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        大型垂直升船機(jī)智能傳動(dòng)控制體系關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

        2022-04-02 01:37:57桂遠(yuǎn)乾曹陽唐勇
        人民長江 2022年2期
        關(guān)鍵詞:自適應(yīng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能化

        桂遠(yuǎn)乾 曹陽 唐勇

        摘要:大型垂直升船機(jī)是大江大河上水利水電樞紐的關(guān)鍵通航設(shè)施。

        隨著三峽、亭子口、構(gòu)皮灘等水利樞紐升船機(jī)的投入運(yùn)行,新一代升船機(jī)傳動(dòng)技術(shù)已發(fā)展到智能傳動(dòng)控制階段。綜述了大型垂直升船機(jī)中應(yīng)用的相關(guān)傳動(dòng)控制技術(shù):柔性制動(dòng)的機(jī)電液一體化自感應(yīng)控制技術(shù)、機(jī)械軸同步電機(jī)出力均衡和自動(dòng)找點(diǎn)停車的多機(jī)構(gòu)協(xié)同交互自適應(yīng)控制系統(tǒng)、保持機(jī)構(gòu)最佳運(yùn)行狀態(tài)的基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)技術(shù)、基于復(fù)雜系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行流程規(guī)則的控制流程監(jiān)控和系統(tǒng)安全自決策技術(shù)。實(shí)踐表明:采用該智能傳動(dòng)控制體系,升船機(jī)成套設(shè)備運(yùn)行可靠率超過了99.5%。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供類似工程升船機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)借鑒。

        關(guān)鍵詞:垂直升船機(jī); 傳動(dòng)控制; 智能化; 自適應(yīng); 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

        中圖法分類號(hào): TV736

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

        DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.018

        0引 言

        中國江河眾多,內(nèi)河航運(yùn)發(fā)達(dá),在升船機(jī)建設(shè)方面,無論是數(shù)量和規(guī)模都居世界前列。其中丹江口150 t級(jí)(大壩加高后改造為300 t級(jí))移動(dòng)式鋼絲繩卷揚(yáng)式垂直升船機(jī)和下水式鋼絲繩卷揚(yáng)斜面升船機(jī)是中國最早投運(yùn)的升船機(jī)[1],隔河巖第一、二級(jí)升船機(jī)是中國最早開始建設(shè)并首次招標(biāo)的大中型全平衡鋼絲繩卷揚(yáng)式垂直升船機(jī)[2-3],2016年建成投運(yùn)的長江三峽水利樞紐齒輪齒條爬升式升船機(jī)是中國最早開始研究、當(dāng)今世界上規(guī)模最大、技術(shù)最復(fù)雜的升船機(jī),其他諸如彭水、亭子口、向家壩、構(gòu)皮灘等升船機(jī),也于近些年投入運(yùn)行使用。

        升船機(jī)的運(yùn)行控制涉及機(jī)械、電氣、計(jì)算機(jī)、水利工程等多學(xué)科的融合,其控制工藝非常復(fù)雜。從最早的丹江口升船機(jī),到三峽升船機(jī),再到最近幾年投入運(yùn)行的構(gòu)皮灘升船機(jī)、亭子口升船機(jī),其傳動(dòng)控制水平也在不斷的提升[4]。新一代升船機(jī)傳動(dòng)技術(shù)已形成以知識(shí)工程為核心,以自感應(yīng)、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自決策為顯著特征的智能傳動(dòng)控制體系[5]。

        大型垂直升船機(jī)智能傳動(dòng)控制體系主要包括機(jī)電液一體化自感應(yīng)控制技術(shù)、機(jī)械軸同步電機(jī)出力均衡和自動(dòng)找點(diǎn)停車的多機(jī)構(gòu)協(xié)同交互自適應(yīng)控制系統(tǒng)、根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)行效果的評(píng)價(jià)自動(dòng)改進(jìn)控制算法的自學(xué)習(xí)技術(shù)、以多機(jī)構(gòu)協(xié)同運(yùn)行的流程規(guī)則實(shí)現(xiàn)控制流程監(jiān)控和判斷的自決策等關(guān)鍵技術(shù)。

