电力拖动与控制技术解析

3.5.3.1 主要机械设备的电气传动

船闸电气传动控制的对象，包括工作闸门及其启闭机，充、泄水阀门及其启闭机，船闸的上、下游事故检修门、活动桥等辅助设备，以及必要的检测和通航指挥等。

船闸的工作闸、阀门启闭机，一般都采用单速的或双速的交流异步电动机驱动，这类电机具有坚固耐用、维护工作量较小。在20世纪70年代以后，大中型船闸开始选用可以平滑调速的驱动电机或改用可调速的液压式启闭机。

（1）人字门启闭机的电气传动。人字门在水中运行的阻力矩，大致与其运行速度的平方成正比，开、关门全过程的阻力矩呈马鞍形曲线，在开门初期和关门初期均有阻力矩峰值出现。试验结果表明，阻力矩峰值不小于低值的2～3 倍，且峰值尖锐、作用时间很短。为适应这种负荷特点，一般采用负载能力曲线的形状与之相似的四连杆启闭机。但由于四连杆机构较为复杂，对于大型船闸，这类启闭机的制造有较大困难。近年来国内外大型船闸倾向采用结构十分简单、相对容易制造的直连式液压启闭机，而直连式液压启闭机的负载能力曲线，却与人字门的阻力矩曲线形状相悖。

四连杆启闭机的电力拖动，主要是解决如何削减阻力矩峰值，在产生峰值的运行阶段降低运行速度，并以低值加减速度启、制动和变速，以获得经济的拖动容量。如：葛洲坝1 号船闸采用可平滑调速的滑差电机，并适当利用其过载能力，电机容量由75kW 降至55kW。经一段时间运行后，在换代技术改造中，再次降为45kW。

对于直连式液压启闭机，主要是在非峰值段提高运行速度和用低加减速度启制动和变速，以充分利用其驱动能力，

综上所述，为要获得经济合理的驱动电机容量，至为关键的问题是如何确定人字门的运行速度及其全行程运行速度曲线的形状。

开、关人字门的运行时间依船闸的通过能力而定，应在规定的运行时间内，选择最佳的全行程运行速度曲线的形状，其核心问题就是要采用可调速的电气传动系统。

速度可调的电气传动系统的方案主要有：双速交流电机驱动系统、可平滑调速的电气传动系统和可调速的液压驱动系统。

对级别不是很高、采用四连杆启闭机的船闸，采用双速或多速交流电机驱动最为简单，其缺点是两挡（或多档）速度是固定的，变速时是阶跃式的，仍会对人字门及其启闭机产生一定的冲击，而采用可平滑调速的电气传动系统，对四连杆启闭机就十分理想。它能很好地适应高等级船闸人字闸门各种运行速度曲线的形状，特别是特大型船闸，可通过现场调试寻找最佳运行速度曲线，并能实现两扇门的精确同步。典型的运行速度曲线见图3-84。

图3-84 船闸人字闸门典型运行速度图

（a）人字闸门关闭过程速度图；（b）人字闸门开启过程速度图

船闸的电气传动系统，根据目前的技术发展水平，最优的选择是采用交流变频调速，其次是交流调压调速，再次是滑差电机调速。人字闸门的运行阻力矩，接近风机泵类的负载性质，即具有类似M ∝n2 特性，可采用具有通用的V／f 特性的开环频率控制的变频调速系统，当需要更高的调速精度（如有同步运行控制要求）时，亦可引入速度闭环控制。

可调速的液压驱动系统，专用于液压启闭机。通过调节流量来调节运行速度，电控系统的功能转化为对油泵电机的启动及速度给定值的控制。液压系统的调速亦可采用对油泵电机的变频调速来实现。大型船闸人字门，需要很大的驱动力，往往配置2～3 台油泵同时工作，并设有备用油泵。在实际运行控制中，工作油泵和备用油泵应轮换工作，使备用油泵经常处在热备的状态，可随时根据需要投入运行，以防工作油泵由于受潮等原因临时不能投入工作。

为了防止人字门在关门终了时发生碰撞冲击，需在关终位置上使两扇人字门门叶的端部之间留有适当缝隙，依靠充（泄）水初期形成的水压力使其密实合拢，构成三铰拱抵御水头压力。一般来说，不必强求两扇人字门运行的精确同步，只要对人字闸门的关终位置进行必要的控制，使设在两扇门端部的导卡，能顺利引导人字门进入合拢位置，三铰拱就可形成。采用具有平滑调速功能的电气传动或液压传动系统，可以十分容易地实现对闸门运行的控制。

为了防止闸室在充（泄）水的末尾，由于水流的惯性，出现过大的超灌、超泄现象，通常采用提前动水关闭输水阀门的措施。但为防止反向水头对闸门造成损害，不论是四连杆启闭机还是液压启闭机，均应设置反向水头保护开门的功能。该功能有两层含义：一是准备在充泄水末尾，提前开启人字门；二是在开启人字门的过程中，特别是开启初期，传动系统备有一定的制动能力，以免导致人字门及其启闭机超速运行。在实际工程中，通常可适当地利用闸室充泄水末尾的反向水头，帮助启闭机克服在开门初期的阻力峰值，使人字门及其启闭机更加安全地运行。如三峡船闸设计允许有最大20cm的反向水头，控制系统检测到“合拢掉”信号或检测到有5cm左右反向水头时顺势开启人字门。此外，还可以利用电气传动装置自身的过载能力，进一步降低驱动容量。大型船闸人字门的一次启（闭）时间一般都确定在3min左右，其动作完成后，有一段较长的停歇时间，据此，船闸人字门的驱动电动机容量，可采用热等效功率计算，并用过载能力验算来确定。另据试验结果得知，阻力矩峰值的持续时间不足1min，而变频调速装置在5min的负载周期内，允许有60s的1.5 倍过载。因此，利用过载能力来降低驱动容量是可行的。变频调速装置容量的计算可根据各制造厂规定的原则进行。船闸人字闸门工作周期（负载）如图3-85所示。

