雙機(jī)閉式啟閉機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁 軍 ，錢(qián) 鈞

（1. 江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127；2. 江蘇省秦淮河水利工程管理處，江蘇 南京 210001）

0 前言

武定門(mén)節(jié)制閘位于南京市武定門(mén)外秦淮河下游，距三汊河入江口 12.6 km，距上游河定橋 9.9 km，是秦淮河流域的重要控制工程之一，具有擋洪、排澇、蓄水等功能。工程閘門(mén)為上、下扉平板直升門(mén)形式，每孔由 2×100 kN 聯(lián)動(dòng)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)啟閉，已運(yùn)行近 50 年。受工程建設(shè)年代客觀條件限制，單臺(tái)啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積近 10 m2，另外啟閉機(jī)傳動(dòng)、制動(dòng)剎車(chē)及電氣控制等系統(tǒng)可靠性差，不能實(shí)行自動(dòng)監(jiān)控。2007 年經(jīng)江蘇省水利廳批準(zhǔn)同意在武定門(mén)節(jié)制閘加固改造中更新改造原啟閉機(jī)。依據(jù)安全檢測(cè)與復(fù)核計(jì)算結(jié)果，2011年12 月武定門(mén)節(jié)制閘原啟閉機(jī)報(bào)廢更新為雙機(jī)閉式啟閉機(jī)[1]，上扉閘門(mén)啟閉機(jī)為 QP-2×100 kN，電機(jī)功率 7.5 kW；下扉閘門(mén)啟閉機(jī)為 QP-2×250 kN，電機(jī)功率 18.5 kW，布置總圖如圖 1 所示?，F(xiàn)啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小，控制方式采用基于 PLC 的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)行了現(xiàn)地與遠(yuǎn)程控制，提高了閘門(mén)自動(dòng)化程度和日常管理水平。

1 啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖1 雙機(jī)閉式啟閉機(jī)布置圖

在我國(guó)水利工程中，上、下扉閘門(mén)常用的啟閉機(jī)布置形式有單獨(dú)、聯(lián)動(dòng)和單獨(dú)雙機(jī)閉式等 3 種啟閉方式。前 2 種啟閉方式在水利工程中經(jīng)常被采用，如 20 世紀(jì) 90 年代建設(shè)的鹽河北套閘、南套閘采用單獨(dú)啟閉形式，20 世紀(jì) 50 年代老舊工程萬(wàn)福閘、武定門(mén)閘采用聯(lián)動(dòng)啟閉形式。單獨(dú)啟閉布置形式，上、下扉閘門(mén)啟閉相對(duì)獨(dú)立，互不干擾，操作靈活，啟閉速度快，效率高，但投資大，啟閉機(jī)在工作橋上所占空間大。武定門(mén)節(jié)制閘啟閉機(jī)更新改造設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)前 2 種啟閉方式進(jìn)行了優(yōu)化組合，提出雙機(jī)閉式啟閉的布置形式。由于武定門(mén)節(jié)制閘加固改造中，工程土建尺寸及上、下扉閘門(mén)相對(duì)位置基本不動(dòng)，采用 2 臺(tái)啟閉機(jī)單獨(dú)布置無(wú)法滿(mǎn)足要求，采用聯(lián)動(dòng)布置亦無(wú)優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)工程實(shí)際，在布置形式上采用獨(dú)立啟閉，在傳動(dòng)方式上采用閉式傳動(dòng)，摒棄大、小開(kāi)式齒輪傳動(dòng)，將常規(guī)啟閉機(jī)中的開(kāi)式齒輪與減速器合二為一，組成 1 臺(tái)大傳動(dòng)比減速裝置，卷筒通過(guò)支座支撐在減速裝置的低速軸上，減速裝置結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，能大大減小啟閉機(jī)整體的布置尺寸。在整體布置形式上，考慮采用同機(jī)架，使整個(gè)結(jié)構(gòu)布置緊湊協(xié)調(diào)，外型布置整體美觀。經(jīng)過(guò)不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)，2011 年該機(jī)型被應(yīng)用到武定門(mén)節(jié)制閘加固改造工程中，并安全使用至今。