        1機(jī)電液一體化自感應(yīng)控制技術(shù)

        升船機(jī)中許多機(jī)構(gòu)運(yùn)行采用液壓傳動(dòng)和控制,最重要的有主提升機(jī)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)。垂直升船機(jī)主提升機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安全制動(dòng)系統(tǒng)是升船機(jī)運(yùn)行控制與安全保證體系的重要環(huán)節(jié)。安全制動(dòng)系統(tǒng)一般由安全制動(dòng)器、工作制動(dòng)器、液壓泵站、現(xiàn)地電氣控制單元、主拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置、液壓泵站壓力檢測(cè)裝置以及連接升船機(jī)傳動(dòng)協(xié)調(diào)控制站的網(wǎng)絡(luò)通訊模塊等組成,其中工作制動(dòng)器和安全制動(dòng)器是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分。

        在正常工況下,安全制動(dòng)系統(tǒng)與電氣傳動(dòng)和控制系統(tǒng)配合,完成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的正常啟動(dòng)和制動(dòng)程序。當(dāng)升船機(jī)運(yùn)行過程中遇失電等事故工況時(shí),電力拖動(dòng)系統(tǒng)已不能進(jìn)行正常制動(dòng),此時(shí)主機(jī)需由安全制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施緊急停機(jī)制動(dòng)[6]。傳統(tǒng)控制采用工作制動(dòng)器或安全制動(dòng)器分級(jí)或全壓上閘,制動(dòng)力不可調(diào),存在載荷沖擊?!叭嵝灾苿?dòng)”技術(shù)采用速度閉環(huán)反饋控制[7],根據(jù)外載大小、方向無級(jí)調(diào)節(jié)制動(dòng)力,可將船廂減速度控制在設(shè)計(jì)允許范圍,避免了載荷沖擊。

        “柔性制動(dòng)”的核心技術(shù)是建立了主提升機(jī)構(gòu)的智能感應(yīng),對(duì)于傳感器檢測(cè)的信號(hào),通過柔性制動(dòng)的控制算法自動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別電機(jī)制動(dòng)處于發(fā)電還是輕載電動(dòng)工況,并根據(jù)不同的工況實(shí)施閉環(huán)控制。

        柔性制動(dòng)控制系統(tǒng)中,制動(dòng)運(yùn)算模型根據(jù)預(yù)先測(cè)得的電機(jī)負(fù)載力矩ML和減速器高速軸角加速度εg0,計(jì)算所需的發(fā)電工況或輕載電動(dòng)工況制動(dòng)力矩Mgb:

        Mgb=ML+Iεg0(1)

        式中:對(duì)于發(fā)電工況,ML為正值;對(duì)于輕載電動(dòng)工況,ML為負(fù)值;I為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)零部件相對(duì)于電機(jī)軸的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的1/4。

        電液比例閥輸出的液壓系統(tǒng)油壓計(jì)算公式為

        pg1=NηS-MgbnημRbS(2)

        式中:N為一套制動(dòng)單元對(duì)制動(dòng)盤施加的最大正壓力總和;η為考慮液壓管路沿程壓力損失的效率值;Rb為工作制動(dòng)器制動(dòng)圓半徑;S為制動(dòng)器油缸有桿腔面積;μ為制動(dòng)頭與制動(dòng)盤接觸的摩擦系數(shù);n為單臺(tái)工作制動(dòng)器的制動(dòng)單元數(shù)目。

        在所施加的制動(dòng)摩擦力矩作用下,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速降低為

        ωm1=ωm0-Δωm1(3)