图3-85 船闸人字闸门工作周期（负载） 图

（2）充、泄水阀门启闭机的电力拖动。现代大型船闸充、泄水阀门的启闭机，大多采用竖缸液压式。当人字门采用四连杆启闭机驱动时，阀门启闭可专设一个液压泵站（或一扇门设一站，或上、下闸首两扇门共用一站）；当人字门同样采用液压驱动时，可与同一闸首同侧的一扇人字门共用一个泵站。在这种情况下，由于两者不同时工作，人字门需要的启闭能力比输水阀门大，泵站的容量主要取决于人字门的需要。但当阀门需要的容量远小于人字门时，也可另设一台小容量的油泵，以提高船闸的用电效率。通过采用在闸门前后水位齐平前，提前关闭阀门或将阀门关至给定的小开度，以减小闸室超灌、超泄时，阀门的操作一般不需要调节速度。但同一闸首的两侧的阀门，仍应保持基本同步运行。在充、泄水阀门关闭末尾临近关终位置时，为了阀门不致对底坎产生冲击，在阀门运行的末尾，应有一小段依靠门体自重下落的行程。

（3）事故检修门及活动桥的电气传动。船闸上闸首的事故检修门，大多数采用由交流起重运输型电动机驱动齿轮传动的固定式卷扬机或桥式启闭机操纵。

当采用固定式卷扬机时，由于闸室宽度大，分置两侧的悬吊点的跨度亦大，中间若无法设置传动轴的支撑点，就可能需要选用电气同步传动系统。而采用桥式起重机时，两悬吊点的间距可适当减小，可采用机械同步或电气同步拖动系统。

“机械同步”系统采用机械轴将两台电机刚性连接，两台电机的速度被强制一致，由于制造等方面的原因产生的机械特性误差，两电机承担的负荷会大不相同，甚至可能输出相反的转矩，导致扭断同步轴中止运转。此时，主要靠其电气传动系统，使两台电机输出的转矩同向且相等，解决所谓“出力均衡”的问题，其方法可参见本书的升船机电气传动部分。“电气同步”系统的电动机可以按各自的转速运转，通过电气系统解决由于机械特性的差异，两台电机速度不相同，两吊点行程发生偏差的问题。实现电气同步的方案有直流传动系统、交流传动系统，由于交流传动已逐步取代直流传动，下面主要介绍几种使用效果较好的交流同步传动方案。

1）简单的交流电轴传动系统。该系统由两台线绕型异步电动机的转子相对连接构成。由于运行时需要两个转子的电角度保持相等，停机时，在制动器的作用下，电角度往往产生较大的偏差，在下次启动时，将会产生过电流故障而不能顺利动作。为了解决“0 位启动”问题，可借助同期继电器（或电子同期装置），把它接在两台电动机的转子绕组间，启动时两转子开路运行，待同期装置检测到同期后，即将两转子绕组连接起来，完成启动并同步继续运转。此方法已在葛洲坝大江1 号船闸上成功运用，如图3-86 所示。

图3-86 交流电轴传动系统原理图

2）交流调压调速同步传动系统。该系统两台电机分别采用调压调速装置，并分别检测、比较两台电动机的转速，在其中一台电动机的速度调节器中引入速度（行程）偏差信号，调节其转速，以使两台电机的运行速度（行程）相等，其同步运行机理与下述的交流变频调速同步传动相似，可参阅图3-88（实线部分）。

3）交流变频调速同步传动系统。该系统虽其调速机理与交流调压调速同步传动系统不同，但其同步运行控制的原理相似。在行程较短的场合，行程偏差信号可取自装于卷筒轴上的轴角编码器。在行程很长的场合，如大型水利枢纽中的船闸，上游水位变幅达数10m，闸门的行程就很大。由卷筒直径加工误差、钢丝绳弹性变形误差及其直径误差所导致的行程偏差，用控制电动机或卷筒的转速同步无法消除，需要一种直接检测吊具（自动挂钩梁——亦称自动抓梁）水平度的装置。通常检测装置直接装于自动抓梁上，检测出的水平偏差信号，送给两套传动装置之一的速度调节器中，进行行程同步调节，达到抓梁水平升降的目的，如图3-87 所示。

图3-87 交流变频调速同步传动系统原理图

此外，交流变频调速传动系统还具有恒功率调速功能，能较好地满足为了提高设备的运行效率，空钩运行时，需提高运行速度的要求。

综上所述，上游事故检修门对电气传动系统提出了如下两个要求：①两悬吊点间的行程（位置）同步控制；②重载时，采用低速（等于或低于额定速度）、恒转矩运行，轻载（带抓梁）时，采用高速（2倍额定速度）、恒功率运行，省去复杂的机械变速装置。由于直流传动系统日常维护工作量较大，交流变频调速系统是满足这两个要求的最佳选择。

近年来电气传动系统采用微机数字控制的技术已十分成熟，速度控制已达很高的精度。如交流变频调速矢量控制系统，不带速度反馈的调速静态误差小于2.5%，带有速度反馈的调速精度高达0.001%。这样，如同步精度要求不高，或行程较短的，可以采用较为简单的速度主—从控制系统，即两套传动装置一主一从，从动装置以主动装置的速度为自己的速度给定值，跟随主动装置运行。

变频装置的功率部分由整流／回馈单元—中间直流回路—逆变单元组成。此外主回路还须根据不同情况配置下列主要辅件。

网侧有：网侧开关熔断器、网侧进线电抗器、用于整流／回馈单元的自耦变压器、无线电干扰抑制滤波器（EMC）等；

中间回路元件有：直流母线、电容器、熔断器或带半导体保护熔断器的隔离开关或带预充电电阻的接触器、隔离开关以及自振荡二极管等。

接入中间回路的还可能有制动单元和制动电阻。如减速制动采用能耗方式，当制动减速时，需要加入制动单元和制动电阻。当采用电能回馈方式时，则可不设该单元，但在网侧应配置回馈单元。当然，为提高可靠性和故障停车的平稳性，亦可考虑两者合用。正常时由回馈单元实现发电制动运行和减速制动停车，当回馈单元在运行中发生故障时，则可由制动单元制动减速停车。

当采用晶闸管构成的整流／回馈单元时，为实现回馈制动需要增设自耦变压器，以提高加在逆变桥上的电压。

负载侧元件有：电缆屏蔽连接适配器，输出滤波电抗器（用于补偿在长导线时的电容电流），限制电压滤波器（用以限制dv／dt 值），正弦波滤波器（可使电动机获得近似正弦电压和正弦电流），以及输出接触器等。

