内蒙古自治区特种设备检验院内蒙古呼和浩特010031
摘要：升船机作为一种升降载人载物船舶的大型复杂系统，保证其安全、可靠运行至关重要。水力式升船机作为一种崭新驱动形式的升船机，具有设备种类多、布置分散、控制流程复杂、检测信号多等特点。本文将重点分析水力式升船机的电气控制系统应该关注的安全防护点，通过对这些防护点采取安全措施确保控制水力式升船机系统各部分设备按照正确的工艺流程安全运行，防止各类非正常工况出现。
关键词：水力式升船机；安全防护；控制系统
1水力式升船机及电气控制系统组成
水力式升船机主要由充泄水系统、承船厢系统、上闸首系统、同步轴系统、制动系统及钢丝绳连接系统等组成，主要设备组成及布置在文献中有详细介绍。由于水力式升船机设备布置分散，控制对象多、控制工艺复杂，其电气控制系统采用分层分布式结构，即分为现地控制层和计算机主控层。计算机主控层采用100Mbps冗余光纤双环以太网设计，主控层操作员工作站、数据服务器、工程师工作站、通讯服务器等主要设备及4个现地LCU子站均接入光纤双环网。各子站通过MB+网络连接各设备控制单元。确保水力式升船机能够按照预先设计的运行工况、控制流程、事故判断及处理方案运行是升船机电气控制系统设计必须首先考虑的问题。本文根据升船机电气控制系统组成，给出主控层、现地控制子站和设备控制单元在设计中应分别考虑的安全防护重点。
2主控层的安全防护
水力式升船机计算机监控系统主控层安全防护点主要集中在供电电源、监控网络、监控软件及运行数据等方面。
2.1供电电源
为了保证主控设备用电安全，配置两组冗余的、互为备用的不间断电源（UPS），两台UPS的直流输入电源分别从升船机双母线直流系统两段母线上获得，交流输入来自两路升船机厂用交流电源。主控层的操作员工作站、工程师工作站、数据服务器、网络服务器和视频服务器等主要设备的电源均来自UPS。网络交换机等需要DC24V电源的设备用电来自两块冗余热备的开关电源，开关电源输入端用电分别取自UPS输出和升船机直流系统。同时，中控室主控制台已经与计算机系统专用接地网连接。在中控室配电柜内设置有电源防雷装置，有效地防止了雷电的侵入.
2.2监控网络
按照水力发电厂计算机监控系统设计规范及2005年2月1日实施的《电力二次系统安全防护规定》（电监会5号令）的相关规定，控制网络应坚持“安全分离、网络专用、横向隔离、纵向认证”的原则，并加强在连接、组网、配置、设备选择及升级、数据和应急等方面的管理。水力式升船机计算机监控网络为升船机专用双环冗余网络，如果要实现升船机运行信息的上送或接收航运调度部门的信息，可在升船机网络服务器网络端增设硬件防火墙，以起到横向隔离的目的。在运行及系统升级中加强网络安全管理，通过网络管理软件对各交换机网络端口进行绑定和权限设置。
2.3监控软件
水力式升船机监控软件采用模块化结构，能够方便扩展或修改，当系统硬件升级时，软件也能方便地移植。监控软件的安全防护重点主要有用户管理、控制方式闭锁和互锁、设备动作顺序闭锁和超时保护等。（1）用户管理根据权限不同将用户分为四个等级，权限从低到高分别为来宾用户、操作员用户、工程师用户和管理员用户。（2）控制方式计算机监控系统控制方式分为全自动和单步两种方式，在全自动控制方式下，计算机监控系统控制升船机按照事先设定的运行流程进行，只需操作员对船只进厢到位、船只出厢完毕等关键点的确认。而在单步方式下，升船机运行的每一步动作都需要操作员发命令进行操作，但各命令之间按照升船机运行流程进行了闭锁，违反正常流程的操作将不予执行，同时给出警告提示窗。（3）运行工况水力式升船机有有船上行、有船下行、无船上行、无船下行、首次去上对接位、首次去下对接位和下班停运等七种运行工况。有船上行、有船下行、无船上行和无船下行四种工况只允许一种工况出现，彼此之间互锁；首次去上游对接位和首次去下游对接位两种工况为上班后首次运行工况，彼此之间互锁。（4）操作命令在全自动控制方式下，设备动作顺序由现地子站进行控制，上位系统只能对下发命令进行相关安全保护。例如，进行运行工况的相互闭锁、允许上行与允许下行之间的判断和闭锁、进厢到位和出厢完毕命令的再次确认等。在单步控制方式下，单步上行、单步下行等命令窗口在显示屏上位于同一区域，实现自动闭锁。
2.4运行数据
水力式升船机运行数据通过两台操作员工作站分别存储到两台数据服务器上，操作员工作站与数据服务器均冗余配置。通过操作员工作站可以以实时曲线、状态显示等方式查看升船机设备实时状态，升船机运行历史数据通过I/O服务软件存储到数据服务器，数据服务器登录及数据查询均需要通过数据管理员授权后方可进行，未经授权用户无法登录数据服务器及数据库。
3现地子站的安全防护
水力式升船机现地子站包括驱动LCU子站、承船厢LCU子站、上闸首LCU子站和公用LCU子站，实现升船机运行数据采集与解析、设备状态判断、现地顺序流程控制及安全保护等功能。因为公用LCU子站只监测，不参与升船机设备控制，在此只对驱动、承船厢和上闸首三个主要子站的安全防护点进行讨论。
3.1驱动LCU子站
驱动LCU子站是水力式升船机现地控制子站中最核心的一个子站，负责对升船机运行流程、制动器、充水阀门、泄水阀门、上游快速事故门、下游快速事故门、交通信号灯的控制以及根据运行流程对其他子站发出相应动作命令等。驱动LCU子站运行流程安全保护主要包括：子站控制方式互锁、子站准备好条件判断、上位命令的正确性判断与执行、检测信号的数据融合与正确处理、异常情况的自动控制及保护处理等。上游快速事故门、充水阀门、泄水阀门、下游快速事故门和制动器系统是水力式升船机的核心控制设备。安全防护重点主要有事故门、制动器、浮筒锁定等设备状态与开启充、泄水阀门之间的关系闭锁，充水阀门和泄水阀门之间的开启互锁，充泄水阀门和制动器等主要设备出现异常情况时的自动控制流程处理等。
3.2承船厢LCU子站
承船厢LCU子站安全保护内容包括承船厢空压密封装置、上游卧倒门、上游防撞梁、下游防撞梁、下游卧倒门、顶紧装置、夹紧装置等设备动作条件判断，设备动作顺序闭锁、动作一致性的检测与控制、动作超时报警处理等。同时，承船厢LCU子站还需对承船厢水平度、入水深度、厢内水深等信号的安全判断及处理等。
结束语：
通过对水力式升船机运行流程中的安全防护点进行系统排查，根据其重要性进行分类，并确定防护措施。将防护措施逐一落实到水力式升船机电气控制系统的硬件设计和软件设计中，为升船机的安全运行起到保驾护航的作用。该设计方案已应用于景洪水电站水力式升船机的电气控制系统中，经过升船机分系统和无水联合调试，得到成功验证。
参考文献：
[1]刘金堂，曹以南，凌云等.景洪水力式升船机设计研究[J].水力发电，2008，34，（4）：43-45.
[2]DL/T5065-2009，水力发电厂计算机监控系统设计规范[S].
[3]电监会5号令.电力二次系统安全防护规定[S].