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(tǒng)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(shù)難度和規(guī)模最大的升船機。介紹了安全系統(tǒng)及其在三峽工程升船機中的應用情況，分析了系統(tǒng)設備選型、故障分類及控制流程，得出了應用該系統(tǒng)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(tǒng)可靠性的結(jié)論。

三峽工程升船機；安全系統(tǒng)；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(guān)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(jié)構(gòu)、驅(qū)動裝置、事故裝置、電氣控制系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)［1］

系統(tǒng)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(tǒng)工程的方法研究、解決生產(chǎn)過程中安全問題的工程技術(shù)。系統(tǒng)安全工程用來識別、分析和消除系統(tǒng)潛在的危險，使系統(tǒng)風險減少到可接受水平，它在保證工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品安全方面發(fā)揮了巨大作用。

在國外，系統(tǒng)安全工程得到了廣泛應用，成為工業(yè)生產(chǎn)中必須采用的安全技術(shù)。在國內(nèi)，隨著我國加入WTO走向世界，系統(tǒng)安全工程受到高度重視，系統(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)之外設計一套完全獨立的安全系統(tǒng)，將極大地提高整個系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3 安全系統(tǒng)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(tǒng)之外的升船機安全系統(tǒng)——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(wǎng)與控制網(wǎng)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(tǒng)性能、確保系統(tǒng)安全、提高管理效能；同時，通過計算機系統(tǒng)對控制網(wǎng)和管理網(wǎng)的跨越，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的有機融合，實現(xiàn)了升船機系統(tǒng)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(nèi)存），配合安全型協(xié)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(xié)處理器均經(jīng)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(jīng)過TUV認證，達到SIL3等級，具有8路數(shù)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(tǒng)對多個傳感器信號的讀取和輸出。

（3）根據(jù)監(jiān)視位置、測量精度的不同，安全系統(tǒng)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(guān)、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(wǎng)絡連接。

（2）為保持其獨立性，“安全控制站”與其他各現(xiàn)地站不建立通信連接，只通過雙環(huán)光纖網(wǎng)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(xiàn)地設備讀取，安全信號應直接從監(jiān)控裝置（如限位開關(guān)）處獲得。

（4）“安全控制站”的輸出信號為本地機構(gòu)動作允許信號與緊急停止信號（含驅(qū)動站驅(qū)動裝置停止信號）。安全信號接點閉合時，允許升船機機構(gòu)動作運行；安全信號接點斷開時，應終止升船機機構(gòu)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(gòu)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(guān)要采用經(jīng)過認證的安全型產(chǎn)品，其功能安全性要達到SIL3，Cat4等級。

（8）關(guān)鍵部位的傳感器、安全開關(guān)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(guān)系，各現(xiàn)地控制站的動作必須滿足相應的站間閉鎖關(guān)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(tǒng)整體設計之初便將安全系統(tǒng)作為一項獨立系統(tǒng)加以考慮，對影響系統(tǒng)安全的個體及關(guān)聯(lián)體進行認真分析總結(jié)，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(tǒng)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(jù)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

三峽工程升船機安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，控制流程如圖3所示。

圖2 安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

安全控制系統(tǒng)由安全控制PLC、相應遠程I／O以及安全網(wǎng)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(nèi)，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(qū)動裝置控制站、＃2驅(qū)動裝置控制站、＃3驅(qū)動裝置控制站、＃4驅(qū)動裝置控制站內(nèi)，主站和各I／O之間采用光纖環(huán)網(wǎng)進行連接，通信速率滿足系統(tǒng)安全運行的實時性要求。各子站采集相應現(xiàn)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(jù)升船機運行流程進行安全判斷，從而協(xié)調(diào)三峽升船機的上、下行及船舶的進閘、出閘。

圖3 安全系統(tǒng)控制流程

6 結(jié)束語

基于以上設計，安全系統(tǒng)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(guān)系，將系統(tǒng)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(tǒng)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(guān)鍵技術(shù)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(shù)在智能交通安全系統(tǒng)中的應用［J］.中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2006，2（4）：61-64.

［3］趙亞男，達慶東，楊群.智能交通安全系統(tǒng)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

）。