变频调速系统的调节、控制部分，则视各种传动装置产品采用的控制原理的不同而有不同的结构形式，如矢量控制、直接转矩控制等，具体可参阅产品介绍。

值得着重提出的是，变频装置的功率元件推陈出新，已经历数代产品，目前较新的产品有绝缘栅型双极性晶体管IGBT，由其构成并可以得到近乎完美的正弦波电压电流的整流／回馈单元和逆变器。

成熟的交流变频调速装置一般具有下述性能和功能：

可靠性高：MTBF＞20000h，MTTR≤0.5h，命令—应答时间t＜2s，可利用率大于99.9%。

适应性强：可适用于典型的位势负载，适应负载的重—轻—过零变化，4 象限内运行，经适当的匹配组合，可实现多机传动的同步运行、出力均衡控制等。

动静态特性好：稳速精度高、调速范围宽；对阶跃给定信号响应的调节时间短、超调量小、动态速降小、恢复时间短。

主要功能有：多套传动装置间可通过通信网络进行信息互传；可自动预测电动机参数，实现自适应控制；可作转差补偿控制；可实现多电机同轴传动的出力均衡控制；可实现能量回馈、能耗制动及其间的手动／自动转换；具有电流环、速度环和位置环的PID调节并可任意组合；可抑制扭振；可进行谐振窗口控制；具有专用的提升控制软件（用户宏、提升机宏）；具有完善的检测显示保护：内部故障、I2t、过频、超速、失速、欠压、瞬时掉电、直流过压、过电流、短路、过温、电机堵转、欠载等。

某些大型水利枢纽在船闸上闸首设置的活动桥，亦由分置于左右两侧的固定式卷扬机曳引升降，也需要两个悬吊点同步运行控制。如葛洲坝水利枢纽2 号、3 号船闸的上闸首各设有一座跨度为20m和35m的活动桥，虽然其传动装置系由滑差电机及其配套的控制器组成，但同步运行控制的原理与事故检修门相似。

3.5.3.2 运行控制

船舶通过船闸的过程，也就是船闸的运行过程。船闸运行时，各设备需要有序地协调运转。对各参加运行的设备的运作，按一定的规则进行准确可靠的控制，才能使船舶安全快速地通过船闸。

（1）船闸运行过程。布置在枢纽上的船闸，有一个闸室的单级船闸，也有多个闸室连续或不连续的多级船闸，如葛洲坝船闸是单级船闸，而三峡船闸则是五级连续式船闸。这两种船闸船舶过闸时的运行过程有很大差别，分述如下：

1）单级船闸的运行过程及控制对象。单级船闸的主要运行设备比较简单，全闸的主要控制对象只有上、下闸首的闸、阀门（1～2R，1～2F）的启闭动作及行程位置，上、下闸首的通航信号灯和上、下游水位（W1、W4）及闸室水位（W2、W3）的测量及运算等。

船舶过闸过程：以下行为例。

初始状态：上闸首工作门开启，其余闸、阀门关闭，等待过闸的船舶停靠在上游靠船墩处待命。

命令及动作过程如下：①发“进闸令”，上闸首的通航指挥信号灯发“进闸信号”（绿灯燃亮，红灯熄灭），下行船舶进闸，泊位系缆；②发“关闸令”，关闭上闸首工作门（1R）；③上游信号灯转换（绿灯熄、红灯亮）；④发“开阀令”，开启下闸首泄水阀门（2F），闸室向下游泄水；⑤检测运算闸室与下游水位（W3，W4）待下闸首工作闸门前后水位齐平；⑥发“开闸令”，开启下闸首工作门（2R）；⑦发“出闸令”，下闸首的通航指挥信号灯向闸室船舶发“出闸信号”（绿灯亮、红灯熄），船舶出闸；⑧发“关阀令”，关闭下闸首泄水阀门（2F）。下行过程至此结束，上行过程与此相似方向相反，如图3-88所示。

从上述过程看出，单级船闸船舶的过闸过程十分简单，闸、阀门基本动作命令只有4个：关闸（1R）→开阀（2F）→开闸（2R）→关阀（2F），加上连带的通航指挥信号灯的转换控制和水位检测发令，只有8个控制动作。

2）多级船闸的运行过程及控制对象。两级以上的多级船闸，随着级数的增多，运行设备和船舶过闸动作步数的增加，程序亦渐趋复杂。

如三峡船闸，每线共有6 个闸首和5 个闸室，6 组12 扇人字工作闸门、12 扇反向弧形输水阀门和2 扇平板辅助输水阀门。船舶通过五级闸室全过程需要连续进行40 多步动作，历时2h多（设计值）才能完成，并且还需要：依水位变化情况随时改变运行级数和过闸程序；采用适当的控制措施来抑制超灌、超泄量和进行补水控制；闸、阀门闭锁控制和闸室水位配合判断等。

船舶过闸过程如下：以下行不补水运行为例，参见图3-89。

图中 1R～6R——自上而下的闸首人字闸门编号；

1F～6F——自上而下的闸首输水阀门编号；

7F——第6 闸首的辅助泄水阀门；

①～⑤——自上而下的闸室编号；

状态区的左部为船舶下行过程；状态区的右部为船舶上行过程。

状态区的上部为各闸、阀门启闭的开度状态曲线；状态区的中部为各闸室的水位变化曲线；状态区的下部为多批次船舶过闸的示意。

初始状态：第1 闸首（上游）工作闸门（1R）开启，其余闸、阀门均关闭，下行船舶停靠在上游靠船墩处等待进闸。

命令及动作过程如下：①发“进闸令”，上游通航指挥信号灯显示进闸信号（红灯灭、绿灯亮），船舶进闸，泊位系缆；②发“关闸令”，1R启动关闭；③第1 闸首的通航指挥信号灯转换（上游红灯亮、绿灯灭）；④发“开阀令”，2F启动开启，第1 闸室向第2 闸室输水；⑤检测并运算第1、第2 两个闸室水位；⑥当水位差ΔW ①－②等于设定值时，发“动水关阀令”，2F启动关闭至一个设定的小开度，继续输水，直至ΔW ①－②＝0；⑦发“开闸令”，2R启动开启；⑧第2闸首的通航指挥信号灯转换，允许第1 闸室的船舶过闸，船舶解缆启动行驶，通过第2 闸首进入第2 闸室，泊位系缆，同时全关2F；⑨发“关闸令”，2R启动关闭；⑩第2 闸首通航信号灯转换（红灯亮、绿灯灭）；发“开阀令”，3F启动开启，第2闸室向第3 闸室输水；检测并运算第2、3 两闸室水位，当水位差ΔW ②－③＝设定值时；发“动水关阀令”，3F启动关闭至一小开度，继续输水，直至两闸室水位齐平时，ΔW ②－③＝0；发“开闸令”，3R启动开启；第3 闸首的通航信号灯转换（红灯灭、绿灯亮），允许第2闸室的船舶过闸进入第3 闸室，泊位系缆，同时全关3F；发“关闸令”，3R启动关闭

