宋繼超 王慶磊

(南水北調(diào)中線建管局河北分局，河北 石家莊 050000)

閘站監(jiān)控系統(tǒng)是南水北調(diào)中線干線工程生產(chǎn)調(diào)度關(guān)鍵系統(tǒng)，其建立在通信和計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用先進的計算機、自動控制和傳感器技術(shù)，通過遠程方式監(jiān)測、控制、預(yù)警等自動化設(shè)施建設(shè)，實現(xiàn)對干線參與調(diào)度的節(jié)制閘、分水口等建筑物信息和運行狀態(tài)的監(jiān)測和控制；實行全部閘站的高度自動化日常調(diào)度管理。通過調(diào)取閘站監(jiān)控系統(tǒng)中閘門遠程指令執(zhí)行中監(jiān)控數(shù)據(jù)，并結(jié)合液壓啟閉機系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題進行分析研判，同時針對沿線同類設(shè)備共性問題制定整改方案，影響閘門遠程指令執(zhí)行成功率的主要原因有液壓系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)三方面，在增強節(jié)制閘設(shè)備設(shè)施安全穩(wěn)定運行的同時又可提升閘門遠程指令執(zhí)行成功率，為總干渠通水安全運行提供可靠保障。

1 液壓系統(tǒng)方面

一個完整的液壓系統(tǒng)一般由五個部分組成，即動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和液壓油。液壓油是液壓系統(tǒng)中傳遞能量的工作介質(zhì)，如果把液壓系統(tǒng)比作人體軀干，那么液壓油就相當(dāng)于人體血液。油液清潔度、黏度是影響液壓啟閉機工作可靠性的關(guān)鍵因素，當(dāng)液壓油清潔度下降時油液內(nèi)雜質(zhì)易造成電磁換向閥、液控單向閥等液壓元件中的活動件卡死,還會加快元件的磨損,降低液壓元件的使用壽命，造成液壓設(shè)備不能正常工作,從而導(dǎo)致閘門無法正常啟閉或下滑。

冬季時，油液黏性隨著油溫降低而增加，黏性過高產(chǎn)生較大的內(nèi)摩擦力使油液流動時的阻力增大，導(dǎo)致通過油路閥件過流量減小，易造成閘門遠程操控不到位等情況的發(fā)生。

下面通過洺河節(jié)制閘在指令執(zhí)行過程中的幾個典型案例分析液壓油清潔度、黏度對設(shè)備的影響。

典型案例一：

2018年12月29日18時16分，洺河節(jié)制閘2號閘門執(zhí)行調(diào)度指令后，中控室值班人員發(fā)現(xiàn)閘門右開度數(shù)據(jù)由820mm至次日8時5分下滑至799mm，14h下滑21mm(見圖1)。

運維人員對油缸、油路及閥件進行檢查后未見滲油，初步研判閘門下滑原因為閘門操作完成后，液壓油內(nèi)雜質(zhì)卡阻液控單向閥閥芯，導(dǎo)致液控單向閥內(nèi)泄，造成閘門下滑。更換液控單向閥，對閘門進行復(fù)位操作后，閘門恢復(fù)正常。

圖1 洺河節(jié)制閘2號閘門靜止?fàn)顟B(tài)下開度變化趨勢

典型案例二：

2018年9月20日20時46分，洺河節(jié)制閘3號閘門執(zhí)行遠程上升指令時閘門未動作(閘控系統(tǒng)顯示閘門超時未動作，閘門停止)，遠程操作失敗。調(diào)取歷史曲線圖可見油泵已啟動，系統(tǒng)壓力最高達17MPa，左、右有桿腔壓力為0MPa，由此基本判定為電磁換向閥閥芯未動作導(dǎo)致閘門遠程操作失敗(見圖2)。

