萬福閘單軌道自動(dòng)巡檢監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

胡春麟 陳 華 繆慧麗

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200）

1 工程概況

萬福閘地處揚(yáng)州市廣陵區(qū)和生態(tài)科技新城的交界處，位于淮河入江水道廖家溝上，是淮河排洪的主要控制工程之一。該閘共65孔，每孔凈寬6m，閘墩寬1.2m，閘室總寬466.8m、總長(zhǎng)141m，該工程于2012年3月開始進(jìn)行全面加固改造后，工程設(shè)計(jì)流量為8270m3/s，校核流量為9400m3/s。閘門結(jié)構(gòu)型式為上下扉直升門，上下扉門均為平面鋼閘門；每孔采用一臺(tái)套2×160kN/2×80kN新型同軸主副卷筒固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，用于啟閉上下扉門的主副卷筒，通過一套驅(qū)動(dòng)裝置和離合機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)主卷筒獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)和主副卷筒聯(lián)動(dòng)，從而滿足上下扉閘門的啟閉要求。

萬福閘工程主要作用為承擔(dān)70%左右淮河排洪入江水量，引納江水，改善邵伯湖沿湖地帶農(nóng)田灌溉用水條件，控制揚(yáng)州段京杭大運(yùn)河水位，改善通航、城市工業(yè)和生活用水條件。

2 應(yīng)用背景

萬福閘共65孔，閘室總寬466.8m，孔數(shù)多，跨度長(zhǎng)，日常巡視檢查范圍廣、難度大。在使用自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行閘門啟閉運(yùn)行操作時(shí)，存在諸多不利因素。例如，閘門在開啟前及開啟時(shí)，需檢查閘門情況:門頂有無垃圾，上下游有無船只，運(yùn)行時(shí)有無卡阻等情況，需要人員在工作便橋及時(shí)觀察，并與控制室操作人員及時(shí)通信。這樣需要增加人員，也存在溝通不及時(shí):表達(dá)不到位的情況。因此，在萬福閘工作便橋增設(shè)單軌道自動(dòng)巡檢監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由巡檢箱體端和監(jiān)控端（萬福閘控制室）組成，該巡檢監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制監(jiān)視、自動(dòng)巡視、復(fù)位充電等功能，巡檢監(jiān)控主機(jī)可沿萬福閘工作便橋“工字鋼”軌道運(yùn)行監(jiān)控閘門運(yùn)行及上下游河道情況，也可用于閘門、工作便橋、上下游河道日常巡視檢查工作。

3 單軌道自動(dòng)巡檢監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)組成

單軌道自動(dòng)巡檢監(jiān)控系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 單軌道自動(dòng)巡檢監(jiān)控系統(tǒng)組成

萬福閘單軌道自動(dòng)巡檢監(jiān)控系統(tǒng)巡檢箱體端取電電刷（充電探頭）連接充電樁給鋰電池組充電，鋰電池組通過直流降壓模塊和逆變器分別給箱體內(nèi)的各設(shè)備供電，高清球機(jī)采集的圖像通過巡檢箱體端的交換機(jī)經(jīng)過無線通信主機(jī)1和2傳輸?shù)奖O(jiān)控端（萬福閘控制室）的顯示屏上，通過監(jiān)控端的搖柄式控制盒發(fā)出的電動(dòng)行車控制信號(hào)經(jīng)過無線通信主機(jī)2和1到達(dá)巡檢箱體端的行車控制器，配合行車控制器內(nèi)置程序，從而控制電動(dòng)行車在“工字鋼”軌道上的前進(jìn)、后退、停止、巡檢、復(fù)位充電等行走狀態(tài)。

3.2 組成部分的選型與設(shè)計(jì)