……

以后的动作与前述相似，发“关闸令”，5R启动关闭；第5 闸首通航信号灯转换（红灯亮、绿灯灭）；发“开阀令”，第6 闸首主输水阀门（6F）启动开启，第5 闸室向下游主航道泄水；检测第5 闸室与下游水位并运算，当水位差ΔW ⑤－x等于设定值时；发“开阀令”，第6 闸首辅助输水阀（7F）启动开启，继续输水；检测第5 闸室与下游水位并运算，当水位差ΔW ⑤－x等于另一设定值时；发“动水关阀令”，6F启动关闭至关终位；检测第5 闸室与下游水位并运算，直至两闸室水位齐平，ΔW ⑤－x＝0；发“开闸令”，第6 闸首人字门（6R）启动开启；第6 闸首的通航信号灯转换（红灯灭、绿灯亮），允许第5 闸室的船舶出闸进入下游主航道；发“关阀令”，在船舶出闸过程中关闭辅助泄水阀7F至关终位。

至此，下行过闸全过程结束，双向运行时可转换成上行程序。

上行程序与下行程序相似，方向相反。连续过闸方式还有不少连带动作（见图3-90）。

为了满足通过能力的要求，多级船闸一般都采用连续过闸方式，如下行过程：

当先行船队A自第2 闸室进入第3 闸室时，后续船队B可由上游进入第1 闸室；当先行船队A自第4闸室进入第5 闸室时，后续船队B可由第2 闸室进入第3 闸室，第三个船队C则可由上游驶进第1 闸室。

从连续过闸过程可见，当经过几个船队连续进出船闸后，会出现有趣的规律：①每发一次开、关闸阀门的动作命令，如果配合得好，船舶进出闸室时间相当，会有1、3、5 或2、4、6 号闸首的闸门（或阀门）同时执行相同的动作命令，这是同步运行的情况。但由于决定船舶过闸间隔的因素很多，在船闸的实际运行过程中，这种情况出现的几率很小，在实际操作中，应防止为简化操作程序而强求采用同步运行的做法。②各闸室的水位是高低相间的。③只有单数闸室或双数闸室同时有船舶停留。

（2）船闸运行中的几个特殊问题：

1）“开通闸”的防止。必须防止发生相邻闸首的闸、阀门同时开启的“开通闸”事故（需要补水的情况除外）。因此必需设置各相邻闸首的闸、阀门间开启的闭锁保护：相邻的任意一扇闸首的闸、阀门离开关闭位置时，本闸首不能再开启其他闸、阀门，反之亦然。

2）“超泄、超灌”的抑制。需要采取适当措施，控制闸室充水末尾出现的“超泄、超灌”值。

3）闸室水位的控制。在运行过程中，必须控制闸室水位，使其不会超过限制值。

4）变级数运行控制。对上游水位变幅较大的船闸，在不同的上、下游水位段需采用不同级数运行。

5）多级船闸的补、溢水控制。对不是采用不补不溢的方式划分水级的船闸，在某一水位段上，需要对某些闸室进行补水或溢水，且适当控制补水量。如三峡五级船闸，按只补不溢的原则划分水级，在某一水位段上，进行4 级运行时，需要对第3 闸室进行补水；在另一水位段上，进行5 级运行时，需要对第2闸室进行补水。

针对3）、4）、5）3 个问题，需要根据当时的上、下游实际水位，以及已确定的各闸室允许的最高、最低通航水位，进行运行级数判断和补水量的计算。

运行级数判断，根据已确定了的级数划分，便于计算机建模控制的简化公式如下：

式中 Wsmax——允许进行m级运行的上游最高水位；

Wnmax——第n闸室允许的最高通航水位（已知值）；

Wx——当前的下游水位实测值；

m——运行级数；

n——自上至下的闸室顺序数。

式中 Wc——已确定的平均工作水头。

在一般情况下，后几级闸室才有超过最高通航水位的可能。如三峡五级船闸的第4、5 级闸室。因此，作为特例，可只对第4、5 两级闸室的Wnmax进行计算判断。

补水量的计算。在经上述判断确定了运行级数后，还需要根据各闸室水位的实时值，进行补水与否的判断和补水量的计算。

判断是否需要进行补水，一般可只对参与运行级数的第二级闸室进行，通用公式如下：

式中 W（1＋2）——参与运行的第1、2两闸室当前水位高程之和；

W10——第1 闸室的最低通航水位（为已知数）。

如果发现下两级闸室有漏水现象，则必须加上漏水量进行判断，使用下列公式：(www.xing528.com)

其中ΔW（3＋4）＝2W30－W（3＋4）

式中 W30——第3 闸室的最低通航水位；

W（3＋4）——当前第3、4两闸室实际水位之和。

当式（3-75）或式（3-76）成立时，不需补水，否则就需要补水，其补水量计算按下式进行：

或

所以

由式（3-78）可知，为判断运行级数和补水量，必须测知上、下游及各闸室的实时水位值。

根据不同运行级数和是否需要补水运行，相应地编制不同的运行程序进行控制，可使复杂的运行控制问题简单化。

6）人字闸门的关闭和开启的控制保护。为了防止两扇人字门在关闭末尾出现碰撞，需设置关终位的控制，即在人字闸门停止在关终位后，两扇门叶端部间留有约20mm的间隙，待开阀充（泄）水形成正向水压力使其合拢，构成三铰拱承受高水头压力。