閘站值守人員對閘門進行現(xiàn)地操作時閘門仍未動作，經(jīng)觀察，電磁換向閥閥芯位置指示燈并未亮起，手動對應(yīng)急按鈕進行按壓后再次操作閘門，閘門恢復(fù)正常。

圖2 洺河節(jié)制閘3號閘門遠程操作失敗閘控相關(guān)數(shù)據(jù)歷史曲線

典型案例三：

2018年1月，1號閘門在13日、19日兩次執(zhí)行遠程上升指令時，均操作失敗(油溫為0～2℃)，閘門較執(zhí)行前運行9mm后停止，現(xiàn)場對閘門采用現(xiàn)地自動模式進行小開度(30mm)上調(diào)時，閘門開度不到位頻次較高(見圖3)。

圖3 2018年1月1號閘門遠程操作失敗閘門開度數(shù)據(jù)變化

發(fā)生此類情況后，通過對比例放大板后臺數(shù)據(jù)進行修正，增加電動比例閥過流量，現(xiàn)場小開度調(diào)試閘門均可執(zhí)行到位(需注意待天氣轉(zhuǎn)暖后應(yīng)及時對比例放大板后臺數(shù)據(jù)進行重新修正，以免造成閘門運行速度過快而超出目標(biāo)開度)。

典型案例四：

2018年5月10日10時24分、11時10分，洺河節(jié)制閘3號閘門執(zhí)行遠程指令時閘門開度差分別為27mm、31mm(見圖4、圖5)，超差后由閘站值守人員手動調(diào)整單側(cè)油路對閘門進行糾正。通過閘控系統(tǒng)開度變化歷史趨勢圖，可明顯看出閘門左側(cè)運行速度較快，造成左、右缸不同步，閘門超差。

經(jīng)運維人員現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)左側(cè)比例調(diào)速閥失效，造成閘門運行過程中左右油缸不同步致使閘門超差嚴(yán)重，待配件到位更換后，閘門運行恢復(fù)正常。

圖4 洺河節(jié)制閘3號閘門左、右開度變化趨勢(一)

圖5 洺河節(jié)制閘3號閘門左、右開度變化趨勢(二)

2 自動化控制系統(tǒng)方面

a.閘門開度數(shù)據(jù)跳變。洺河節(jié)制閘閘門開度編碼器為增量式編碼器(相對型)，開度信號為高速脈沖信號，脈沖信號是按一定電壓幅度，一定時間間隔連續(xù)發(fā)出，抗干擾弱，在傳輸過程中因其他電場的干擾，導(dǎo)致閘門自運行之初就存在靜止?fàn)顟B(tài)下開度數(shù)據(jù)跳變現(xiàn)象，且跳變頻次、跳變幅度基本無規(guī)律可循，當(dāng)設(shè)備停、送電時開度數(shù)據(jù)跳變發(fā)生率為100%(見圖6、圖7)。由此帶來的危害主要為以下幾點：?觸摸屏顯示閘門左右開度數(shù)據(jù)與閘門實際工況不符，在遠程指令執(zhí)行過程中閘門糾偏功能與實際方向相反，易造成閘門卡死漏水；?數(shù)據(jù)跳變后閘門左右開度差超差，造成閘控系統(tǒng)無法執(zhí)行遠程調(diào)度指令；?數(shù)據(jù)跳變使閘門顯示開度低于目標(biāo)開度20mm，閘控系統(tǒng)啟動閘門下滑復(fù)位功能，閘門異常動作；?現(xiàn)場需將閘門全關(guān)、開度數(shù)據(jù)清零后再恢復(fù)參與調(diào)度以解決開度數(shù)據(jù)跳變造成的閘門卡死、數(shù)據(jù)與閘門實際工況不符等問題，嚴(yán)重影響通水運行安全。

