李國(guó)俊+許盛+奚培榮

摘 要：近年來(lái)隨著科技水平的不斷提高，水務(wù)行業(yè)中越來(lái)越多的生產(chǎn)設(shè)備具備了自動(dòng)化控制以及遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，這不僅大大提高了設(shè)備運(yùn)行效率，同時(shí)也達(dá)到節(jié)能減排、減少人力成本、降低發(fā)生人身安全事故的概率。該文主要闡述將檢修閘門啟閉方式改造為暗桿螺桿機(jī)以及PLC遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，從而設(shè)計(jì)出一套既能就地進(jìn)行控制閘門啟閉、開(kāi)度、報(bào)警檢測(cè)，同時(shí)在上位機(jī)亦具備遠(yuǎn)程檢測(cè)、控制、急停的方案，從而確保即使在惡劣天氣、少人值守的情況下，仍然能保持較高的設(shè)備運(yùn)行效率、保證供水安全。

關(guān)鍵詞：檢修閘門 螺桿機(jī) 自動(dòng)化

1 檢修閘門概況

青草沙水庫(kù)作為我國(guó)最大的河口江心型水庫(kù)，是上海重要的水源地之一，有效庫(kù)容達(dá)4.35億m3，設(shè)計(jì)最大日供水能力為719萬(wàn)t/d。取水泵閘泵段共有12扇檢修閘門，每?jī)缮乳l門對(duì)應(yīng)一臺(tái)取水泵，分別處于各自機(jī)泵進(jìn)水流道處（表1）。

2 問(wèn)題的提出

目前，在咸潮期間采用雙吊點(diǎn)葫蘆對(duì)檢修閘門進(jìn)行啟閉。但在運(yùn)行實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：（1）起吊難度大：目前采用兩臺(tái)雙吊點(diǎn)電動(dòng)葫蘆對(duì)12扇檢修閘門進(jìn)行起吊，由于雙吊點(diǎn)與閘門采用卡扣連接，在對(duì)接過(guò)程中難度較高，時(shí)常出現(xiàn)由于葫蘆卡扣的晃動(dòng)導(dǎo)致連接失敗，從而大大影響工作效率。（2）時(shí)間長(zhǎng)度大：在起吊檢修閘門前，需雙吊點(diǎn)葫蘆先對(duì)24塊蓋板進(jìn)行起吊，由于蓋板重量大且數(shù)量較多，因此平均起吊一扇檢修閘門所需時(shí)間一般就長(zhǎng)達(dá)35 min，若遇到應(yīng)急搶修等突發(fā)情況，不利于快速處置。（3）作業(yè)環(huán)境要求高：雙吊點(diǎn)葫蘆鋼絲繩高度達(dá)10 m，在啟閉過(guò)程中遇降雨或風(fēng)力氣候環(huán)境時(shí)，將增加操作風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)由于中控室沒(méi)有檢修閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，在惡劣氣候時(shí)，值班人員無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，值班人員在上位機(jī)中無(wú)法實(shí)時(shí)掌握檢修閘門信息并進(jìn)行緊急操作。（4）檢修難度大且不利于應(yīng)急響應(yīng)：兩臺(tái)雙吊點(diǎn)葫蘆使用時(shí)共用一根行程軌道，分別對(duì)應(yīng)兩段各12臺(tái)檢修閘門，一旦其中1臺(tái)雙吊點(diǎn)設(shè)備損壞（雙吊點(diǎn)葫蘆設(shè)備安裝位置在長(zhǎng)江口，咸度極高易腐蝕設(shè)備），將導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的檢修閘門全部無(wú)法啟閉，可能存在較大的供水隱患。

因此，基于以上4點(diǎn)，需要為取水泵閘檢修閘門設(shè)計(jì)出一種既能夠高效率、安全的啟閉方式，又能夠使數(shù)扇檢修閘門同時(shí)進(jìn)行啟閉、在現(xiàn)場(chǎng)和上位機(jī)都能夠遠(yuǎn)程對(duì)閘門開(kāi)關(guān)狀態(tài)、啟閉開(kāi)度、報(bào)警警示等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，從而確保水庫(kù)的供水安全。