为防止关门时在缝隙中夹有杂物，需在两扇门的端部设置“合拢开关”，检测闸门在初始水压力作用下能否合拢。当在规定的时间内没有合拢信号送出时，就应立即中止开阀输水，并转为关阀，对门缝的情况进行检查，不致因闸门前的水压力继续增大导致事故。在水位计发生故障的情况下，也可利用合拢开关的“复位信号”，代替“水平信号”，作为输水末尾的后备开闸命令，以避免因“超灌超泄”形成过大的反向水压力，对人字闸门及其启闭机造成危害。

为防止开启人字闸门时，由于合拢开关误动作造成高水头状态非正常开门的情况，可增加本闸首输水阀门非关终位的限制条件。即必须确认输水阀门仍处于输水过程未结束状态后，合拢开关的“复位信号”才能起“开闸命令”的作用。

为实现人字闸门在输水初始水压力推动下合拢，“合拢开关”在输水末尾人字闸门离开合拢位置时能够复位，应使人字闸门及其启闭机在停止状态下，有受正向或反向水压力使其退让的可能，在四连杆启闭机的推拉杆上装有压缩弹簧，液压启闭机在活塞两侧的油路中安装有电液控制的旁路阀。其得、失电的时机和条件如下：

①有杆腔的旁路阀，应在本闸首人字闸门到达关终位时得电开通，在人字闸门合拢后，延时至输水末期失电关闭；

②无杆腔的旁路阀，应在本闸首阀门开启时得电开通，而本闸首人字闸门开启时失电关闭；

③不论本闸首的阀门是否关终，只要有一扇人字闸门离开关终位，两腔的旁路阀均不能开通；

④在单边输水的情况下，当两扇人字门均处在关终位置时，只要有一扇阀门离开关终位，两腔旁路阀均能得电开通。其逻辑关系为：

7）充、泄水过程的紧急关阀保护。在船闸运行过程中，出现下列异常情况时，应紧急关闭输水阀门，中断输水过程，以保证船舶过闸和船闸设备的安全：

①相邻闸首间的闸、阀门相互闭锁关系丧失时；

②在输水过程中，预测到水位齐平后水深不足时；

③在输水初期发现人字门合拢失败时；

④在输水后期需防止出现过大的超灌（泄）量时；

⑤在输水过程中，浮式系船柱卡阻，船舶不能随闸室水位自由升降时。应急关阀应分别两种情况进行处理：其一，在一般情况下，以上除最后一项外，均可在控制程序中，插入“关阀保护子程序”，由集控装置自动启动保护动作程序。其二，如果自动启动保护动作程序失败，则应紧急起动独立的“紧急关阀”回路。独立的“紧急关阀”回路，可由冗余配置的控制装置，或由直接联线的继电控制回路构成。当采用专用的继电回路控制时，对于多级船闸，无疑会增加操作台面的“紧急关阀”按钮。多级船闸在连续过闸过程的某一时刻，虽然会有多个闸、阀门在运行，但相邻两闸首的闸、阀门是不会同时运行的。据此，相邻两闸首可以共用一个按钮，以减少操作台面上按钮的数量和发生误操作的几率。为进一步减少操作按钮，可以考虑全部阀门共用一个“紧急关阀”按钮。

8）紧急关阀与紧急停机的关系。为保证船闸安全运行和保护设备免受损坏，常用的两个安全措施是“紧急停机”和“紧急关阀”。但在某些情况下两者是有矛盾的，如在开启闸、阀门过程中，需要“紧急关阀”时，必须先停机而后施行紧急关阀，或在实施紧急停机后，紧接着需要紧急关阀时，从船闸安全运行角度出发“紧急关阀”的优先级应高于“紧急停机”，因此“紧急停机”回路不能按常规设计使用自锁式按钮，而应采用自复式按钮和自保持回路，为后续的“紧急关阀”操作做好准备条件。

（3）船闸运行过程的自动控制。船舶通过船闸的过程，是一个典型的顺序运行过程。运行过程中先行动作的结束，就是后续动作的开始，不能超越或打乱顺序。但其中有些动作可以暂时中断，而另一些动作则不能中断。可以中断的动作，其结果可以由人工判断后，决定下一步动作是否可以接着进行。如船舶由上一个闸室进入下一个闸室后，可由操作员判断是否进行下一步的关闸门动作。而另一些动作完成后，则必须紧接着进行下一步动作。例如，闸室充泄水达到一定程度后，应进行动水关阀以期削减超灌超泄量；又如，在充（泄）水末尾，相邻两闸室水位接近齐平时，必须立即开启其间的人字闸门。此外，对于多级船闸来说，在连续过闸过程中，可能需要同时操作多个闸、阀门，如果依靠人工操作，将给操作人员造成过度的精神负担，很有可能发生误操作。由此可见，对船闸特别是多级船闸的运行，实施不同程度的自动控制是十分必要的。

船闸运行自动化经历数十年的发展，已从目的单一的、为简化操作的集中控制装置开始，逐步地发展形成为实现多目标的集散（分布）式监控系统。控制装置的硬件已从最简单的硬接线继电逻辑控制→二极管矩阵逻辑控制→半导体分离元件逻辑控制→半导体集成电路逻辑控制→一位微机→单板机等发展到可编程序控制器（PLC）和工业微机（IPC）构成的集中控制系统以及由PLC和IPC组成的多层集散（分布）式监控系统。

目前，普遍采用的系统方案有如表3-15 所列的几种形式。

表3-15 船闸运行控制系统方案一览表

对表3-15 中的控制系统，应根据船闸所处的地域、航道等级、要求通过能力和繁忙程度、重要性等条件进行选择。当然，有时也受管理技术水平和经济条件的制约，主要因素是繁忙程度和重要性。推荐在表3-15 的1、3、4、8几个方案中进行选择。

繁忙程度低的单级船闸又受管理技术和经济的制约，可选择1（或3）方案。

方案1（或3）的功用：主要是可以在控制室进行集中操作，减少操作员劳动强度；方案3 还可以提高控制系统的可靠性，减少维护工作量。方案应具备的基本功能：①操作简单，上行及下行共用同一组“进闸”、“关闸”、“急停”、“继续运行”4个按钮，操作员可不进行上、下行的选择，避免误操作；②可依据船闸运行规律选择半自动／手动控制；③“多1”保护，同一时刻不能有2项及以上的设备动作；④人字门合拢检测和合拢失败自动关阀的保护；⑤人字门平压和反向水头过大开门的保护；⑥能防止人字门运行阻力过大的保护；⑦上、下闸首间的人字门与输水阀门的开启互锁保护；⑧电动机主回路的常规保护功能应有过流、短路，失电、机械过载等；⑨液压回路的常规保护功能应有油路过压、失压、油温过高、油位过高、油位过低、滤油器堵塞等。

