三峡升船机电气控制系统介绍
摘 要：作为目前世界上提升高度最大的升船机，三峡升船机具有建设规模大、技术难度高、运行控制复杂特点。为确保三峡升船机的安全运行，三峡升船机采用先进计算机监控系统并配以各种先进的传感器实现三峡升船机的自动控制。本文介绍了三峡升船机电气控制系统。
关键词：升船机 电气控制系统 传感器
三峡水利枢纽主要由挡水和泄水建筑物、发电建筑物以及通航建筑物组成。通航建筑物有双线五级船闸和一级垂直升船机。三峡升船机采用齿轮齿条爬升式垂直升船机，过船规模3000t，最大提升高度113m，上游通航水位变幅30m，下游通航水位变幅11.8m。布置在三峡枢纽左岸，位于双线五级船闸右侧、左岸7#、8#非溢流坝段之间，是船舶快速过坝通道，由上游引航道、上闸首、船厢室段、下闸首和下游引航道等部分组成。
三峡升船机电气控制系统主要由供配电系统、计算机监控系统、电气传动控制系统、检测系统、图像监控系统、通航信号及广播系统设备等组成。
三峡升船机供配电系统
三峡升船机供配电系统设备由供配电工作站、塔柱供配电系统、船厢供配电系统等组成。供配电工作站由1台工作站、1套变电控制站组成，塔柱供配电系统由2套10kV供配电系统、2套0.4kV供配电系统、1套直流电源、1套EPS电源组成。船厢供配电系统由4套10kV供配电系统组成、4套船厢0.4kV供配电系统、1套低压开关装置等组成。塔柱10kV供配电系统、0.4kV供配电系统、直流电源、EPS电源布置在塔柱+196.00m高程北侧、南侧。船厢10kV供配电系统、0.4kV供配电系统、低压开关装置分别布置在船厢1.1、2.1、3.1、4.1电气室。三峡升船机供配电系统采用三回独立的10kV电源供电，一回引自左岸电厂，另两回引自坛子岭变电站。
三峡升船机供配电系统设备负责升船机上闸首工作门桥机及辅助门桥机、上/下闸首工作门、上/下厢头工作门、上/下闸首启闭机房、泄水工作阀门、集中控制室、船厢驱动机构、工作/安全制动器、充泄水系统、检测系统、消防系统、空调系统、照明系统、1-6#电梯等设备供电。
三峡升船机计算机监控系统
三峡升船机计算机监控系统主要由集中控制系统、现地控制系统、安全控制系统和网络设备四部分组成。三峡升船机计算机监控系统采用两层集散分布式结构，分为上层管理层和级间控制层两层。上层管理层和级间控制层之间采用双1000M工业以太环网连接，实现数据交换。管理层和图像视频系统、通航及广播指挥系统间采用1000M工业以太网，通过对运行数据的交换共同实现整个升船机系统的操作、控制功能。控制网和管理网分离的结构将升船机控制与管理进行了适当的隔离，可以提高控制系统性能、确保系统安全、提高管理效能。通过计算机系统对控制网和管理网的跨越，实现了控制系统与管理系统的数据融合，实现了升船机系统的分散控制、集中管理。三峡升船机计算机监控系统系统结构图见图1。
三峡升船机计算机监控系统PLC选择Control Logix系列。计算机监控系统软件分为系统软件和应用软件。应用软件主要由监控系统软件、图像监控系统控制软件、广播系统控制软件、仿真培训软件等组成。监控系统软件主要由上位机组态软件及PLC编程软件组成，上位机组态软件采用Factory Talk VIEW，PLC编程软件采用RSLogix5000。
1、集中监控系统
集中监控系统由操作员站、工程师站、I/O服务器、数据存储服务器、通信服务器、图像监控系统服务器/工作站、广播系统工作站、工业以太网交换机等组成。
集中监控系统采集现地控制系统各项信息、数据，并根据事先升船机运行工艺的要求，按照预先编制好的运行流程，进行升船机整体运行的控制与操作。集中监控系统具有自动控制、人机对话、实时数据采集与处理、时钟同步、系统状态自诊断、故障报警及应对处理、实时数据库管理、历史数据库管理、记录及历史报表打印、本地网络和网际通信等功能。集控典型操作界面如图2。
2、现地控制系统
现地控制系统由上厢头控制站、下厢头控制站、上闸首控制站、下闸首控制站等组成。现地控制系统具有采集现场传感器信息、闭锁条件、故障报警等信息，并根据集控、现地指令，进行控制站接触器、中间继电器控制，实现对船厢门、输水阀门及液压启闭机系统的控制。
上/下厢头控制站由1套冗余热备的CPU主站、3个远程I/O站组成。分别布置于船厢上/下厢头控制柜。船厢上/下厢头控制站主要实现船厢门开启/关闭、防撞装置上升/下降、间隙密封框进/退等机构控制、船厢水位检测调节，船厢间隙充/泄水控制等功能。上/下闸首PLC控制站由1套冗余热备的CPU主站、3个远程I/O站组成。分别布置于上/下闸首机房、工作门、活动桥控制柜。上/下闸首控制站主要实现活动公路桥启/闭、上/下闸首工作门内卧倒门启/闭、上闸首泄水系统等设备操作、状态监视等功能。现地控制系统操作界面见图3。
3、安全控制系统