2 啟閉機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)控制保護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)布置形式及思路

啟閉機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用分層布置形式，主要由上位機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)電氣控制保護(hù)設(shè)備單元及啟閉機(jī)用開(kāi)度顯示儀等組成。自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的主要思路是數(shù)據(jù)分散采集，集中控制管理，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量、控制和保護(hù)等重要數(shù)據(jù)的智能測(cè)控，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，形成相互協(xié)同的整體構(gòu)架，便于監(jiān)控、統(tǒng)一操作和管理[2]。

2.2 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)主要設(shè)備

啟閉機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中布置的主要設(shè)備如下：

1）遠(yuǎn)方控制工作站。采用工控機(jī)及 1 臺(tái)液晶顯示器，安裝 intouch 10.0 上位機(jī)軟件，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與處理、統(tǒng)計(jì)與計(jì)算、控制與調(diào)節(jié)等監(jiān)控和監(jiān)視功能的實(shí)現(xiàn)[3]。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示啟閉機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，啟閉機(jī)的啟閉及開(kāi)度，顯示操作流程、各類(lèi)運(yùn)行狀態(tài)等。

2）數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。采用 HP 服務(wù)器及 1 臺(tái)液晶顯示器，作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，安裝了sql 存儲(chǔ)相關(guān)參數(shù)及數(shù)據(jù)，并支持實(shí)時(shí)查詢(xún)及歷史紀(jì)錄。

3）網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)及不間斷電源。采用網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)，打印各類(lèi)報(bào)表、圖表及紀(jì)錄等，采用在線(xiàn)式不間斷電源，后備 2 h，用于上位機(jī)設(shè)備的供電電源。

4）現(xiàn)場(chǎng)控制單元。啟閉機(jī)共 6 臺(tái)套，現(xiàn)地設(shè)控制箱 6 只。

2.3 啟閉機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)原理及功能

啟閉機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)保護(hù)主要有現(xiàn)地及遠(yuǎn)方 2 種電氣控制[4]。

2.3.1 現(xiàn)地電氣監(jiān)控保護(hù)

根據(jù)規(guī)范或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，啟閉機(jī)配備了 QCX系列軸承座式荷重傳感器，P + F 型進(jìn)口絕對(duì)型編碼器，控制上、下極限位置的 QY-II 型行程開(kāi)關(guān)。載荷測(cè)量精度為 0.1 t，開(kāi)度測(cè)量精度為 ±1.0 cm。

QCX 荷重傳感器安裝在軸承座下，當(dāng)鋼絲繩受拉時(shí)，傳感器頂部承受一定壓力，并隨時(shí)輸出信號(hào)，顯示儀表上顯示出與實(shí)際負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的數(shù)值。當(dāng)鋼絲繩欠載或超載 10% 時(shí)，自動(dòng)切斷電源。

QY-II 型行程開(kāi)關(guān)、P + F 型進(jìn)口絕對(duì)型編碼器和顯示儀表組成高度指示裝置，通過(guò)安裝在軸端的絕對(duì)型編碼器和行程開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)，顯示并控制閘門(mén)的任何位置。編碼器具有斷電記憶功能，可有效地控制閘門(mén)上、下極限位置和開(kāi)度預(yù)置，當(dāng)閘門(mén)到達(dá)上、下限和相應(yīng)的開(kāi)度位置時(shí)，顯示儀表發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并有相應(yīng)的控制觸點(diǎn)輸出，啟閉機(jī)停止運(yùn)行。行程限位開(kāi)關(guān)僅控制閘門(mén)的上、下極限位置，當(dāng)編碼器失靈時(shí)動(dòng)作，起保護(hù)作用。