3.2.1 電動(dòng)行車

以萬福閘現(xiàn)有32C“工字鋼”（電動(dòng)葫蘆行走軌道）為行走軌道，本系統(tǒng)采用TOYO HSG-B200電動(dòng)行車為動(dòng)力載具，免去了為巡檢監(jiān)控系統(tǒng)重新開發(fā)適應(yīng)32C“工字鋼”作為軌道的動(dòng)力載具，既節(jié)約成本，又不影響電動(dòng)葫蘆正常運(yùn)行。

電動(dòng)行車控制箱引出三根行車控制線接入可編程控制器RX-10，可編程控制器RX-10接入IP網(wǎng)絡(luò)控制模塊通過RJ45接口接入網(wǎng)線連接至TP-LINK網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，再通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)入無線通信主機(jī)1，通過無線信號(hào)連接至監(jiān)控中心的監(jiān)控主機(jī)，見圖2。

圖2 電動(dòng)行車設(shè)計(jì)

3.2.2 巡檢箱體內(nèi)各設(shè)備供電要求

巡檢箱體內(nèi)采用DC轉(zhuǎn)DC降壓模塊為每個(gè)設(shè)備單獨(dú)供電，可有效降低電力損耗，避免各設(shè)備之間的感應(yīng)電壓影響。并且該模塊具有輸出穩(wěn)定、防水、低損耗、低散熱等功能，見圖3。巡檢箱體內(nèi)設(shè)備用電要求如下:

a.電動(dòng)行車:交流220V，功率450W，瞬時(shí)功率900W。

b.高清攝像球機(jī):直流24V，額定電流1A，功率24W。

c.交換機(jī):直流5V，額定電流0.5A，功率2.5W。

d.無線傳輸主機(jī):直流24V，額定電流0.75A，功率18W。

e.可編程控制器:直流24V，額定電流0.5A，功率12W。

f.網(wǎng)絡(luò)控制器:直流12V，額定電流0.5A，功率6W。

圖3 巡檢箱內(nèi)電路設(shè)計(jì)

3.2.3 充電樁

結(jié)合實(shí)際工況，因充電樁安裝在戶外，需考慮供電接入的防水、絕緣等因素。自主設(shè)計(jì)充電樁，采用具有絕緣防水阻燃特性的有機(jī)玻璃材料，充電探頭使用電機(jī)內(nèi)部的高碳刷，具有良好的導(dǎo)電、耐磨、滅弧性能。能保證充電探頭與接入市電的銅片接觸時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電火花、電弧等現(xiàn)象，防止電火花、電弧導(dǎo)致的火災(zāi)發(fā)生，見圖4、圖5。

圖4 充電樁設(shè)計(jì)

圖5 充電探頭設(shè)計(jì)

充電探頭采用了內(nèi)置高強(qiáng)度壓簧，配合電動(dòng)行車的剎車裝置，保證充電探頭與接入市電的銅片在壓簧的壓力下充分接觸，即使在大風(fēng)天氣下也不會(huì)因箱體的晃動(dòng)導(dǎo)致充電接口接觸不良，見圖6。

電源部分采用48V80AH鋰聚合物電池組給系統(tǒng)供電，根據(jù)系統(tǒng)各設(shè)備功率使用情況，可保證整個(gè)系統(tǒng)持續(xù)供電8h以上。鋰電池充電器與充電探頭連接，接入供電的銅片，給鋰電池組充電。鋰電池組和充電器均配置了電池過充保護(hù)電路，在電池充滿電時(shí)自動(dòng)停止充電，有效保護(hù)了鋰電池組的安全，延長(zhǎng)了鋰電池組的使用壽命。

圖6 充電探頭電源設(shè)計(jì)

3.2.4 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)數(shù)字無線傳輸設(shè)備GCD-5800G作為無線通信主機(jī)，匹配18dBi高增益定向平板天線組成無線局域網(wǎng)絡(luò)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸可達(dá)20km，有效傳輸帶寬達(dá)300Mb/s，作為視頻信號(hào)與電動(dòng)行車控制信號(hào)的傳輸載體，可有效防止數(shù)據(jù)丟包、連接不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生，見圖7。

