浅析水力式升船机同步轴扭矩测量系统

浅析水力式升船机同步轴扭矩测量系统

故障处理

袁现永 , 廖丹 ，尹锟

（华能澜沧江水电股份有限公司景洪水电厂，云南省景洪市  666100）

摘要：景洪电厂水力式升船机作为世界首创和中国原创的通航建筑物，使用钢丝绳通过多个卷筒形成吊点，并与承船厢相联后利用水的势能与机械能之间的转化，驱动浮筒进行升降动作从而带动承船厢升降运行。为保证卷筒之间转动的同步与承船厢的平稳运行，在各个卷筒之间布置同步轴系统。当承船厢发生倾斜时，将会对卷筒内部转矩产生影响，各个卷筒之间便会出现转矩差。而位于卷筒之间的同步轴系统利用自身刚度以抗衡转矩差，使卷筒不至于发生相对转动，从而保持各个卷筒之间的同步运动，使承船厢平稳运行。本文主要通过对景洪电站水力式升船机同步轴扭矩测量系统故障进行研究分析，制定处理措施，确保同步轴系统运行可靠、稳定，保障升船机通航安全。

关键词：升船机；同步轴扭矩；应变传感器；超限停机

0 引言

景洪水力式升船机试通航至今极大促进我国与东南亚各国的内河航运与沿岸经济发展。但在船舶通航过程中，由于同步轴扭矩测量系统故障，导致船舶过坝时间增长的问题时有发生。为提升同步轴扭矩测量系统稳定性和可靠性，下面就同步轴扭矩测量故障处理过程进行研究分析。

1 同步轴扭矩系统控制原理

同步轴扭矩系统主要由应变传感器、应变仪、无线发射模块、无线接收模块、数据处理预警系统等组成。同步轴系统监测点处的应力传感器捕捉承受的扭力，输出的差动微电压信号通过感应线圈发射无线数据信号；无线拾取感应器接收无线数据信号传输给调制解调模块，进行调制为标准的4-20mA电流输出，电流信号经过PLC系统运算后输出扭矩数据，当扭矩数据超过停机值后，升船机控制系统发出紧急停机令，快速落下上游事故门和下游事故门，并关闭充水阀和泄水阀。

2 同步轴扭矩系统故障分析

检查发现同步轴扭矩系统采集扭矩仪上送电流输出信号，由模拟量扩展模块一分为二后分别送至现地控制柜和上位机控制系统，但在现地数据显示正常情况下，上位机控制系统部分扭矩值超标过停机值，造成误落下上、下游事故门。

针对存在数据不一致的扭矩仪，对信号扩展模块输入、输出电流进行测量，判断是否由于信号扩展模块出现偏移误差或故障导致其送出的两路电流信号出现偏差，经过比对，排除测量精度和误差影响，扭矩仪输出电流和送至同步轴扭矩检测系统现地控制柜和上位机电流基本一致，需对PLC运算程序进行检查。

经检查同步轴扭矩现地控制柜运算公式为扭矩值=±{（模拟量电流-12）*（电流&扭矩系数）}＋零点漂移。其中±取决于扭矩仪贴片电流固有方向），电流&扭矩系数为各扭矩传感器出厂自带系数，零点漂移为投运时根据同步轴松轴后扭矩数据偏差值，采用零点漂移值来校正偏差。各扭矩仪电流&扭矩系数、零点漂移和正负改变如表1所示：

表1：各扭矩仪参数和漂移校正值

经过对同步轴扭矩现地控制柜电流使用运算公式计算并进行零点校正后各计算值和现地控制柜显示值一致。判断同步轴扭矩现地控制柜扭矩值显示正常。对送至上位机PLC控制程序运算公式进行检查，计算公式为扭矩值=±(模拟量电流对应码值-5000.0)/625.0*（电流-扭矩系数）﹢零点漂移值。计算公式和现地控制柜扭矩计算公式实际上是完全相同，都是12mA对应的0扭矩，只不过程序中模拟量电流4-20mA对应量程为0-10000，需将模拟量变换为码值进行换算。

