闸站监控系统在液压设备维修养护中的应用

宋继超 王庆磊

(南水北调中线建管局河北分局，河北 石家庄 050000)

闸站监控系统是南水北调中线干线工程生产调度关键系统，其建立在通信和计算机网络系统的基础上，采用先进的计算机、自动控制和传感器技术，通过远程方式监测、控制、预警等自动化设施建设，实现对干线参与调度的节制闸、分水口等建筑物信息和运行状态的监测和控制；实行全部闸站的高度自动化日常调度管理。通过调取闸站监控系统中闸门远程指令执行中监控数据，并结合液压启闭机系统中出现的问题进行分析研判，同时针对沿线同类设备共性问题制定整改方案，影响闸门远程指令执行成功率的主要原因有液压系统、自动化控制系统、电气控制系统三方面，在增强节制闸设备设施安全稳定运行的同时又可提升闸门远程指令执行成功率，为总干渠通水安全运行提供可靠保障。

1 液压系统方面

一个完整的液压系统一般由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。液压油是液压系统中传递能量的工作介质，如果把液压系统比作人体躯干，那么液压油就相当于人体血液。油液清洁度、黏度是影响液压启闭机工作可靠性的关键因素，当液压油清洁度下降时油液内杂质易造成电磁换向阀、液控单向阀等液压元件中的活动件卡死,还会加快元件的磨损,降低液压元件的使用寿命，造成液压设备不能正常工作,从而导致闸门无法正常启闭或下滑。

冬季时，油液黏性随着油温降低而增加，黏性过高产生较大的内摩擦力使油液流动时的阻力增大，导致通过油路阀件过流量减小，易造成闸门远程操控不到位等情况的发生。

下面通过洺河节制闸在指令执行过程中的几个典型案例分析液压油清洁度、黏度对设备的影响。

典型案例一：

2018年12月29日18时16分，洺河节制闸2号闸门执行调度指令后，中控室值班人员发现闸门右开度数据由820mm至次日8时5分下滑至799mm，14h下滑21mm(见图1)。

运维人员对油缸、油路及阀件进行检查后未见渗油，初步研判闸门下滑原因为闸门操作完成后，液压油内杂质卡阻液控单向阀阀芯，导致液控单向阀内泄，造成闸门下滑。更换液控单向阀，对闸门进行复位操作后，闸门恢复正常。

图1 洺河节制闸2号闸门静止状态下开度变化趋势

典型案例二：

2018年9月20日20时46分，洺河节制闸3号闸门执行远程上升指令时闸门未动作(闸控系统显示闸门超时未动作，闸门停止)，远程操作失败。调取历史曲线图可见油泵已启动，系统压力最高达17MPa，左、右有杆腔压力为0MPa，由此基本判定为电磁换向阀阀芯未动作导致闸门远程操作失败(见图2)。

闸站值守人员对闸门进行现地操作时闸门仍未动作，经观察，电磁换向阀阀芯位置指示灯并未亮起，手动对应急按钮进行按压后再次操作闸门，闸门恢复正常。

图2 洺河节制闸3号闸门远程操作失败闸控相关数据历史曲线

典型案例三：

2018年1月，1号闸门在13日、19日两次执行远程上升指令时，均操作失败(油温为0～2℃)，闸门较执行前运行9mm后停止，现场对闸门采用现地自动模式进行小开度(30mm)上调时，闸门开度不到位频次较高(见图3)。

图3 2018年1月1号闸门远程操作失败闸门开度数据变化

发生此类情况后，通过对比例放大板后台数据进行修正，增加电动比例阀过流量，现场小开度调试闸门均可执行到位(需注意待天气转暖后应及时对比例放大板后台数据进行重新修正，以免造成闸门运行速度过快而超出目标开度)。

典型案例四：

2018年5月10日10时24分、11时10分，洺河节制闸3号闸门执行远程指令时闸门开度差分别为27mm、31mm(见图4、图5)，超差后由闸站值守人员手动调整单侧油路对闸门进行纠正。通过闸控系统开度变化历史趋势图，可明显看出闸门左侧运行速度较快，造成左、右缸不同步，闸门超差。

经运维人员现场检查，发现左侧比例调速阀失效，造成闸门运行过程中左右油缸不同步致使闸门超差严重，待配件到位更换后，闸门运行恢复正常。

图4 洺河节制闸3号闸门左、右开度变化趋势(一)

图5 洺河节制闸3号闸门左、右开度变化趋势(二)

2 自动化控制系统方面

a.闸门开度数据跳变。洺河节制闸闸门开度编码器为增量式编码器(相对型)，开度信号为高速脉冲信号，脉冲信号是按一定电压幅度，一定时间间隔连续发出，抗干扰弱，在传输过程中因其他电场的干扰，导致闸门自运行之初就存在静止状态下开度数据跳变现象，且跳变频次、跳变幅度基本无规律可循，当设备停、送电时开度数据跳变发生率为100%(见图6、图7)。由此带来的危害主要为以下几点：ⓐ触摸屏显示闸门左右开度数据与闸门实际工况不符，在远程指令执行过程中闸门纠偏功能与实际方向相反，易造成闸门卡死漏水；ⓑ数据跳变后闸门左右开度差超差，造成闸控系统无法执行远程调度指令；ⓒ数据跳变使闸门显示开度低于目标开度20mm，闸控系统启动闸门下滑复位功能，闸门异常动作；ⓓ现场需将闸门全关、开度数据清零后再恢复参与调度以解决开度数据跳变造成的闸门卡死、数据与闸门实际工况不符等问题，严重影响通水运行安全。