圖7 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.5 搖柄開關(guān)盒

操作人員在萬福閘控制中心從顯示器上遠(yuǎn)程監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)情況，通過搖柄開關(guān)盒上的控制手柄，操控巡檢箱體的移動(dòng)與停止，搖柄開關(guān)盒還設(shè)置一鍵巡檢和一鍵復(fù)位充電功能。操作人員只需坐在控制室就可以通過視頻畫面完成工程巡視檢查工作。

3.3 系統(tǒng)功能

3.3.1 遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制功能

通過萬福閘控制室監(jiān)控畫面，監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)情況，通過控制室操作搖柄，給出電動(dòng)行車的數(shù)控信號(hào)，控制電動(dòng)行車的前進(jìn)、后退、停止。配合監(jiān)控軟件使用，可實(shí)現(xiàn)操作人員遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制，操作鼠標(biāo)控制球機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，觀察閘室及上下游河道情況。

3.3.2 自動(dòng)巡檢功能

一鍵巡檢功能，即操作人員在萬福閘控制室按動(dòng)搖柄開關(guān)盒上一按巡檢按鈕，巡檢箱體則自動(dòng)行走于工字鋼軌道，并控制高清球機(jī)對(duì)整個(gè)閘室進(jìn)行視頻掃描，拍攝視頻保存于硬盤錄像機(jī)。當(dāng)觀察到閘室異常情況，可操作搖柄控制巡檢箱體停止，便于進(jìn)一步觀察。當(dāng)巡檢箱體行走至“工字鋼”末端時(shí)，箱體上的行程開關(guān)受墻體擠壓而閉合，給系統(tǒng)一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，巡檢箱體自動(dòng)停止并返回行走。巡檢箱體返回行走至充電處，行程開關(guān)給系統(tǒng)一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，巡檢箱體則自動(dòng)停止并自動(dòng)充電。

3.3.3 復(fù)位自動(dòng)充電功能

無論巡檢箱體在工字鋼軌道何處，當(dāng)需要返回充電，按下?lián)u柄開關(guān)盒上的復(fù)位充電按鈕，巡檢箱體將自動(dòng)返回充電處并自動(dòng)充電。

4 應(yīng)用情況分析

水閘單軌道自動(dòng)巡檢監(jiān)控系統(tǒng)適用于大中型水閘工程管理、閘門運(yùn)行、巡視檢查等工作，借助水閘工程的電動(dòng)葫蘆“工字鋼”，無須重新架設(shè)行車行走軌道，既節(jié)約了成本，又節(jié)省了大量的人力和時(shí)間，提高了工程管理智能化水平?？刂浦行娜藛T通過監(jiān)控畫面第一時(shí)間掌握工程現(xiàn)場(chǎng)情況，及時(shí)執(zhí)行操作指令，特別是在雨雪天氣和夜間，操作人員在控制室通過監(jiān)控屏幕及操作搖柄，控制運(yùn)用巡檢監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行巡視檢查工作，既可保障人員安全又能確保工程巡查工作順利完成。但是軌道行車在試運(yùn)行過程中，在幾處焊縫不平整處出現(xiàn)行走卡阻情況，經(jīng)過打磨修整已順利通過。因此，要求工字鋼接縫處平整，無凸起焊縫。

5 結(jié) 語

經(jīng)過多次試運(yùn)行，單軌道自動(dòng)巡檢監(jiān)控系統(tǒng)軌道行車行走平穩(wěn)，視頻畫面無線遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)穩(wěn)定、畫面清晰，遠(yuǎn)程操控軌道行車前進(jìn)、后退、自動(dòng)巡檢、復(fù)位充電等執(zhí)行指令無延時(shí)，充電時(shí)，接觸良好，無安全隱患。

該系統(tǒng)可廣泛運(yùn)用于水利工程大中型水閘日常巡視檢查等工作，提升工程管理效率明顯，亦可運(yùn)用于電廠、大型企業(yè)廠房的巡查保衛(wèi)工作，應(yīng)用前景廣泛。