圖6 洺河節(jié)制閘2016年1—6月開度數(shù)據(jù)跳變統(tǒng)計

圖7 停、送電期間閘門開度數(shù)據(jù)跳變趨勢

b.開度數(shù)據(jù)在讀取、轉(zhuǎn)換、傳輸過程中中間環(huán)節(jié)較多，由此帶來的風(fēng)險主要為以下兩點：?在閘門動作時，觸摸屏開度數(shù)據(jù)顯示滯后，且PLC不能及時收到閘門開度信號，無法與目標(biāo)開度做出實時校驗，易造成閘門遠程操作失??；?手動操作閘門時，觸摸屏通過網(wǎng)關(guān)從PLC提取數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)顯示滯后，操作人員不能及時判斷閘門當(dāng)前開度。

2018年4月，洺河節(jié)制閘共執(zhí)行遠程指令88門次，失敗6次，失敗6次均為閘門執(zhí)行完開度超出目標(biāo)開度20mm，見圖8。

c.遠程指令未下達至目標(biāo)PLC。一方面隨著閘站監(jiān)控系統(tǒng)需要采集數(shù)據(jù)的增加，導(dǎo)致原來分配的帶寬不能滿足現(xiàn)有需求，導(dǎo)致通信鏈路的誤碼率增加。另一方面由于主PLC與遠程I/O采用RI/O方式連接，通信鏈路延時較大，使得一部分遠程指令未下達至現(xiàn)地站的目標(biāo)PLC，從而導(dǎo)致閘門遠程指令執(zhí)行出現(xiàn)失敗的情況。

圖8 2018年4月洺河節(jié)制閘閘門超目標(biāo)開度值統(tǒng)計

3 電氣控制系統(tǒng)方面

控制柜內(nèi)供配電線路松動、控制回路元器件故障等異常情況，均會造成閘門無法正常動作。主要有以下幾方面原因：

a.春季供配電線路檢修或閘室內(nèi)配電柜檢修維護時，易造成供電線路相序發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電機反轉(zhuǎn)等情況的發(fā)生，造成閘門無法動作。

b.柜內(nèi)中間繼電器等元器件均有動作壽命，尤其頻繁動作的元器件應(yīng)適時進行更換，元器件不動作或損壞易造成液壓系統(tǒng)無法正常建壓、閘門異動等情況的發(fā)生。

c.控制柜維護時人員誤碰“緊急停機”按鈕造成柜內(nèi)控制回路斷電，影響閘門操作。

典型案例：

2020年7月27日9時，洺河節(jié)制閘3號閘門執(zhí)行遠程上升指令時閘門未動作(閘控系統(tǒng)顯示閘門超時未動作，閘門停止)，遠程操作失敗。調(diào)取歷史曲線圖可見油泵已啟動，系統(tǒng)未正常建壓(油泵啟動后系統(tǒng)壓力為0.4MPa)，左、右有桿腔壓力為0MPa，經(jīng)查為柜內(nèi)中間繼電器未動作造成閘門液壓系統(tǒng)未能正常建壓(見圖9)。

圖9 2020年7月27日洺河節(jié)制閘3號閘門液壓系統(tǒng)工作情況

4 液壓系統(tǒng)現(xiàn)存問題解決對策

液壓油液清潔度和黏度是影響液壓啟閉機工作可靠性的關(guān)鍵因素，在日常維修養(yǎng)護中要定期做好油液清潔度檢測，油液清潔度不滿足要求時，要及時對液壓油進行過濾。同時為有效解決因液壓油清潔度下降油液內(nèi)雜質(zhì)造成液壓設(shè)備不能正常工作問題，中線局制定規(guī)程要求每年對節(jié)制閘液壓油進行檢測，并更換變質(zhì)液壓油。

洺河節(jié)制閘于2019年3月完成液壓油更換，此后再未發(fā)生因閥芯卡阻而造成的遠程指令失敗。同時針對冬季油溫較低、油液黏度增加問題，提前安排相關(guān)運維單位對閘門進行小開度調(diào)試，及時避免因油液黏度增加而導(dǎo)致的閘門指令執(zhí)行不到位等情況的發(fā)生。