        式中:ωm0為緊急制動(dòng)實(shí)施之前的電機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速,Δωm1為第一次采樣時(shí)間間隔內(nèi)電機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速減少量。電機(jī)通過速度編碼器測(cè)量轉(zhuǎn)速,并傳送至安全制動(dòng)器液壓控制泵站現(xiàn)地LCU的制動(dòng)模型運(yùn)算器,通過與給定理論轉(zhuǎn)速曲線的比較以及“閉環(huán)反饋PI調(diào)節(jié)控制律”,計(jì)算出電磁閥的輸出壓力和電壓的增量值,將該電壓增量值作為電液比例閥控制電壓的偏差給定輸入信號(hào),實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)器的速度偏差反饋控制。

        “柔性制動(dòng)”技術(shù)的特點(diǎn)是自動(dòng)感應(yīng)設(shè)備的狀態(tài),將檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過特殊算法處理后,作為控制系統(tǒng)的輸入條件。自感應(yīng)是自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自決策技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

        2多機(jī)構(gòu)協(xié)同交互自適應(yīng)控制系統(tǒng)

        垂直升船機(jī)船廂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般采用多單元多電動(dòng)機(jī)分散驅(qū)動(dòng)、機(jī)械軸剛性聯(lián)接的機(jī)械傳動(dòng)方案,是一個(gè)多軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括了龐大的機(jī)械軸系、各類齒輪傳動(dòng)設(shè)備,以及船廂內(nèi)所載的船舶與水體,因此被控對(duì)象是一個(gè)復(fù)雜的多變量、多子系統(tǒng)相互耦合的復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)。

        為保證垂直升船機(jī)安全運(yùn)行,電氣傳動(dòng)與控制主要技術(shù)難點(diǎn)有:

        (1) 流體負(fù)載下的船廂平衡。船廂內(nèi)的水體對(duì)運(yùn)行速度和行程變化比較敏感,速度和行程的突變會(huì)引起船廂水體波動(dòng)甚至船廂失穩(wěn),進(jìn)而使得每個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)上所受的力失衡,危及船廂內(nèi)船舶安全。為了避免流體負(fù)載下的船廂失衡,要求主拖動(dòng)系統(tǒng)的啟制動(dòng)過程平緩、運(yùn)行平穩(wěn)。

        (2) 多電機(jī)運(yùn)行同步。同步軸的扭轉(zhuǎn)變形和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)間隙對(duì)傳動(dòng)存在影響,在船廂升降運(yùn)行過程中會(huì)造成同步軸的扭振,破壞傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。受同步軸的剛性系數(shù)、慣量和長度等因素的影響,每個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的受力情況在動(dòng)態(tài)時(shí)是不完全一樣的,同步軸變形及機(jī)械振蕩都可能引起系統(tǒng)的位置偏差。因此,主拖動(dòng)系統(tǒng)需要進(jìn)行位置同步控制、均衡多單元傳動(dòng)裝置的出力(輸出轉(zhuǎn)矩、負(fù)荷)、抑制同步軸扭振,保持4個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的同步運(yùn)行。

        (3) 自動(dòng)找點(diǎn)動(dòng)態(tài)對(duì)接停車。為了實(shí)現(xiàn)承船廂平穩(wěn)運(yùn)行和準(zhǔn)確停位,要求提升機(jī)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)能平滑無級(jí)調(diào)速和按5或3階段速度圖運(yùn)行,并適應(yīng)運(yùn)行時(shí)上下游航道水位的快速變化,預(yù)測(cè)水位的變化率,尋找適當(dāng)?shù)臏p速點(diǎn)和準(zhǔn)確的停機(jī)點(diǎn),保證承船廂與航道對(duì)接時(shí)水位差在要求的范圍內(nèi)。

