精准对位→锁锭穿销→撑紧进→上闸首对接→开承船厢上游卧倒门→开上卧倒门→上行出船。

（4）下行流程：下行进船→停止进船→关上卧倒门→承船厢水深调整→关承船厢上游卧倒门→排间隙水→解除上闸首对接→撑紧退回→承船厢下行与下闸首精准对位→锁锭穿销→撑紧进→下闸首对接→开承船厢下游卧倒门→开下卧倒门→下行出船。

（5）解除上游对接流程：关上卧倒门→承船厢水深调整→关承船厢上游卧倒门→排间隙水→解除上闸首对接→撑紧退回→承船厢下行至目标位。

（6）解除下游对接流程：关下卧倒门→承船厢水深调整→关承船厢下游卧倒门→排间隙水→解除下闸首对接→撑紧退回→承船厢上行至目标位。

（7）安全锁锭装置试验。承船厢运行至安全锁锭装置允许位停机，在安全锁锭装置投入/退回人机界面上操作流程试验。

5 结束语

水口升船机运动惯量大，控制流程逻辑闭锁条件繁杂，为了监控系统技改后升船机安全可靠运行，需进行多次细致试验，经缺陷处理、流程优化，平均船舶过升船机时间从38.2min减少到28.3min，试验验证了各项技术指标达到或超过设计要求。在参数整定、逻辑闭锁条件完善、人机界面优化、数据管理和运行危险点等方面收获大量试验数据以及现场试验成果，可供国内十几座正在建设的全平衡垂直升船机运行、试验借鉴，为我国升船机运行、试验技术规范编制提供成功的试验实例依据。