啟閉機(jī)房設(shè)有啟閉機(jī)現(xiàn)地控制箱，每臺(tái)現(xiàn)地控制箱控制 1 臺(tái)啟閉機(jī)運(yùn)行，共 6 臺(tái)套，上、下扉門(mén)啟閉機(jī)分別進(jìn)行控制，箱內(nèi)裝設(shè)閘門(mén)開(kāi)度荷重顯示儀表、斷路器、接觸器和熱繼電器等設(shè)備。開(kāi)度位置信號(hào)由閘門(mén)開(kāi)度編碼器將信號(hào)傳輸給開(kāi)度儀表顯示，每臺(tái)控制箱設(shè)有 PLC 可編程控制器，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)上傳上位機(jī)，并接受上位機(jī)下發(fā)的控制指令，處理且執(zhí)行閘門(mén)的升、降、停等操作?？刂葡溲b有上下扉 2 只閘門(mén)開(kāi)度、荷重顯示儀表，具有閘門(mén)運(yùn)行狀態(tài)指示、電流電壓顯示及閘門(mén)開(kāi)度荷重顯示功能[5]?？刂葡涿姘迳涎b有現(xiàn)地/遠(yuǎn)方切控開(kāi)關(guān)、按鈕及控制燈。箱內(nèi)裝設(shè)的帶電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的斷路器、交流接觸器和熱繼電器等設(shè)備，能夠在現(xiàn)地控制箱上通過(guò)按鈕對(duì)閘門(mén)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的升、降、停等操作。

2.3.2 遠(yuǎn)方電氣自動(dòng)監(jiān)控保護(hù)

在遠(yuǎn)方控制室內(nèi)安裝 PLC 控制柜，控制柜設(shè)有 PLC 可編程控制器，配備以太網(wǎng)通訊口和開(kāi)入開(kāi)出、模擬量模塊，實(shí)現(xiàn)閘門(mén)自動(dòng)化運(yùn)行[6]?，F(xiàn)地控制箱負(fù)責(zé)采集對(duì)應(yīng)的閘門(mén)運(yùn)行工況、開(kāi)度、荷重等模擬量信號(hào)，由 PLC 通過(guò)以太網(wǎng)模件上傳上位機(jī)電腦監(jiān)控軟件，在數(shù)據(jù)采集及傳輸過(guò)程中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抗干擾、數(shù)字濾波及數(shù)據(jù)有效性分析處理。現(xiàn)地控制主要在現(xiàn)地控制箱上，通過(guò)切換把手及按鈕進(jìn)行控制，遠(yuǎn)方控制指通過(guò)上位機(jī)上的監(jiān)控軟件對(duì)閘門(mén)進(jìn)行控制。2 種控制方式中現(xiàn)地控制優(yōu)先級(jí)高于遠(yuǎn)方控制，兩者相互協(xié)調(diào)，提高了現(xiàn)代工程管理水平[7]。

3 結(jié)語(yǔ)

武定門(mén)節(jié)制閘工程為秦淮河流域的主要控制工程之一，閘門(mén)啟閉機(jī)為該工程的主要運(yùn)行控制設(shè)備，閘門(mén)啟閉在控制方式上由單一的現(xiàn)地簡(jiǎn)單控制改造為基于 PLC 的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)[7]，在啟閉機(jī)安全保護(hù)方式上由配置單一的機(jī)械制動(dòng)器發(fā)展為配置液壓制動(dòng)器、荷重傳感器、行程限制器等安全聯(lián)合保護(hù)裝置后，已安全投入運(yùn)行近 3 年時(shí)間。實(shí)際運(yùn)行說(shuō)明，經(jīng)過(guò)改造發(fā)展后，啟閉機(jī)的安全可靠性增強(qiáng)了，工程自動(dòng)化監(jiān)控水平提高了，日常的工程維護(hù)及管理更方便了，可為新型啟閉機(jī)在安全和控制設(shè)計(jì)上開(kāi)辟思路。

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