对照程序检查扭矩仪的电流-扭矩系数、电流方向和零点校正值进行检查发现部分扭矩运算公式中对电流方向使用错误导致数据不一致，对控制程序进行完善后数据不一致问题得以解决。

3 同步轴扭矩超标分析处理

由于升船机采用同步轴系统，从系统原理根本分析，不应出现单一测点实测值与相邻测点之间偏差太大的情形。故排除实际同步轴中真实存在过大扭矩的可能，初步判断测点出现零点漂移，造成实测值与真实值的偏差较大，使得升船机系统由于扭矩超出阈值导致紧急停机开出。零点漂移信号在电路间传递，经过多级放大形成较大信号，部分漂移信号会与有效信号混杂，导致有效信号难以分辨。因此，必须找出零点漂移的原因和抑制零点漂移的方法。 

图1：升船机上行过程同步轴实测数据

首先检查扭矩监测系统数据实时显示界面中扭矩实时监测值是否状态正常。通过检查，发现部分扭矩检测仪同步轴测点实测数值偏大，超出正常变化范围，甚至有时会超出阈值而发生超限报警。其余测点实测值正常，位于正常变化范围之内。

对故障测点经过观察检测、电流表测量、实测值计算并与理论值对比，发现7号监测系统由于遥测系统长时间运行，出现安装部件机械部件移动，无线通信出现不稳定的情况，导致数据传输故障，对固定环进行了恢复，使其重新回到正常位置。恢复后数值符合升船机基本结构所决定的正常运行情况下扭矩变化范围，为避免相同问题在其余测点上出现，对剩余13个测点的固定环进行了检查和紧固。

而3号扭矩监测点初步怀疑是应变片老化或者凝固胶出现问题，导致应变片采集数据发生较大偏移。需进行应变传感器更换处理，在同步轴上重新布置了应变传感器，并对应变传感器进行了精度系数的标定后恢复正常。

安装完毕后使用万用表检查供电连接与信号连接无误后，对PLC程序进行升级修改，并调试新测点所需的电流-扭矩值处理转换程序。由于PLC系统完成电流-扭矩值转化后获取的扭矩值将基于MODBUS-TCP协议通过网线与工控机进行通信，随后工控机中安装的专用LabView程序进行终界面显示。对专用的LabView程序进行升级迭代，监测系统数据稳定性。确认程序运行无误并可正确获取扭矩值后，即完成对扭矩监测系统的维护处理。

4 结语

针对升船机同步轴扭矩测量系统存在的问题，进行全面分析，并针对控制程序错误、固定环松动、应变传感器故障灯问题提出解决措施并付诸实施，均达到预期的效果，升船机同步轴扭矩控制系统运行更加安全稳定，不仅有效避免了由于扭矩超限引发急停落门的隐患，同时使同步轴扭矩测量的准确性和可靠性大大提升，提高升船机过船效率，节省了更多的人力成本，保障了升船机控制系统的安全平稳运行。

参考文献

【1】吴哲.水力升船机同步轴扭矩检测的研究.机电产品开发与创新【J】，2017，04期：

【2】景洪水电厂.《升船机运行规程》.2023

作者简介

袁现永（1989.11-），男，河南省南乐县，本科，工程师，从事于自动控制系统研究，现工作于华能澜沧江水电股份有限公司景洪水电厂、云南省景洪市澜沧江路18号景洪水电厂、666100、手机号码：13887937578

廖丹（1988.07-），男，四川省宣汉县，本科，工程师，从事于水电厂运行维护，现工作于华能澜沧江水电股份有限公司景洪水电厂、云南省景洪市澜沧江路18号景洪水电厂、666100、手机号码：18187881440

尹  锟（1972.04-），男，云南省云县，本科，工程师，从事于自动控制系统研究，现工作于华能澜沧江水电股份有限公司景洪水电厂、云南省景洪市澜沧江路18号景洪水电厂、666100、手机号码：13988121532