水下监视系统在水电站闸门起重机的应用

陈圣锦

（华能澜沧江水电股份有限公司乌弄龙·里底电厂，云南 迪庆674606）

水电站通常设置有进水口闸门、尾水闸门、溢洪闸门等，其相应的检修门主要使用桥门式起重机起吊。桥门式起重机作为水电站重要的闸门操作设备，且一机承担多扇闸门的操作任务，传统的桥门式闸门起重设备抓梁通常配置有液压自动穿销、抓梁就位信号、穿销位移信号和起吊重量、高度等监测装置，在水下作业过程中，易发生抓梁液压泵站故障、穿销轴卡塞、穿销退销不到位等异常情况，指挥和司机人员均无法直接观察到抓梁在水下的状态，冒然操作则大大增加起重作业的风险。

当前国内相关标准规范对起重机设置可视系统没有具体要求，起重机安装初期功能配置存在局限性，传统闸门起重机控制功能难以满足新形势下的使用需求，故对承担水下作业的起重机进行改造和优化，增设水下可视监视功能，完善系统功能具有重要意义。

1 水电站闸门起重机水下监视系统介绍

某大型水电站进水口设置有机组压力管道进口检修门、分层取水叠梁门以及工作拦污栅，由于机组较多，需要在水下操作的闸门和拦污栅数量达1020多节，每年必须进行的常规启闭操作达到600节/次以上，且仅配置1台2500kN/1600kN双向门式起重机承担操作，为安全高效完成繁重的闸门操作任务，将闸门起重机传统的控制系统进行改造升级，加装水下可视监视系统，改造抓梁信号传输方式，大大提高了闸门操作的可靠性。

1.1 水下监视系统结构和实现的信号功能

闸门起重机所配置的水下可视监视系统由1台工控机作为监视处理主机，集合抓梁状态信号和视频监视信号，将整合的信号分别传送至主、副司机室内的液晶触摸显示屏，在液晶触摸显示屏上可通过画面切换，实现各种状态模拟信号、数字信号、视频信号实时显示。

图1 系统配置图

2 水下监视系统的配置

2.1 主机系统

新增1套水下可视监视系统工控机，独立使用1个控制柜，安装于起重机电气室内。主机系统配置研华UNO-3072A工控机，配套安装视频信号处理主机、外围通信接口卡、UPS电源、监控储存硬盘、数据交换机、监控触摸屏、开关电源等设备，实现起重机抓梁各传感器信号、各视频信号等信号的集中处理、储存、通信、显示、调阅等多种管理功能，并与现有门机控制系统 PLC 之间进行通信，实时读取门机控制系统的有关数据、状态，进行集中管理。

2.2 抓梁就位、穿销同步位移检测传感器

改造抓梁原就位、穿销位移传感器，采用数字式WZ-IV型抓梁就位、穿销位移检测传感器，非接触式测量，指示范围0～1200mm（可调），非线性误差±0.05%FS，分辨率0.002%FS，工作电压电流为DC24V，4～20mA，工作温度 -40～+85 ℃，防护等级IP68，输出标准RS485通信数字信号。

数字式抓梁就位、穿销轴同步位移检测传感器内部多个磁传感器和电子芯片集成一体，包括工业单片机、RS485接口芯片、隔离电源等，非接触式测量，安装方便。检测仪对现场信号进行采集，由信号调理模块的单片机处理系统对传感器信号进行分析判断，处理后直接按输出标准RS485通信信号供上位机采集显示，所有传感器输出均挂入RS485总线上进行串行通信，因此传感器接线非常容易，且输出的是标准数字信号，信号抗干扰能力极强。传感器外壳使用特殊金属材料精密加工处理，具灵敏度高、防水防锈蚀、机械强度好的特点，能适应强水流冲击、高水压、高泥沙等恶劣环境。抓梁就位、穿销同步位移传感器对抓梁对位、穿销销轴运行全过程进行检测，整个运行监测值为线性化，因此其实际显示也为对全过程的监视，可以避免运行时诸多不安全因素所带来的隐患。

闸门起重机抓梁数字式就位、位移、就位检测传感器相对于采用传统的干簧式继电器，具有动作无触点，检测位置准确，范围广的特点；相对于电感式位移传感器，具有输出信号强，对电源要求低，互换性好，输出信号处理简单的优点；相对于电位器式位移传感器，具有防水处理可靠简单，无转动部件，无需润滑等特点。此外，它能很好地解决了高水压工作状态下的防水问题和多泥沙问题。

2.3 视频系统

由于闸门起重机抓梁通常在水下工作，监视摄像头的防水要求和摄像辅助照明要求较高，水下监视摄像头采用专业监控镜头、CCD传感器、索尼700线主板、新一代阵列LED白光灯和密封外壳防水摄像头，防护等级IP66，潜水深度120m，分辨率（水平中心）为 700～1200TVL，有效像素PAL：976H×582V，NTSC：976H×494V，信号制式为PAL/NTSC，最低照度0.01LUX/f1.2，视频输出幅度1.0Vp～p/75Ω，工作温度 -20～60℃。