中線局根據(jù)沿線各閘站共性問題，2018—2019年統(tǒng)一組織實施了液壓啟閉機及閘控系統(tǒng)功能完善改造項目。通過此次改造將現(xiàn)有的相對型行程檢測裝置改為安全可靠、測量精度高的絕對型行程檢測裝置(靜磁柵式位移傳感器)，開度傳感器輸出信號為SSI信號。采用屏蔽電纜重新敷設(shè)油缸至電控柜電纜，并重新整理柜內(nèi)電纜，絕對型行程檢測裝置自配屏蔽電纜接至電控柜內(nèi)三通轉(zhuǎn)換連接器上，保證正常工作時行程檢測裝置輸出信號接入PLC，當(dāng)PLC故障時可通過轉(zhuǎn)換接頭迅速將行程檢測裝置輸出信號接至現(xiàn)場的開度儀表進行顯示，PLC和顯示儀表不可以同時采集信號。

增加一面網(wǎng)絡(luò)柜用于安裝SSI采集設(shè)備，同時進行電源的重新分配，雙功能合二為一。將觸摸屏更換為具備modbus tcp通信協(xié)議的10英寸觸摸屏，通過調(diào)整PLC I/O模塊，增加光纖模塊、網(wǎng)卡、電源模塊、以太網(wǎng)IO站適配器、高功率電源、以太網(wǎng)IO適配器、IO光纖模塊、串口模塊、處理器模塊、SSI采集模塊、背板等，一方面，將開度信號直接接入自動化系統(tǒng)的PLC模塊，不再經(jīng)由其他設(shè)備進行轉(zhuǎn)換，另一方面，使得PLC系統(tǒng)的現(xiàn)地網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠改造為工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。改造升級后的工業(yè)以太網(wǎng)通信速率不小于100Mb/s，無限制字節(jié)量，可EI/O擴展，具有擴展功能，雙向同時傳輸。

對PLC應(yīng)用軟件、觸摸屏應(yīng)用軟件、現(xiàn)地工控機閘站監(jiān)控軟件、遠程閘站監(jiān)控軟件等進行相應(yīng)的升級改造，以適應(yīng)升級改造后的液壓啟閉機系統(tǒng)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，使數(shù)據(jù)交換更加安全、可靠、穩(wěn)定、迅速。

洺河節(jié)制閘于2019年1月完成液壓啟閉機及閘控系統(tǒng)功能完善改造，改造完成后閘門開度數(shù)據(jù)跳變，開度數(shù)據(jù)在傳輸、轉(zhuǎn)換、讀取過程中中間環(huán)節(jié)較多所帶來的問題迎刃而解，液壓啟閉機運行維護更加安全便捷，閘站監(jiān)控系統(tǒng)運行高效可靠，閘門開度等各項數(shù)據(jù)采集高效穩(wěn)定，2019年閘門遠程執(zhí)行成功率達 99.9%，為南水北調(diào)中線總干渠通水安全運行提供了可靠保障。

5 結(jié)論和建議

冬季油溫加熱裝置投運后，高油溫易造成液壓油變質(zhì)，各類閥件、管道接口密封圈老化等危害，建議將油溫參數(shù)納入閘站監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)警管理中。

另外，從設(shè)備應(yīng)急操作方面考慮，建議加強液壓啟閉機應(yīng)急操作培訓(xùn)，例如自動化系統(tǒng)故障，各類控制回路故障，在僅有電機供電電源的情況下如何通過手動操作電磁溢流閥、電磁換向閥完成閘門的啟閉等情況，本文旨在對該中線工程閘站監(jiān)控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)配合后期運行維護過程中所要解決的關(guān)鍵技術(shù)進行分析與探討。同時本文的研究成果可以為我國后續(xù)長距離重大調(diào)水工程閘門控制系統(tǒng)的設(shè)計與建設(shè)提供有效借鑒。