3 改造設(shè)備方案分析

目前主流閘門啟閉的方式主要包括：固定卷?yè)P(yáng)機(jī)啟閉、螺桿機(jī)啟閉、液壓?jiǎn)㈤]3種方式，其擁有各自的優(yōu)缺點(diǎn)（表2）。

對(duì)比以上3種改造方案，根據(jù)使用習(xí)慣與設(shè)備可靠性，決定采用暗桿螺桿機(jī)的改造方案。雖然螺桿機(jī)啟閉機(jī)技術(shù)較早，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、對(duì)加工精度要求相對(duì)較低、維護(hù)容易、工作穩(wěn)定等重要特點(diǎn)，較為適合檢修閘門的工況。另外，螺桿機(jī)也能兼顧遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的同時(shí)也能現(xiàn)地手動(dòng)操作，從而實(shí)現(xiàn)雙保險(xiǎn)。由于啟閉機(jī)使用頻率并不高，對(duì)倡導(dǎo)的節(jié)能減排來(lái)說(shuō)，影響甚微。

4 工藝設(shè)計(jì)

由于檢修閘門安裝于上游取水主泵前，亦屬于重要生產(chǎn)設(shè)備，需確保其正常、高效啟閉。在改造設(shè)計(jì)中，尤其需注意由于檢修閘門流道內(nèi)一般處于無(wú)水狀態(tài)，而檢修閘門外部的水位隨潮位持續(xù)變化，此時(shí)檢修閘門所需啟閉力與其閘門內(nèi)外水位差成正比，因此需對(duì)具體啟閉機(jī)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行核算。

4.1 啟閉力計(jì)算

閘門重量為G=9 t，閘門寬度b=4 m、閘門高度h1=6.35 m，最大潮位h2=8.5 m，為考慮啟閉力及電機(jī)功率在啟閉閘門計(jì)算上的誤差，故選取超重系數(shù)為β=1.1?？傡o水壓強(qiáng)點(diǎn)取閘門的幾何中心。

檢修閘門重量：

W=β×G=1.1×9T=9.9T=99000N

閘門上端壓強(qiáng)：

P1=ρg（h2-h1）=1000×10×（8.5-6.35）=21500pa

閘門下端壓強(qiáng)：

P2=ρgh2=1000×10×8.5=85000pa

作用于閘門的總靜水壓強(qiáng)：

P總=（P1+P2）=（21500+85000）=53250pa

作用于閘門的總靜水壓力：

F=P總×S=P總×b×h1=53250×4×6.35=1352550N

啟門時(shí)克服水壓的摩擦阻力：

T=fx×P總=0.14×1352550=189357N

啟閉力：

FQ=G+T=99000+189357=288357N，即：?jiǎn)胃輻U受力FQ′=144178.5N。

采用Tr60×12梯形螺紋；中徑d2=54 mm，內(nèi)徑d1=47 mm，導(dǎo)程S=12 mm，螺旋傳動(dòng)的摩擦系數(shù)f=0.2，得：j=11°19。

