安全系統在三峽工程升船機中的設計應用

劉炳鋒，秦聞宇

（1.華電鄭州機械設計研究院有限公司，鄭州 450015；2.鄭州鐵路局電務處，鄭州 450009）

安全系統在三峽工程升船機中的設計應用

劉炳鋒1，秦聞宇2

（1.華電鄭州機械設計研究院有限公司，鄭州 450015；2.鄭州鐵路局電務處，鄭州 450009）

三峽工程升船機具有噸位大、提升高度高及上、下游水位變幅快等特點，是目前世界上技術難度和規(guī)模最大的升船機。介紹了安全系統及其在三峽工程升船機中的應用情況，分析了系統設備選型、故障分類及控制流程，得出了應用該系統在保障三峽工程升船機穩(wěn)定運行的同時，可極大地提高整個系統可靠性的結論。

三峽工程升船機；安全系統；控制流程；故障類型；設備選型

1 三峽工程升船機概況

長江三峽水利樞紐工程（以下簡稱三峽工程）是治理和開發(fā)長江的關鍵性骨干工程，具有防洪、發(fā)電、航運、供水、養(yǎng)殖等巨大綜合效益。

升船機又稱“舉船機”，是利用機械裝置升降船舶以克服航道上集中水位落差的通航建筑物，是客輪的快速過壩通道。三峽工程采用齒輪齒條爬升平衡重式垂直升船機，其過船規(guī)模為3000t級，最大提升高度113m，由承船廂、支承導向結構、驅動裝置、事故裝置、電氣控制系統等組成，具有提升高度大、提升重量大、上游通航水位變幅大和下游水位變化速率快等特點，是目前世界上技術難度和規(guī)模最大的升船機。三峽工程升船機如圖1所示。

圖1 三峽升船機示意

2 安全系統［1］

系統安全工程是20世紀60年代迅速發(fā)展起來的一門新興工程學科，它是以系統工程的方法研究、解決生產過程中安全問題的工程技術。系統安全工程用來識別、分析和消除系統潛在的危險，使系統風險減少到可接受水平，它在保證工業(yè)生產和產品安全方面發(fā)揮了巨大作用。

在國外，系統安全工程得到了廣泛應用，成為工業(yè)生產中必須采用的安全技術。在國內，隨著我國加入WTO走向世界，系統安全工程受到高度重視，系統安全工程從教育、研究到工程實踐都得到了長足發(fā)展。

三峽升船機是一項極其龐大而復雜的工程，工程涵蓋機械、液壓、電氣等多個分系統，任何一項設備的故障都可能帶來災難性后果。為了更有效、更科學地預防和控制事故，在控制系統之外設計一套完全獨立的安全系統，將極大地提高整個系統的安全性和可靠性。

3 安全系統設計原則［2］

為了保證三峽升船機安全、可靠地運行，專門設立了1套獨立于運行控制系統之外的升船機安全系統——以1臺安全可編程邏輯控制器（PLC）為核心，以分布式I／O為分支，通過傳感器獨立采集信號來對升船機的運行狀況進行監(jiān)察和預警。安全網與控制網分離，將在三峽升船機控制與管理之間增加一重防護，可以提高系統性能、確保系統安全、提高管理效能；同時，通過計算機系統對控制網和管理網的跨越，實現了控制系統與管理系統的有機融合，實現了升船機系統的分散控制、集中管理。

3.1 設備選型

（1）選用AB公司的1756系列安全型處理器（該處理器有8MB內存），配合安全型協處理器1756-LSP冗余使用，可在主控制器故障時自動切換，該型處理器和協處理器均經過德國萊茵TUV認證，達到SIL3等級。

（2）選用AB公司的1734系列安全I／O模塊，該模塊經過TUV認證，達到SIL3等級，具有8路數字量輸入／輸出能力，帶有信號隔離和過壓保護能力，多個模塊組合并使用能夠滿足系統對多個傳感器信號的讀取和輸出。

（3）根據監(jiān)視位置、測量精度的不同，安全系統的傳感器主要分為以下幾類：水位計、水位儀、壓力式傳感器、紅外測距儀、紅外開關、絕對位置編碼器、格雷母線長行程測量裝置等。

