數(shù)字化絞車在水文纜道中的應(yīng)用

陳勝軍

（陜西省水文水資源勘測(cè)局安康水文站，陜西 安康 725000）

1 安康水文站概況

設(shè)立于1934年。集水面積38625km2，距河口里程1018km，屬于漢江干流控制站，區(qū)域代表站，國(guó)家重要水文站，測(cè)驗(yàn)精度為Ⅰ類。

建站目的：收集漢江水文資料，掌握漢江洪水、洪量、沙量的變化過程及規(guī)律，為防汛抗旱、水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、水資源開發(fā)利用與管理、水環(huán)境綜合治理、防洪影響評(píng)價(jià)、以及漢江水庫(kù)群安全度汛提供基本水文數(shù)據(jù)。

由于受1983年特大洪水影響，1989年上遷1300 m至現(xiàn)斷面，流量、泥沙測(cè)驗(yàn)采用測(cè)船。2004年由陜西省水文水資源局開始建設(shè)，也是陜西省最大跨度的水文纜道。由于當(dāng)時(shí)受技術(shù)和設(shè)備條件限制，存在繞線多，滑輪和絞車磨損嚴(yán)重等不安全隱患。2010年進(jìn)行改造，更換了絞車、更改了游繩繞線方式，由于設(shè)計(jì)理念差異不能很好的兼容，信號(hào)、計(jì)數(shù)等系統(tǒng)時(shí)常出故障，不能保證大洪水正常測(cè)報(bào)工作。隨著陜西省水文工作的不斷發(fā)展變化，新儀器設(shè)備的增多，2014年安康水文站首先實(shí)驗(yàn)鉛魚加裝ADCP測(cè)流方法，經(jīng)過一年的實(shí)驗(yàn)研究。這種方法有較好的操作性，測(cè)驗(yàn)精度高、大洪水多普勒測(cè)流系統(tǒng)不會(huì)因漲落水風(fēng)波浪對(duì)探頭入水的影響。2015年開始了新纜道系統(tǒng)的研發(fā)，2018年竣工完成投入使用。

2 數(shù)字化絞車設(shè)計(jì)思路

水文纜道絞車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要分為電動(dòng)和人工兩種。對(duì)于安康水文站這種大跨度纜道（489 m）,鉛魚重530 kg，主索起伏變化大，對(duì)驅(qū)動(dòng)和承載系統(tǒng)要求高，且沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)成的設(shè)備可用。從2004年安康水文站新建纜道到2010年纜道改造，水文絞車一直是影響纜道正常運(yùn)轉(zhuǎn)的瓶頸。為解決這個(gè)技術(shù)難題，安康水文站與河北寶鼎大華公司在2015年共同研發(fā)了數(shù)字化智能絞車系統(tǒng)。通過三年的實(shí)驗(yàn)研究解決了諸多技術(shù)難題，經(jīng)過一年多的試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)具有：技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行可靠、操作簡(jiǎn)便、故障率低等特點(diǎn)(設(shè)計(jì)承載安全系數(shù)＞4倍)。

改造纜道驅(qū)動(dòng)設(shè)備自動(dòng)控制鉛魚入水深度，使鉛魚自動(dòng)水面運(yùn)行滿足ADCP走航式測(cè)流，使新儀器最大限度地提高利用率，具備可操作性，同時(shí)提升了測(cè)量精度和減輕工作效率。絞車設(shè)計(jì)圖與實(shí)物圖分別見圖1、圖2。絞車參數(shù)見表1。

圖1 絞車設(shè)計(jì)圖

圖2 絞車實(shí)物圖

表1 絞車參數(shù)

3 創(chuàng)新功能

1）首創(chuàng)了在水文絞車上使用伺服電機(jī)，通過pLC編程電腦和絞車有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制與人工控制，運(yùn)行狀態(tài)一目了然，極大的提高了運(yùn)行速度和安全操作，使鉛魚運(yùn)行更加平穩(wěn)。同時(shí)伺服電機(jī)還具備一下特點(diǎn)：對(duì)位置、速度控制精準(zhǔn)，能精確控制起點(diǎn)距及水深，啟動(dòng)扭矩大，調(diào)速范圍寬，瞬間功率大等優(yōu)點(diǎn)，是水文纜道最佳的動(dòng)力裝置。

2）絞車上加裝不銹鋼安全防塵罩，頂面為有機(jī)玻璃視頻監(jiān)控清晰可見，在操作臺(tái)上可以直接通過視頻查看絞車運(yùn)行狀態(tài)，側(cè)面安裝有觸摸顯示屏，操作人員在絞車房也可以查看當(dāng)前鉛魚所處位置、所測(cè)水深、流速、鉛魚運(yùn)行速度等測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可以在觸摸屏上進(jìn)行升降、前進(jìn)、后退等操作控制。為今后中小河流纜道建設(shè)減少成本提升實(shí)用性起到好的借鑒作用。

3）在卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)加裝自動(dòng)排線裝置，配合起重索升降自動(dòng)校正鋼絲繩的偏轉(zhuǎn)，避免因鋼絲繩打彎、纏繞、碾壓、脫槽等造成的安全隱患。實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩在卷筒內(nèi)每圈排繩整齊有序。

4）解決了一直以來困擾安康站測(cè)流難的問題，可以用ADCP走航測(cè)流，又可以利用纜道流速儀自動(dòng)測(cè)流。豐富了測(cè)驗(yàn)手段，特別是受上游安康電站開關(guān)閘水位漲落變化快，傳統(tǒng)測(cè)流形式不能滿足水位漲落變幅。加快了測(cè)流時(shí)間，為搶測(cè)洪峰過程提供了保證，同時(shí)也為安康水文站及其類似水文站提高水文測(cè)驗(yàn)質(zhì)量和精度提供技術(shù)支撐。提高工作效率，減輕運(yùn)行成本。