繁忙程度较高，需要采集较多信息，且又有一定的管理技术水平的，可选择方案4（或5、6、7）。

此类方案，增加了检测和显示项目，用于需要对上、下游和闸室水位进行监测、显示和控制的船闸，此类控制系统除了应有上列基本功能外，还需增加下列功能：①可以进行上、下游及闸室水位检测及显示；②可利用水位信号进行闸室水位是否超限的监测和控制；③可利用“水位齐平”信号自动开启人字门和“合拢开关复位”信号作为后备的开门信号；④可利用水位信号自动进行动水关阀，减少超灌超泄量的运行控制；⑤可利用闸、阀门的行程检测信号，对闸、阀门进行启闭控制和模拟显示；⑥可以检测电动机的电流、电压实际值，并进行显示和保护；⑦可以检测液压系统的油路压力、油位、油温的实际值进行运行显示、控制和保护等。

此类控制方案的集中控制装置中的PLC和IPC应有适当的分工：PLC主要用于完成船舶过闸全过程的运行控制和保护；IPC则主要用于数据采集、数据库管理、屏幕显示、操作提示等和后备的应急运行控制。

此类控制系统的上、下层间可采用通讯速率较低的现场总线进行信息和数据传输，亦可与上级管理系统通讯，PLC和IPC的运行控制方式可以随时切换。

处在十分重要、繁忙程度很高、不能停航的船闸，要有很高的运行可靠度，应该选择方案8。

此类方案，当属十分重要、极为繁忙的高水头多级船闸才需要采用，如三峡五级连续式船闸，其监控系统结构示意如图3-90所示。

该监控系统遵循“硬件冗余、软件容错”的原则设计，其主要结构特点及控制功能有：①极高的运行可靠度。核心控制器采用双机热备配置，上层集控装置由双PLC集控操作单元和冗余配置的双操作员站构成，下层各闸首现地控制站采取同一闸首两侧子站，互为热备配置方式，重要的输入输出（I／O）模块亦采用冗余配置，上、下层间采用光纤双环以太网进行数据交换。②开放式系统结构。可根据需要与其他自动化系统相连，满足对外通讯的要求，对外通讯方便、可靠。③主要按集中控制运行，亦能在各闸首机房进行现地操作运行。集中控制可选择下列控制方式：集中手动——在集控室的集中控制台上进行分步动作的按键操作运行；集中半自动——在集控室的集中控制台上进行，除了“进闸令”和各闸首的“关闸令”由人工发出外，其余过闸动作自动联动控制运行；集中全自动——除“进闸令”由人工发出外，“关闸令”可由“船舶探测装置”发出，实现全自动运行（三峡五级船闸预留了接口）。④数据信息采集、记录和显示功能强，几乎能采集全部运行设备的数据信息（含上、下游及各闸室的水位，闸、阀门行程、开度、位置和电动机及液压系统的全部运行参数等）；建立实时和历史数据库，可以实时生成和打印各种报表，按不同性质和严重程度划分故障等级；可以追忆首事故的发生时刻，便于查询处理；可在集控单元、操作员站的显示器上和投影屏幕上，显示船闸运行的各种工况和参数在现地站的可视操作面板上，也可以显示本闸首和相邻闸首设备运行状况及相关参数；可以跟踪过闸程序，自动摄录和显示船舶过闸过程的实际状况、自动广播过闸注意事项。⑤可设置安全操作管理等级和运行参数、可作实时的操作提示。⑥对在运行中的特殊问题而设置的控制和保护功能有：能根据上、下游和各闸室实时水位值，自动判断运行级数和给出补水量的提示和控制；为满足多级船闸特有的各种运行要求，可分别运行多个“船舶过闸程序”，如根据上下游水位可确定不同级数（三、四、五）的运行程序、对不同闸室进行补水的运行程序、一侧输水阀门需要检修时的单／双边输水运行程序、上下行逐级连续或同步运行程序以及换向运行程序等；可自动进行抑制超灌超泄的动水关阀控制；可进行人字门的调速和同步运行控制；液压泵站的多台油泵可自动轮换工作，备用油泵可自动投入工作；相邻闸首人字门与输水阀门开启的互锁保护（防止开通闸，补水工况按专用程序运行除外）；输水初期人字门合拢失败保护；输水初期闸室水位预测保护；输水后期的超灌、超泄开门保护；输水后期水位计故障时的保护开门；人字门和输水阀门的运行过载保护和机械过载保护；船舶行驶、停靠越位，预防夹船保护；防止误操作的闭锁保护；数据采集中的防错、防抖动措施；多项应急关阀保护等。此外，在运行控制程序的编制中，亦采用了多种安全保护措施，如冗余检测信号的互校辨识、设备动作时间限制等。

3.5.3.3 主要监测设备

为保证船闸能安全、可靠、快速地运行，除了有一套实用的可靠度高的监控装置外，还有赖于各类检测装置测量的准确性、灵敏性和稳定性。主要的检测装置如下：

（1）人字门、输水阀门的行程、位置检测。为了对人字门和输水阀门进行行程控制，例如使人字门在不同位置上的变速运行、定位控制、限位保护，以及模拟显示等，需要对人字门和输水阀门的行程、位置进行准确的检测。

对人字门的行程位置的检测装置可有多种选择，经各类船闸多年运行的经验证明，采用以轴角编码器为核心构成行程测量仪和进口油缸中使用的感应式脉冲发生器为首选。

以轴角编码器为核心的行程测量仪有外置式和内置式两种：外置式以国内产品为主，但轴角编码器亦多选用国外产品。另一类著名的以感应脉冲检测的形式，为与陶瓷保护层结合在一起的内置式检测行程开度仪。此类产品安装、使用方便，防护等级高达IP67，能用于任何长度的活塞杆，测量数值准确、抗干扰性强、精确度高，可输出多种制式信号，如电压电流标准模拟量、各种代码的数字量等，但此类产品由于与活塞杆一起制造，价格昂贵，不易维修。