        垂直升船機(jī)主拖動(dòng)方案采用了虛擬主驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的多變量約束、多閉環(huán)耦合的自適應(yīng)控制方案。根據(jù)承船廂運(yùn)行行程、速度、加速度、上下游目標(biāo)位置、承船廂水深、當(dāng)前承船廂位置等多項(xiàng)關(guān)鍵輸入信號(hào),在冗余配置的傳動(dòng)控制站中創(chuàng)建“速度同步”“位置跟隨”“力矩均衡”等智能閉環(huán)控制模塊構(gòu)成的虛擬主驅(qū)動(dòng)點(diǎn)模型,獲得虛擬主驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的速度給定、加速度給定、位置給定曲線以及力矩給定等最優(yōu)控制目標(biāo),并能根據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性,調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù),構(gòu)建機(jī)械同步軸多電機(jī)自適應(yīng)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)[8]。原理框圖見圖1。

        “電氣行程同步”閉環(huán)控制策略的核心技術(shù)是獨(dú)立控制各驅(qū)動(dòng)單元電機(jī),在正常運(yùn)行時(shí)同步軸不傳遞扭矩。該技術(shù)適應(yīng)“工”形機(jī)械同軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)(見圖2)[9],為使機(jī)械同步軸在正常運(yùn)行工況中不承擔(dān)力矩負(fù)荷,需要控制多臺(tái)電動(dòng)機(jī)在“工”形同步軸聯(lián)軸器間隙的微小區(qū)間進(jìn)行“電氣行程同步”控制,使4個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)在任何時(shí)刻都處在同一個(gè)高程上(即在同一水平面上),實(shí)現(xiàn)承船廂平緩起制動(dòng)和恒定速度水平狀態(tài)垂直升降運(yùn)行。

        “電氣出力均衡”閉環(huán)控制策略的核心技術(shù)是控制所有電機(jī)的出力和速度一致。正常運(yùn)行時(shí)允許同步軸上存在一定扭矩,該技術(shù)適應(yīng)“矩”形機(jī)械同步軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)(見圖3),“矩”形同步軸不僅能強(qiáng)制4個(gè)驅(qū)動(dòng)小齒輪同步運(yùn)行,還能夠在任意一臺(tái)電動(dòng)機(jī)退出工作時(shí)保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行至閘首對(duì)接位置。

        升船機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)是一種采用多機(jī)協(xié)同交互控制技術(shù)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)升船機(jī)各機(jī)械設(shè)備布置的特點(diǎn)和運(yùn)行監(jiān)控功能的需求,設(shè)置現(xiàn)地控制站。船廂傳動(dòng)控制站完成對(duì)主提升系統(tǒng)的控制,閘首控制站和船廂控制站完成上下游水位檢測(cè)、船廂水深的檢測(cè)和調(diào)節(jié)、船廂門的安全操作、以及船舶安全進(jìn)出船廂的監(jiān)測(cè)。流程控制站協(xié)調(diào)各控制系統(tǒng)之間分工合作,分析各現(xiàn)地運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境數(shù)據(jù),進(jìn)行通航過壩運(yùn)行流程控制,運(yùn)行過程中尋找適當(dāng)?shù)臏p速點(diǎn)和準(zhǔn)確的停機(jī)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)停航流程控制、緊急保護(hù)流程控制、故障處理流程控制。

        為實(shí)現(xiàn)升船機(jī)主驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)多電機(jī)同軸的行程、速度、力矩等同步,電氣傳動(dòng)系統(tǒng)各驅(qū)動(dòng)單元的電氣傳動(dòng)裝置需進(jìn)行協(xié)同控制[10],并根據(jù)機(jī)械同步軸的特性調(diào)整控制策略和參數(shù),主動(dòng)適應(yīng)主驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)特性的變化,使主驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)始終運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)。

        3基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)技術(shù)

        承船廂是船舶過壩的載體,在船廂運(yùn)動(dòng)過程中,其電氣控制設(shè)備通過控制船廂門來保證船廂水深,實(shí)現(xiàn)船廂水域和上下游水域的連通,在升船機(jī)安全運(yùn)行中發(fā)揮重要作用[11]。