3.2 配置原則

（1）PLC的本地機架和遠程I／O之間采用光纖環(huán)網絡連接。

（2）為保持其獨立性，“安全控制站”與其他各現地站不建立通信連接，只通過雙環(huán)光纖網與上位機建立通信連接。

（3）“安全控制站”的輸入信號直接由遠程I／O從現地設備讀取，安全信號應直接從監(jiān)控裝置（如限位開關）處獲得。

（4）“安全控制站”的輸出信號為本地機構動作允許信號與緊急停止信號（含驅動站驅動裝置停止信號）。安全信號接點閉合時，允許升船機機構動作運行；安全信號接點斷開時，應終止升船機機構動作運行。

（5）“安全控制站”發(fā)出的安全保護動作信號，直接切斷機構動作控制回路。

（6）“安全控制站”輸入／輸出信號應能包含站間硬閉鎖全部信號。

（7）PLC，I／O模塊及安全開關要采用經過認證的安全型產品，其功能安全性要達到SIL3，Cat4等級。

（8）關鍵部位的傳感器、安全開關采用雙冗余配置。

3.3 閉鎖條件

升船機運行流程是嚴格的順序控制，各部間應有嚴格和完善的邏輯閉鎖關系，各現地控制站的動作必須滿足相應的站間閉鎖關系后方能動作，安全軟件對輸入命令有確認和閉鎖功能，當條件不滿足時，操作人員的誤操作不起作用，并應報警。

4 故障分類及應對措施

在三峽工程升船機系統整體設計之初便將安全系統作為一項獨立系統加以考慮，對影響系統安全的個體及關聯體進行認真分析總結，制定詳細的故障分類及相應的應對措施，將極大地提高整個系統的安全性。本文依照潛在性故障對升船機運行影響的大小，將故障分為4個等級，其中一級最高，四級最低，并根據故障等級采取如下應對措施。

（1）一級故障：報警并參與控制，將使系統緊急停機，加入故障歷史記錄查詢。

（2）二級故障：報警并參與控制，將使系統快速停機，加入故障歷史記錄查詢。

（3）三級故障：只報警，不參與控制，加入故障歷史記錄查詢。

（4）四級故障，只報警，不參與控制，不加入故障歷史記錄查詢。

5 安全系統結構設計

三峽工程升船機安全系統結構如圖2所示，控制流程如圖3所示。

圖2 安全系統結構

安全控制系統由安全控制PLC、相應遠程I／O以及安全網絡組成，包括1個安全主站和9個安全I／O子站，其中安全主站和集控室故障安全PLC、遠程I／O站布置在集控室內，其余8個子站分別布置在上廂頭控制站、下廂頭控制站、上閘首控制站、下閘首控制站、＃1驅動裝置控制站、＃2驅動裝置控制站、＃3驅動裝置控制站、＃4驅動裝置控制站內，主站和各I／O之間采用光纖環(huán)網進行連接，通信速率滿足系統安全運行的實時性要求。各子站采集相應現地站設備狀態(tài)、故障報警、安全管理等信息并實時上報主站，主站根據升船機運行流程進行安全判斷，從而協調三峽升船機的上、下行及船舶的進閘、出閘。

圖3 安全系統控制流程

6 結束語

基于以上設計，安全系統從三峽工程升船機控制流程中完全獨立出來，在設計、選型時綜合考慮了設備與設備之間、流程與流程之間、流程與設備之間的相互關系，將系統風險消滅在萌芽之初，在保障三峽升船機穩(wěn)定運行的同時，極大地提高了整個系統的可靠性，是三峽升船機名副其實的“預警機”和“守護神”。

［1］郭彬，金海軍.三峽升船機關鍵技術問題［J］.水力發(fā)電，2009（12）：79-81.

［2］孫大林，蔣大明.信息融合技術在智能交通安全系統中的應用［J］.中國安全生產科學技術，2006，2（4）：61-64.

［3］趙亞男，達慶東，楊群.智能交通安全系統的研究北方交通大學ITS研究中心［J］.中國安全科學學報，2001（3）：27-33.

（本文責編：白銀雷）

TV74

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1674-1951（2015）09-0019-03

劉炳鋒（1982—），男，河南平頂山人，工程師，工學碩士，從事啟閉機設備研究應用方面的工作（E-mail：god1208＠126.com

2015-04-16；

2015-08-18

）。