闸、阀门的位置控制一般采用行程开关，常用的机械式行程开关，已被运行证实其可靠性和动作准确性较差，难于长期稳定工作，将逐步被感应式或光电式行程开关所取代。另一个影响其使用的因素是安装位置和操动形式的选取，如四连杆启闭机的行程开关，采用密封外壳保护和成组安装、位置可以分别微调、联合操动等措施，可以延长机械式行程开关的使用寿命、减少调整工作量，葛洲坝2号、3 号船闸是成功应用的例子。

由于巨型钢结构闸门受环境温度变化的影响，不同的季节，甚至日、夜间的温差，使其变形的绝对值较大，行程开关的安装位置需要经多次运行调整后，找出其变化的规律性，才能确定其较准确的工作位置。选用感应式或光电式行程开关，虽可延长使用寿命，也需要对其安装位置和操动方式进行精选和仔细调试。

（2）水位及水位差检测。单闸室、超灌超泄量不大的低水头船闸，由于可以采用人字闸门合拢开关的“复位信号”作为开启闸门的控制命令信号，水位及水位差的检测并不十分需要。但对会有较大的超灌、超泄值的高水头，多级船闸，水位及水位差检测装置是不可或缺的：对闸室进行水位预测控制、多级船闸的运行级数判断、补水量的计算及控制、抑制超灌超泄、各类工作闸门的平压开启等，都必须依赖上、下游及闸室内工作闸门前、后的水位及水位差的检测信号。

多年来，各种船闸使用过的水位及水位差计种类繁多，有的属于老的技术装置，精度不够已经被淘汰，有的则在不同的应用场合得到决然不同的结果。如浮子—码盘水位计，它在水位变化缓慢的场合很成功，如水电站水库水位的测量。但在船闸闸室水位变化较快的应用场合，几乎不能使用。近年来应用得较好的有吹气式压力传感器和直投式压力传感器两类。

吹气式水位计，由安装在水位计井口上方（空气中）的压力传感器和气源（气泵—储气罐），以及浸入水中的气管构成。气管的管口位于最低水位以下，当气源提供的一定压力的气体从管口均匀地冒出气泡时，管口处的水压力变成相当的气压差，通过压力传感器送出水深（或水位）信号。因其需要另设气源，结构比较复杂，在船闸上应用较少。

直投式压力传感器，用于水位（水深）测量十分简单，只要将压力头投入水中，固定在最低水位以下即可，送出的水位信号亦可有多种标准制式信号。

两种传感器的测量范围和精度一般可以达到10～20m±1cm，对于水头不太高的船闸已够；而对于高水头船闸，采用全程测量需要特殊订货，或者采用分段测量法，可以得到满意的结果。

吹气式水位计，可采用多根伸入水中的塑料管分段接力测量，每根管的上方、气管的入口处加装电磁阀，以便采用电控切换测量气管。各气管的出口设在每一测量水深段的最低位以下，与前一根更深的测量管有一重合段，可实现接力测量。

直投式水位计，可采用多个传感器在不同的水深段上分段接力测量，同理，亦需要有一重合段。

（3）人字门关终—合拢监测。正如前述，人字门在关闭终点，应使两扇门的门叶端部留有一定宽度的缝隙，以免发生两扇门间的碰撞。在这个位置上，两扇人字门的端部已进入导卡的有效工作范围，既可由充泄水初期形成的水压力使两扇门合拢，又不至于在门缝中夹有大件杂物。因此，需要十分准确地控制人字门关终的位置。但是因人字门钢结构的规模（尺寸）很大，由温差引起的变形非常显著，往往上午和下午、冬天和夏天温度对闸门的影响都不一样。通常采用的解决办法：

1）经一段时间的运行观测，摸清温差引起的人字门变形量变化规律，分时段调整各停位开关的位置。

2）选择合适的操动尺杆形状。

3）在人字门的门叶端部增设红外光电接近开关。原有的关终开关位置可按高温天气调定，一般使两扇人字门的门叶端部可顺利进入导卡的工作范围的门缝间隙约等于20mm。而在低温天气调节时，可适当增大门缝间隙，增大量由温差变形量决定。门叶端部增设的红外光电开关作用距离略小于20mm。

4）关终开关或操动尺杆的位置和角度应能进行微量调节。

（4）船舶探测技术研究。为进一步减轻操作人员的操作强度和避免发生人为判断错误，希望在必要时能实现船闸的全自动运行。实现全自动运行的关键，是各闸首的“关闸令”由一种“船舶探测装置”来发出。该装置应能探知船舶进入闸室过程的结束，在闸首人字门运行区域内已没有船舶停留，代替值班员及时发出可以关闸的信号，再由监控系统作总体判断后，正确地向现地站发出“关闸令”。

在数百米长、数十米宽的闸室内和比闸室面积更大的航道水域中，作这样的探测判断是十分困难的。比较关键的问题是除设备的测量精度外，如何防止由于自然环境因素可能导致的误判。经多方案研究，目前已提出了以工业电视图像识别系统为主攻的方案，对大型船闸工业电视监视装置摄录到的图像信息，用专门开发的“辨识软件”进行鉴别，取出有用的“有船”或“无船”的开关量信息，送给监控系统。经一段时间的试验后，其误判率已达到0.1%的水平，但目前尚未达到成熟应用阶段，还需要继续研制和考核。此外，还进行了“激光扫描探测”研究，其原理性试验结果表明，误判率已达到0.001%的理想水平。但目前同样尚未形成实用装置，研究工作还有待继续进行。

3.5.3.4 运行监视系统

作为船闸运行的一种重要监视手段，是工业电视监视系统。大型船闸，特别是多级船闸，是否能安全运行，是运行人员时刻关注的问题，在习惯上往往希望“亲眼目睹”船舶在闸室内行驶情况：闸室和工作闸门运转区域内有无船舶停留、船舶是否能跟随闸室水位涨落自由浮动、现地设备运转是否正常、运行过程有无异常等，工业电视系统提供了这种可能。据了解，近年来兴建或进行技术改造的船闸，大多都安装了工业电视。摄像机主要视需要观察的部位如靠船墩、航道口门、闸室、工作门运行区域和现地机房、供电配电房等处进行设置。