为了保证三峡升船机安全运行，在计算机控制系统之外，三峡升船机设计了一套安全控制站，采用安全等级更高的安全PLC系统，以对联锁系统进行控制。这种设计继承传统升船机设置硬件闭锁的好的经验，同时提供独立运行的安全等级更高的故障安全PLC系统可靠性更高，提供优先级更高的紧急操作接口，确保自动流程于正确的时间起动、以正确的程序运行并最终安全完成，还将确保整个过程不出现危害性故障。
安全控制系统具有能判断上闸首、船厢和下闸首各控制系统之间的安全运行条件，核准上闸首、船厢和下闸首各机构动作步序的闭锁条件和升船机运行的动作顺序流程，升船机运行状态及实时过程数据的采集，运行工艺的安全逻辑运算与处理。升船机状态检测和故障诊断，事故处理及恢复操作指导等主要功能。
三峡升船机电气传动控制系统
三峡升船机电气传动控制系统由传动控制站、交流变频装置等组成。传动控制站由1套冗余PLC主站、12套远程I/O站组成。冗余PLC主站布置在3#驱动点，远程I/O站分别布置在1#～4#驱动点电气传动控制站控制柜。交流变频装置由8套变频控制柜，8台交流变频电机组成，交流变频装置及交流变频电机，布置于升船机承船厢内，由传动控制站控制。
其主要功能是控制承船厢的驱动电动机、液压导向系统、液压制动系统、齿轮箱稀油润滑系统、小齿轮润滑系统、同步轴干油润滑系统等机电设备的运行，以及承船厢行程、同步轴扭矩和机电设备状态等信号的检测处理，实现升船机承船厢的正常运行和安全保护功能。电气传动控制系统见图4。
检测系统
升船机检测设备多，检测监控对象分布范围广，是电气控制系统中控制参数和状态信息的来源，是电控系统不可缺少的重要组成部分。检测系统由水位（水深）测量、行程位移测量、船厢减速停位检测、监护检测系统、船舶探测、位置检测等组成，分别布置上闸首、承船厢、工作门、下闸首相关设备上。
水位（水深）测量为上/下游水位测量，上/下闸首航道口门通航水深测量，船厢水位测量，船厢间隙水位测量，船厢间隙水管水位测量，船厢室漏水检测。行程位移测量为船厢全行程检测、船厢局部行程检测。船厢减速停位检测为上游端两侧、下游端两侧减速停位检测。监护检测系统为同步轴扭矩检测，驱动小齿轮荷载检测。船舶探测为探测工作门门区有无船只。船舶探测点为承船厢上/下厢头、上/下闸首工作门船舶探测。位置检测装置为检测各类设备是否按系统规定的动作步骤准确地到位或退位，位置检测传感器有行程开关、接近开关、红外光电开关。
图像监控系统
升船机图像监控系统由图像监控服务器、图像监控工作站、视频矩阵切换器、摄像机、硬盘录像机、液晶拼接显示屏、网络交换机、光端机、视频分配器等组成。具备升船机设备运行情况、船舶过往情况、参观人员流动情况监控，向控制室操作人员和安全保卫部门提供现场实时图像，对历史图像进行完整的保存与再现，与火灾自动报警及联动控制系统配合等功能。
三峡升船机的图像监控系统采用先进的数字技术，对三峡升船机系统的运行过程进行实时监控，全面获取整个升船机运行情况的实时图像，从而保障三峡升船机的安全运行。三峡升船机图像监控系统视频图像信号采用模拟制式，远程图像传输采用数字通信方式，并以通航调度和现场运行监视为主、安全防范监视为辅。三峡升船机的图像监控系统结构图如图8。
通航信号及广播系统
升船机通航信号系统由通航指挥信号灯、远程信号灯、航道标志灯组成。通航信号装置根据升船机的运行流程进行自动切换控制。
广播系统设备由有线/无线话筒、录音机、激光唱机、前置放大器、均衡器、分区控制器、功率放大器、扬声器、广播多媒体站等设备组成。分别布置于196电气室广播控制柜、上闸首、承船厢、下闸首机房及走道。用于指挥船舶进出升船机和宣讲通航知识、安全注意事项等功能。广播系统具有自动语音播放功能，升船机计算机监控系统根据过坝工艺流程发出的控制指令，对各个区域（船厢室或上、下游航道）播放预先存储在广播多媒体站硬盘中的声音文件，实现升船机自动播音的通航广播指挥。手动控制播音功能采用无线话筒和有线话筒直接播音或播放录制好的通航指挥录音，实现船舶过坝的临场广播指挥，能手动控制录音机、激光唱机实现背景音乐的广播。紧急广播功能紧急广播功能包括消防紧急广播和通航事故紧急广播。
结语
升船机已于2012年5月完成土建工程施工，2014年5月完成船厢金属结构与机械、电气设备的安装，2015年12月进行试运行。届时，船舶通过三峡升船机的时间大约26分钟，而船舶通过三峡船闸的时间大约150分钟，三峡升船机通航将极大缩短船舶通过三峡枢纽的时间。
参考文献：
【1】邓李，《ControlLogix系统实用手册》，北京：机械工业出版社，2008
【2】张白帆，《低压成套开关设备的原理及其控制技术》，北京：机械工业出版社，2014
【3】《长江三峡水利枢纽升船机主体设备制造、安装、调试工程招标文件》，湖北·宜昌：中国长江三峡集团公司、长江勘测规划设计研究有限责任公司，2010
【4】屈斌，《船闸升船机计算机监控系统简介》，《自动化博览》，2013
（作者单位：长江三峡通航管理局）