视频系统实际程序扫描周期：≤100ms，储存时间：60个工作日；系统连续运行时间：7×24h，平均年故障时间：≤3d，平均故障修复时间：≤10min。

视频储存选用海康威视DS7216HW型视频储存录像机，功能齐全，性能稳，支持16路视频输入，1路 RCA，录像画质 PAL：720×576，NTSC：720×480，回放质量 PAL：352×288（CIF），NTSC：352×240（CIF），支持8路同时回放，支持24h全天运行，数据储存不少于168h。

主、副司机室触摸屏选用AOC 27英寸高分辨率液晶显示器，多比例多画面信号切换，多点触摸操作更流畅。显示屏壁挂于司机室侧面，司机可随手操作显示屏以便监视抓梁在水下的状态。

2.4 抓梁随行深水电缆

抓梁随行深水电缆用于穿销轴同步位移传感器、抓梁就位传感器、摄像头等信号传输以及抓梁液压泵站操作动力电源输送，型号为SXFG16×1.5+SYV75-1+1×2.5（钢），电压等级 0.6/1kV，采用专用信号传输4芯电缆，带钢芯，集动力电源、信号传输为一体的复合船用电缆。

2.5 新型防水密封接线盒和防水插头、插座

深水密封接线盒是闸门起重机抓梁上各种电缆和信号线的中转装置。一机多门的配置方式下，由于不同的门叶而需要更换与之匹配的抓梁，起重机在进行闸门操作时，抓梁的动力电源及信号装置电缆需要经常插拔，且水下作业环境特殊，插座、插头长时间暴露在外，容易引起氧化，造成电气部分接触不良。抓梁在水下作业时，如果深水插头、插座以及深水电缆转接部位的密封工艺处理不当，会引起插头进水而烧损电缆，甚至损坏整套系统，所以深水密封接线盒、防水插头、插座、深水电缆的设计和密封工艺显得极为重要。

根据水电站闸门起重机的特点，更换原抓梁接线盒，采用新型不锈钢深水密封防水接线盒。深水密封接线盒一体加工成型，内部通过焊接及螺栓紧固组装而成，其结构分为密封仓、密封仓盖板、密封转接头、电缆密封接头和○型密封圈等几个部分，转接头和电缆接头采用深水防水插接件，性能可靠，寿命长。密封仓与盖板间选用进口优质丁晴橡胶○型密封圈密封，安装时涂抹密封胶，提高其密封性能。电缆接头采用软橡胶弹性柱压式密封，压迫胀紧力达到30kgf/cm2，安装时使用高压泵进行耐压试验，当水压达20kgf/cm2时，相当于水下200m的压力，接头处未出现浸水迹象为合格。为加强系统可靠性，在密封接线盒内部设置浸水传感器，以便实时监测密封接线盒内潮湿状况，防止密封接线盒装置因潮湿短路导致系统运行瘫痪，及时提醒对密封接线盒进行维护。

将原抓梁随行深水电缆的防水插接件改造为法国进口军工级专用防水插头、插座，法国法码通M系列水下连接器，性能可靠，寿命长。新型防水插接件壳体采用青铜制成，接触件采用黄铜焊接接触件，镍基层镀金，绝缘体采用PTFE或PCTFE，具有适用温度范围广、耐油、耐酒精、耐海水、各种气体以及各种酸等特点。插接件设置五键防错插，螺纹锁紧，可拆卸式结构，半防斜插插配，有利于对接触件的保护。

3 水下监视系统的布置和安装

将水下抓梁原位置直接更换新型数字式抓梁就位、穿销位移传感器，更换防水接线盒，根据自动抓梁液压装置以及其他电子附件的控制要求，现场重新布线接线和封装。抓梁随行深水电缆需要在出厂前进行插头接线封装，完成绝缘试验，安装现场直接更换和进行随行同步性调整。数字式抓梁就位、穿销位移传感器的数字信号传输至抓梁防水密封接线盒内，挂入RS485信号总线传输到工控主机，将新系统控制输出信号并入门机控制系统相应保护回路和主、副司机室触摸屏上抓梁抓门实时动作模拟图。

根据抓梁监视的要求，在抓梁穿销接力器油缸正上方安装一个摄像头，监视穿销同步位移滑块的走位、就位、回位的实时位置状态。在抓梁吊耳侧面安装一个摄像头，监视抓梁就位及就位传感器的实时状态。在抓梁吊耳正面安装一个摄像头，监视穿销轴抓门时实际就位状态。要求摄像头支撑支架焊接和摄像头安装牢固，监视位置准确，抓梁本体布线全部使用钢套管整体布置。各个摄像头的视频信号传输至抓梁防水密封接线盒内的视频发送器，视频发送器将多路视频合成1路视频信号输出，通过抓梁随行深水电缆传输到工控主机，在主、副司机室触摸屏上可实时监视抓梁作业的状态。

图2 安装及走线示意图

安装结束，分别对各路信号调试，最终进行抓梁空载水中穿、退销试验及带门水中综合试验，确保新系统安全可靠、运行稳定。

4 结语

水下可视监视系统的投入使用，起重司机可全面、精确掌握抓梁在水下作业的实时状态，避免发生盲目操作，提高了闸门操作的正确性，在出现设备故障等突发状况时，根据视频影像做出准确判断，有针对性地制订解决方案，有效降低水电站闸门起重机水下作业风险。