图6 洺河节制闸2016年1—6月开度数据跳变统计

图7 停、送电期间闸门开度数据跳变趋势

b.开度数据在读取、转换、传输过程中中间环节较多，由此带来的风险主要为以下两点：ⓐ在闸门动作时，触摸屏开度数据显示滞后，且PLC不能及时收到闸门开度信号，无法与目标开度做出实时校验，易造成闸门远程操作失败；ⓑ手动操作闸门时，触摸屏通过网关从PLC提取数据，导致数据显示滞后，操作人员不能及时判断闸门当前开度。

2018年4月，洺河节制闸共执行远程指令88门次，失败6次，失败6次均为闸门执行完开度超出目标开度20mm，见图8。

c.远程指令未下达至目标PLC。一方面随着闸站监控系统需要采集数据的增加，导致原来分配的带宽不能满足现有需求，导致通信链路的误码率增加。另一方面由于主PLC与远程I/O采用RI/O方式连接，通信链路延时较大，使得一部分远程指令未下达至现地站的目标PLC，从而导致闸门远程指令执行出现失败的情况。

图8 2018年4月洺河节制闸闸门超目标开度值统计

3 电气控制系统方面

控制柜内供配电线路松动、控制回路元器件故障等异常情况，均会造成闸门无法正常动作。主要有以下几方面原因：

a.春季供配电线路检修或闸室内配电柜检修维护时，易造成供电线路相序发生变化，从而导致电机反转等情况的发生，造成闸门无法动作。

b.柜内中间继电器等元器件均有动作寿命，尤其频繁动作的元器件应适时进行更换，元器件不动作或损坏易造成液压系统无法正常建压、闸门异动等情况的发生。

c.控制柜维护时人员误碰“紧急停机”按钮造成柜内控制回路断电，影响闸门操作。

典型案例：

2020年7月27日9时，洺河节制闸3号闸门执行远程上升指令时闸门未动作(闸控系统显示闸门超时未动作，闸门停止)，远程操作失败。调取历史曲线图可见油泵已启动，系统未正常建压(油泵启动后系统压力为0.4MPa)，左、右有杆腔压力为0MPa，经查为柜内中间继电器未动作造成闸门液压系统未能正常建压(见图9)。

图9 2020年7月27日洺河节制闸3号闸门液压系统工作情况

4 液压系统现存问题解决对策

液压油液清洁度和黏度是影响液压启闭机工作可靠性的关键因素，在日常维修养护中要定期做好油液清洁度检测，油液清洁度不满足要求时，要及时对液压油进行过滤。同时为有效解决因液压油清洁度下降油液内杂质造成液压设备不能正常工作问题，中线局制定规程要求每年对节制闸液压油进行检测，并更换变质液压油。

洺河节制闸于2019年3月完成液压油更换，此后再未发生因阀芯卡阻而造成的远程指令失败。同时针对冬季油温较低、油液黏度增加问题，提前安排相关运维单位对闸门进行小开度调试，及时避免因油液黏度增加而导致的闸门指令执行不到位等情况的发生。

中线局根据沿线各闸站共性问题，2018—2019年统一组织实施了液压启闭机及闸控系统功能完善改造项目。通过此次改造将现有的相对型行程检测装置改为安全可靠、测量精度高的绝对型行程检测装置(静磁栅式位移传感器)，开度传感器输出信号为SSI信号。采用屏蔽电缆重新敷设油缸至电控柜电缆，并重新整理柜内电缆，绝对型行程检测装置自配屏蔽电缆接至电控柜内三通转换连接器上，保证正常工作时行程检测装置输出信号接入PLC，当PLC故障时可通过转换接头迅速将行程检测装置输出信号接至现场的开度仪表进行显示，PLC和显示仪表不可以同时采集信号。

增加一面网络柜用于安装SSI采集设备，同时进行电源的重新分配，双功能合二为一。将触摸屏更换为具备modbus tcp通信协议的10英寸触摸屏，通过调整PLC I/O模块，增加光纤模块、网卡、电源模块、以太网IO站适配器、高功率电源、以太网IO适配器、IO光纤模块、串口模块、处理器模块、SSI采集模块、背板等，一方面，将开度信号直接接入自动化系统的PLC模块，不再经由其他设备进行转换，另一方面，使得PLC系统的现地网络结构能够改造为工业以太网结构。改造升级后的工业以太网通信速率不小于100Mb/s，无限制字节量，可EI/O扩展，具有扩展功能，双向同时传输。

对PLC应用软件、触摸屏应用软件、现地工控机闸站监控软件、远程闸站监控软件等进行相应的升级改造，以适应升级改造后的液压启闭机系统和现场数据采集网络，使数据交换更加安全、可靠、稳定、迅速。

洺河节制闸于2019年1月完成液压启闭机及闸控系统功能完善改造，改造完成后闸门开度数据跳变，开度数据在传输、转换、读取过程中中间环节较多所带来的问题迎刃而解，液压启闭机运行维护更加安全便捷，闸站监控系统运行高效可靠，闸门开度等各项数据采集高效稳定，2019年闸门远程执行成功率达 99.9%，为南水北调中线总干渠通水安全运行提供了可靠保障。

5 结论和建议

冬季油温加热装置投运后，高油温易造成液压油变质，各类阀件、管道接口密封圈老化等危害，建议将油温参数纳入闸站监控系统预警管理中。

另外，从设备应急操作方面考虑，建议加强液压启闭机应急操作培训，例如自动化系统故障，各类控制回路故障，在仅有电机供电电源的情况下如何通过手动操作电磁溢流阀、电磁换向阀完成闸门的启闭等情况，本文旨在对该中线工程闸站监控系统和液压系统配合后期运行维护过程中所要解决的关键技术进行分析与探讨。同时本文的研究成果可以为我国后续长距离重大调水工程闸门控制系统的设计与建设提供有效借鉴。