5）伺服電機(jī)與減速機(jī)直連，改變了原電機(jī)與減速機(jī)通過皮帶輪或轉(zhuǎn)軸連接方式帶來的機(jī)械損耗，絞車制動(dòng)采用電磁控制。使絞車加減速和正反轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)順滑。（原安康站纜道驅(qū)動(dòng)、卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)均使用10 kW電機(jī)加變頻器），改造后采用5.5 kW伺服電機(jī)，節(jié)約了日常測(cè)驗(yàn)成本。(因設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新和實(shí)用性，2018年2月獲國(guó)家專利局頒發(fā)的實(shí)用新型專利證書)。

4 運(yùn)行情況

安康水文站纜道于2018年1月改造完成并交付使用運(yùn)行，截止2019年4月共進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)69次，每次測(cè)流水平運(yùn)行距離360 m，升降高度32 m，其中流速儀測(cè)流44次，測(cè)流用時(shí)≤1 h。ADCP測(cè)流25次用時(shí)≤30 min，比原纜道運(yùn)行速度提升1倍，對(duì)搶測(cè)洪峰提供有力技術(shù)保證。

用編碼器設(shè)置參數(shù)調(diào)整脈沖當(dāng)量改變減速比，保證起點(diǎn)距位置和水深的準(zhǔn)確性，利用人機(jī)對(duì)話實(shí)現(xiàn)了流速儀自動(dòng)測(cè)流、ADCP自動(dòng)走航測(cè)流和ADCP定點(diǎn)測(cè)流功能。

在纜道操作過程中行車和鉛魚運(yùn)行平穩(wěn)，啟動(dòng)運(yùn)行加減速可以任意設(shè)置調(diào)節(jié)，本站采用雙電機(jī)配置，起重索升降，循環(huán)索進(jìn)退同時(shí)完成，縮短了運(yùn)行歷時(shí)，同時(shí)解決了一般纜道由于啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)齒輪或傳動(dòng)軸的沖擊摩擦導(dǎo)致測(cè)流纜道不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的難題。

5 測(cè)量成果分析

安康水文站于2018年1月對(duì)纜道進(jìn)行改造完成，2018年開始ADCP與流速儀的對(duì)比分析工作，共采用ADCP測(cè)流17次，同時(shí)有流速儀測(cè)流相對(duì)應(yīng)的資料，由于安康站上游17 km處有火石巖電站開關(guān)閘影響，兩種測(cè)驗(yàn)方式不能在同一級(jí)水位下進(jìn)行，分別用流速儀測(cè)流成果和ADCP測(cè)流成果制作水位/流量關(guān)系曲線見圖3。

圖3 安康水文站ADCP測(cè)流與流速儀測(cè)流比測(cè)成果統(tǒng)計(jì)分析圖

通過比測(cè)分析ADCP測(cè)流系統(tǒng)與流速儀測(cè)流，有很好的相關(guān)關(guān)系。采集樣本23次，見表2。

表2 ADCP測(cè)流與流速儀測(cè)流比測(cè)成果統(tǒng)計(jì)分析表

其中第2、9測(cè)次誤差＞10%，誤差原因：流量小水位漲落快。其他21次都在流量測(cè)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，流量、面積、平均流速均在測(cè)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)符合本站斷面水流特性。滿足流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求。

6 結(jié)語(yǔ)

1）伺服電機(jī)在水文纜道作為絞車的驅(qū)動(dòng)源，是一場(chǎng)新技術(shù)革命，改變了原電機(jī)加變頻器控制的諸多不足，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制纜道操作系統(tǒng)，也是智能化、現(xiàn)代化在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用。

2）水文測(cè)站原纜道絞車系統(tǒng)大多為20世紀(jì)七八十年代的產(chǎn)品，由于各省市水流特性不同，絞車形式也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，從安全的角度考慮大多制作的“傻、大、笨”，且輸出功率低下。伺服電機(jī)在機(jī)器人和自動(dòng)控制中的廣泛應(yīng)用，有效提升了工作效率、測(cè)驗(yàn)精度，保障安全生產(chǎn)。

3）該設(shè)備由微機(jī)系列、主控接口、計(jì)算機(jī)控制接口、調(diào)速系統(tǒng)和水下信號(hào)系統(tǒng)五部分與計(jì)算機(jī)連接在相應(yīng)的軟件支持下，通過指令控制各設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并自動(dòng)采集原始數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理。

4）安康水文站走航式ADCP測(cè)流系統(tǒng)鑲嵌在鉛魚內(nèi)，要求探頭入水深度一致，由于纜道跨度大主索垂度為（500 m×0.04=20 m），500 kg的鉛魚延行車前行形成集中荷載。鉛魚在行走的過程中隨著主索垂度的變化而變化，不能保持一致的入水深。在鉛魚上安裝一套水面識(shí)別裝置，鉛魚的行進(jìn)過程中通過指令發(fā)送給絞車進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整升降高度，以保持ADCP入水深度相同。鉛魚始終延水面自動(dòng)運(yùn)行，將復(fù)雜的人工操作，通過計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了水文纜道更新、更強(qiáng)，使測(cè)驗(yàn)手段更加豐富。

5）該絞車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、科技含量高，適應(yīng)各大、中、小河流纜道改造建設(shè)更新?lián)Q代，具有較好的推廣前景。