螺旋升角：

α=tan-1S/（π×d2）=4°03 tan（j+α）=tan15°22

啟閉閘門時(shí)的扭矩：

M2=FQ′=1069776N·mm，即1.07×103 N·m。

取總傳動(dòng)效率η=0.66，轉(zhuǎn)速n=12 r/min。

電動(dòng)機(jī)功率：

N===2.03kW，故選用4 kW電機(jī)。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)流道口底部至地面平臺(tái)地面距離為17 m，考慮到運(yùn)行時(shí)間及效率，閘門無(wú)需完全提升至滿量程，根據(jù)運(yùn)行工況只需將閘門提升出流道口即滿足工況。這樣也極大節(jié)省了時(shí)間成本。同時(shí)為確保螺桿機(jī)在惡劣天氣下的設(shè)備狀態(tài)，選用不銹鋼罩進(jìn)行保護(hù)并在鋼制平臺(tái)下加開(kāi)觀察孔（螺桿機(jī)與鋼制平臺(tái)一體化），從而能對(duì)封閉在鋼制平臺(tái)下的檢修閘門進(jìn)行觀察。另外，為避免絲桿在檢修閘門開(kāi)啟過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間受力造成損傷，計(jì)劃在鋼制平臺(tái)處加設(shè)一插銷，緩解絲桿所受拉力（圖1）。

4.3 控制設(shè)計(jì)

為確保檢修閘門啟閉正常，運(yùn)行控制方式采用手動(dòng)本地、上位機(jī)遠(yuǎn)程控制相結(jié)合的模式。由于在一般情況下，起吊檢修閘門均要求兩名值班人員在場(chǎng)進(jìn)行操作及監(jiān)護(hù)。因此，在本地模式中就地設(shè)立一個(gè)手動(dòng)操作控制柜，對(duì)檢修閘門進(jìn)行控制。在閘門機(jī)械連鎖啟動(dòng)時(shí)，控制柜中的報(bào)警燈亮起并緊急停止閘門運(yùn)作（表3）。

由于檢修閘門地處長(zhǎng)江邊，考慮到時(shí)常有惡劣天氣出現(xiàn)，因此為螺桿機(jī)配備相關(guān)自控設(shè)備，為緊急情況下的應(yīng)急處理做好保障。為確保檢修閘門自控系統(tǒng)能夠順利與水庫(kù)其他設(shè)備相連接、互相兼容，同時(shí)考慮此次檢修閘門的控制信號(hào)以及相關(guān)數(shù)字量、模擬量信號(hào)數(shù)量、使用環(huán)境等情況?？刹捎肁B系列小型PLC，通過(guò)羅克韋爾三層網(wǎng)絡(luò)（信息層、控制層、設(shè)備層）高效、安全、穩(wěn)定地對(duì)各類信號(hào)、設(shè)備進(jìn)行傳輸、控制（表4）。

遠(yuǎn)程控制除了體現(xiàn)全部就地控制的信號(hào)外，還接入開(kāi)度超差監(jiān)控、軟件報(bào)警等功能，最大程度預(yù)防惡劣天氣下，螺桿啟閉機(jī)檢修閘門運(yùn)行不平衡從而造成絲桿斷裂等重大安全隱患。另外，設(shè)備相關(guān)信號(hào)均通過(guò)設(shè)備層分別接入至PLC模擬量、離散量模塊，然后通過(guò)工業(yè)交換機(jī)傳至上位機(jī)，從而達(dá)到能夠在上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

5 改造后效果

檢修閘門通過(guò)此次改造，將原有雙吊點(diǎn)葫蘆啟閉改成暗桿螺桿機(jī)啟閉之后，預(yù)計(jì)將會(huì)得到如下改進(jìn)：（1）開(kāi)啟時(shí)間由改造前的6 h（包含12臺(tái)閘門以及其蓋板的啟閉）縮減至30 min（改造后可以多扇閘門同時(shí)啟閉且免去了蓋板起吊的過(guò)程），從而使運(yùn)行效率大大增加。（2）增加遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，使得值班人員在中控室能夠?qū)z修閘門運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)及控制，不僅減少了人力成本，同時(shí)增加了應(yīng)急情況下的處置反應(yīng)速度與能力。（3）保證了全天候的閘門運(yùn)行工況，改造后加裝不銹鋼外罩及鋼制平臺(tái)后，大大提升了檢修閘門運(yùn)行的穩(wěn)定性，能夠應(yīng)對(duì)惡劣天氣下的運(yùn)行，確保供水正常運(yùn)行（圖2）。

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