        承船廂與閘首密封對(duì)接的閘門采用雙缸液壓?jiǎn)㈤]機(jī)控制。基于電液比例技術(shù)的閘門油缸同步控制系統(tǒng)充分利用電液比例技術(shù)控制精度高、頻響快的優(yōu)點(diǎn),在升船機(jī)閘門油缸液壓系統(tǒng)中加入比例閥及相關(guān)控制閥件,對(duì)通過比例閥的流量進(jìn)行微調(diào),實(shí)現(xiàn)油缸行程動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)糾偏,滿足同步控制的要求[12]。

        為保證閘門全行程過程中左右油缸行程偏差要求,通過對(duì)雙缸行程偏差趨勢(shì)的分析,進(jìn)一步增加了閘門水封擠壓度、閘門運(yùn)行噪聲級(jí)別和閘門運(yùn)行振動(dòng)級(jí)別這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)的檢測(cè)和觀測(cè),構(gòu)建起全面和準(zhǔn)確的閘門狀態(tài)感知。

        通過引入雙缸偏差值變化趨勢(shì)的分析,對(duì)雙缸液壓?jiǎn)㈤]機(jī)比例調(diào)節(jié)閥電氣控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。具體方法是:實(shí)時(shí)跟蹤左右兩個(gè)油缸活塞桿的行程之差,根據(jù)糾偏條件多次調(diào)整糾偏電壓比例放大系數(shù),根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)油缸行程偏差差值變化的大小調(diào)整糾偏電壓值的大小,使得糾偏電壓與油缸行程偏差差值關(guān)聯(lián),并根據(jù)糾偏效果的程度分級(jí)控制糾偏電壓值。該方法糾偏效果明顯,糾偏函數(shù)關(guān)系式易于PLC編程實(shí)現(xiàn),使閘門運(yùn)行平緩穩(wěn)定,大幅減少停機(jī)頻率,從而保證了閘門可靠運(yùn)行[13]。

        將基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙缸液壓閘門啟閉機(jī)油缸行程誤差補(bǔ)償方法應(yīng)用于閘門調(diào)試運(yùn)行過程中。利用儀器檢測(cè)或人工觀測(cè)的方式判定閘門在啟閉運(yùn)行過程中的位置、振動(dòng)和噪聲等閘門運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵數(shù)據(jù),并輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差補(bǔ)償模型。該模型的輸出端為油缸行程補(bǔ)償值,將此誤差值疊加到實(shí)測(cè)油缸行程值中,生成新的油缸行程值。閘門電氣控制系統(tǒng)按照新生成的油缸行程值調(diào)節(jié)整定比例調(diào)節(jié)閥的電壓值,使左右油缸運(yùn)行速率發(fā)生變化,兩缸行程差隨之變化,進(jìn)而調(diào)整閘門在門槽中的狀態(tài),以最佳軌跡運(yùn)行[14]。

        神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與誤差補(bǔ)償流程見圖4。

        閘門運(yùn)行狀態(tài)關(guān)鍵數(shù)據(jù)與油缸行程值的映射關(guān)系通過閘門水封擠壓度補(bǔ)償系數(shù)k1、噪聲補(bǔ)償系數(shù)k2、閘門振動(dòng)補(bǔ)償系數(shù)k3體現(xiàn):

        h=k1k2k3ΔHC(4)

        式中:k1、k2、k3的取值分別與閘門水封擠壓度D、閘門噪聲級(jí)別DB、閘門振動(dòng)級(jí)別V的誤差分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)一一對(duì)應(yīng),如表1所列,ΔHC為左右油缸行程偏差值。

        建立初始BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,將采集的關(guān)鍵數(shù)據(jù)輸入BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,獲得油缸行程補(bǔ)償值h。將油缸行程補(bǔ)償值h輸出至閘門電氣同步糾偏控制系統(tǒng),采集閘門狀態(tài)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。重復(fù)上述步驟,進(jìn)行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練,獲得閘門運(yùn)行最佳軌跡。

        通過檢測(cè)和觀測(cè)單個(gè)閘門的運(yùn)行狀態(tài),評(píng)估控制策略和參數(shù)的正確性和優(yōu)良度。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí),形成單個(gè)閘門的控制參數(shù)和策略,并固定在程序中??刂葡到y(tǒng)自學(xué)習(xí)能力是在自適應(yīng)基礎(chǔ)向人工智能邁進(jìn)的關(guān)鍵一步。