3.5.3.5 运行指挥广播系统

船闸运行的另一辅助设备是广播系统。必要时可通过语音广播，宣讲安全过闸知识，协助船舶驾驶员驾驶船舶正确迅速地停靠和进出船闸。扬声器的布置应考虑声场的均匀性，且不能相互干扰。

3.5.3.6 运行自动化系统实例

随着工业电视的出现和微电子控制技术的飞速发展，船闸运行自动化得到了很大的进步和完善，现举几个实例供读者参考。

（1）葛洲坝水利枢纽船闸的控制系统。葛洲坝2、3 号船闸，兴建时采用的第一代控制系统，系半导体分立元件和继电器组成的逻辑控制系统。20 世纪80年代末建成的1 号船闸采用的集控装置是第二代，以可编程序控制器PLC为主，再配置继电逻辑控制装置RLC，属于第2类（PLC＋RLC）。

（2）前面两代的现地控制装置均采用了继电接触器控制。葛洲坝2、3 号船闸人字闸门的驱动电动机是双速交流异步电动机，1 号船闸人字门的驱动电动机是交流电磁调速电动机——滑差电动机，其励磁调速控制装置也是由半导体分立元件组成的。20 世纪90年代，相继对3 号船闸和1、2 号船闸进行换代改造，采用了比较简单的集散型（分布式）监控系统，其结构属表中的第4类，即双IPC＋PLC方案，采用S7—300型PLC和L2 总线；增加了电动机工作电流、输水阀门液压系统的油路压力、油位及行程、水位等的信息采集和显示。

（3）三峡临时船闸监控系统，作为三峡船闸监控系统的实战准备，是一个比较完整的集散型（分布式）监控系统。其结构形式为：上层集控装置由2 台互为热备配置的IPC组成，下层现地控制子站，由同一闸首分置两侧机房的PLC以热备形式配置组成。属方案表中的第6 类：集中控制采用双IPC，现地控制采用双PLC（闸首两侧互备），PLC采用S5—115H型及L2 通讯总线，其结构如图3-91 所示，运行过程如图3-92 所示。

图3-91 三峡临时船闸监控系统图

（4）福建水口水利枢纽的三级连续式船闸监控系统结构形式为：PLC＋RI／O。

（5）湖南五强溪水利枢纽的三级连续式船闸监控系统的结构形式为：IPC＋PLC，如图3-93 所示。

图3-93 湖南五强溪三级连续式船闸运行监控系统框图

（a）船闸控制系统图；（b）PLC2 系统配置示意图

（6）美国邦纳维尔船闸监控系统的结构形式为：IPC＋PLC。

（7）加拿大韦兰运河上的7座船闸监控系统的结构形式为：上层集中控制装置与运河航运管理系统结合由多IPC（工作站）组成，其中有5 个PC显示器组成运河—船闸的整体模拟显示屏；下层为各级船闸的控制站，其典型的结构形式为：PLC—RI／O，如图3-94所示。

图3-94 加拿大韦兰运河船闸控制系统图

（8）三峡船闸监控系统的结构形式为：集散型（分布式）监控系统。上层集控结构为：双工作站（IPC）＋双PLC，还配有工程师站、培训站及数据、通讯服务器，层间网络采用开放式的光纤双环以太网，通讯速率100Mbps。下层各闸首左右两侧设置现地子站，且两侧子站的PLC互为热备连接，I／O模块采用双套配置，是一个可靠性很高的监控系统，平均无故障时间的分析计算值为2万h。

（9）巴拿马运河上的一座单级、一座二级连续式、一座三级连续式船闸，于1914年投产，船闸运行原采用十分庞大复杂的机械联锁式的操纵台，经近90年的长期运行后，正在进行机械及电控设备的换代改造，工作门的驱动启闭机改为液压式的，操作控制系统改为集散型（分布式）监控系统，上层集控站采用双PLC＋n×IPC，下层现地子站采用单PLC，上、下层间采用双光纤以太网联络，正在施工中。它与三峡五级连续式船闸的监控系统相似，不同的是其现地子站采用单PLC配置。

上述各座船闸几乎毫无例外地配置了工业电视监视系统和广播指挥调度系统，只是因船闸规模不同，其配置也不尽相同。加拿大韦兰运河船闸、三峡五级船闸等大型船闸，还配有大屏幕投影显示装置。

需要特别指出的是，国外同一航道上的梯级船闸的监控系统，一般都考虑与航道通航调度管理系统相结合，而且利用卫星地面定位技术对航道上的船舶进行信息采集和调度指挥，如加拿大韦兰运河船闸和巴拿马运河船闸。

近年来，国内部分船闸，如京杭大运河上的邵伯船闸等，开展了管控一体化的工作，把过闸收费和日常管理工作也纳入监控系统中。三峡水利枢纽设置了通航调度系统，如图3-95 所示，但都尚未采用卫星地面定位技术。

图3-95 三峡通航设施现场调度监控系统图

三峡水利枢纽通航管理机构分为3 层：三峡水利枢纽梯级调度（枢纽梯调中心）、三峡—葛洲坝通航总调度和通航现场调度。

三峡水利枢纽梯级调度中心，系三峡水利枢纽和葛洲坝水利枢纽的综合调度中心，其任务是采集梯级水情、枢纽发电及通航设施的运行数据和图像信息，并按上级调度指令对三峡水利枢纽的水库、发电和航运进行统一调度、协调和管理。

三峡—葛洲坝通航总调度的任务是接收梯调中心的指令，向通航现场调度下达调度指令，并将三峡水利枢纽的通航运行数据和图像信息上传至三峡梯级调度中心。

通航现场调度系统，主要负责三峡水利枢纽上、下游航道范围内的船舶过坝航行。作为调度命令的执行机构，接收通航总调度系统的调度指令，协调优化本枢纽内三线航道的运行；指挥本枢纽航道内的船舶按调度指定的航线行驶过坝；将调度指令下达给双线五级船闸和升船机的监控系统，编排过闸顺序计划；采集上、下游航道船舶运行的图像信息，以及双线五级船闸、升船机监控系统的运行数据及图像信息，并上传至通航总调度系统。