        4復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)行安全自決策

        升船機(jī)運(yùn)行過程是嚴(yán)格的流程控制過程,各運(yùn)行機(jī)構(gòu)間有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬯P(guān)系。按照事先的設(shè)計(jì),升船機(jī)從某種初始狀態(tài)到結(jié)束狀態(tài)所實(shí)施的一系列動(dòng)作過程包括:初始化流程、上行過壩運(yùn)行流程、下行過壩運(yùn)行流程、停航流程、緊急保護(hù)流程和故障處理流程等六大流程。

        為確保船舶通過升船機(jī)時(shí)人、機(jī)、船的安全,在升船機(jī)的研究、設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、軟件編制等各個(gè)階段,對(duì)升船機(jī)的設(shè)備與系統(tǒng)、部位與整體、關(guān)聯(lián)裝置與機(jī)構(gòu)等之間的安全因數(shù)進(jìn)行了分析、歸納、數(shù)據(jù)融合[15-16]、總結(jié)和故障推演[17]。按照潛在性故障對(duì)升船機(jī)運(yùn)行影響的大小,

        建立了升船機(jī)運(yùn)行故障4級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn):

        其中一級(jí)最高,四級(jí)最低。一級(jí)故障是可能導(dǎo)致升船機(jī)出現(xiàn)重大安全事故,必須進(jìn)行承船廂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)緊急制動(dòng),或者上下閘首臥倒小門和承船廂門緊急關(guān)閉的故障。

        為杜絕一級(jí)故障的發(fā)生,除正常停機(jī)和快速停機(jī)的工況外,設(shè)計(jì)還采用了承船廂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)緊急制動(dòng)、其它機(jī)構(gòu)緊急停機(jī)操作的“緊急停機(jī)”、緊急關(guān)閉升船機(jī)上下閘首工作門、臥倒小門及承船廂門操作的“緊急關(guān)門”運(yùn)行工藝。

        通過對(duì)升船機(jī)運(yùn)行的速度、位置、機(jī)械受力、機(jī)構(gòu)間隙等運(yùn)行狀態(tài)的感知,系統(tǒng)提出并給定了運(yùn)行速度超限、受力超限、間隙超限等故障的操作判定條件。

        “緊急停機(jī)”命令發(fā)出后,要求系統(tǒng)的各控制站能同時(shí)執(zhí)行“緊急停機(jī)”命令,對(duì)于由多現(xiàn)地控制站組成的升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),“緊急停機(jī)”命令采用“連環(huán)群發(fā)”方式發(fā)出。即:首先接收到“緊急停機(jī)”命令的控制站,在執(zhí)行緊急停機(jī)的同時(shí),自動(dòng)生成一個(gè)緊急停機(jī)信號(hào)“E1”,并以廣播的方式發(fā)送到系統(tǒng)中的其他所有控制站,直至升船機(jī)完全停止。通過對(duì)操作運(yùn)行人員的行為分析,在升船機(jī)多個(gè)部位設(shè)立“緊急關(guān)門”和“緊急停機(jī)”硬按鈕,當(dāng)出現(xiàn)危及升船機(jī)運(yùn)行安全狀況時(shí),可立即停止升船機(jī)運(yùn)行和應(yīng)急關(guān)閉上下閘首臥倒小門及船廂門。

        將升船機(jī)的運(yùn)行流程、故障分析和故障判定條件編輯成專家知識(shí)庫。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)專門設(shè)立了1 套獨(dú)立于運(yùn)行控制系統(tǒng)之外的升船機(jī)安全系統(tǒng),即以1臺(tái)安全可編程邏輯控制器(PLC)為核心,以分布式I/O為分支,設(shè)置傳感器獨(dú)立采集關(guān)鍵信號(hào),感知升船機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),通過固化在安全PLC的專家知識(shí)庫,對(duì)升船機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)察、預(yù)警和故障判定。

        流程監(jiān)控安全網(wǎng)與運(yùn)行控制網(wǎng)是分離的,通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)跨越,實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)與安全管理系統(tǒng)的有機(jī)融合。

        升船機(jī)運(yùn)行安全自決策系統(tǒng)的核心技術(shù)是將傳動(dòng)控制設(shè)備的參數(shù)、機(jī)械機(jī)構(gòu)的狀態(tài)、運(yùn)行流程的邏輯和專家的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估有機(jī)結(jié)合,控制主機(jī)根據(jù)安全策略能自主決策,發(fā)出基于運(yùn)行安全的控制命令。在工程實(shí)踐中,升船機(jī)運(yùn)行安全決策系統(tǒng)將逐步實(shí)現(xiàn)人主機(jī)輔、人機(jī)協(xié)商、機(jī)主人輔等智能控制方式。

        5應(yīng)用效果

        智能柔性制動(dòng)技術(shù)不僅適用于全平衡齒輪齒條爬升式垂直升船機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),同時(shí)也適用于全平衡鋼絲繩卷揚(yáng)式垂直升船機(jī)。三峽升船機(jī)船廂最大偏載水深緊急制動(dòng)試驗(yàn)完成了船廂正常水深、船廂偏載水深+4 cm、+8 cm、+12 cm、-6 cm、-10 cm上行和下行過程中,不同速度下的緊急制動(dòng)試驗(yàn)。緊急制動(dòng)時(shí)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、液壓系統(tǒng)工作制動(dòng)器制動(dòng)油壓、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)速度曲線及同步軸扭矩最大值均在設(shè)計(jì)允許范圍以內(nèi),制動(dòng)一致性,制動(dòng)加速度和滑移距離均滿足設(shè)計(jì)要求。

        多機(jī)構(gòu)協(xié)同交互自適應(yīng)控制技術(shù)已在三峽升船機(jī)成功應(yīng)用。自投入運(yùn)行以來,8臺(tái)電動(dòng)機(jī)均正常運(yùn)行,4個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)間的最大行程偏差約為0.15 mm,任意2臺(tái)電動(dòng)機(jī)退出運(yùn)行時(shí)4個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)間的最大的行程偏差始終控制在規(guī)定的2 mm范圍內(nèi)。

        基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)的閘門控制技術(shù)已獲得兩項(xiàng)發(fā)明專利[13-14],并在水利工程大型閘門控制和調(diào)試中予以應(yīng)用。為升船機(jī)運(yùn)行安全提出的流程控制和杜絕一級(jí)故障采用的緊急停機(jī)措施已納入GB 51177-2016《升船機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》。

        采用上述技術(shù)的大型齒輪齒條爬升式升船機(jī),投運(yùn)3 a內(nèi)運(yùn)行廂次14 970次,共計(jì)發(fā)生75次設(shè)備停機(jī)故障,成套設(shè)備運(yùn)行可靠率為99.5%[18]。

        6結(jié) 語

        隨著智能傳動(dòng)控制體系的建立,在升船機(jī)實(shí)際運(yùn)行中將會(huì)產(chǎn)生海量的運(yùn)行數(shù)據(jù)和報(bào)表。為進(jìn)一步提高運(yùn)行效率和挖掘通航潛能,運(yùn)行管理單位可在原有控制平臺(tái)上進(jìn)一步優(yōu)化,從海量數(shù)據(jù)中清洗、篩選和挖掘出隱藏信息,保證升船機(jī)大型裝備的運(yùn)行和健康狀態(tài)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度,通過機(jī)器學(xué)習(xí)和大量實(shí)際運(yùn)行的訓(xùn)練數(shù)據(jù),進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)升船機(jī)狀態(tài)診斷和健康管理的智能運(yùn)維,確保升船機(jī)安全高效運(yùn)行。

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        (編輯:胡旭東)

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