Северо-Двинская шлюзованная система: опыт реконструкции и автоматизации системы правления шлюзами

СЕВЕРО-ДВИНСКАЯ ШЛЮЗОВАННАЯ СИСТЕМА: ОПЫТ РЕКОНСТРУКЦИИ И АВТОМАТИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ПРАВЛЕНИЯ ШЛЮЗАМИ


Аннотация.
В статье представлены технологии реконструкции и автоматизации шлюза № 5 Северо-Двинской шлюзованной системы, который в 2017 г. отметил свое 100-летие. Показаны современные технические решения при реконструкции камеры, верхней и нижней головы шлюза. Детально показаны компоненты и возможности автоматизированной системы управления шлюзом, обоснованы выбор и преимущества электроцилиндра в качестве механизма привода верхних и нижних ворот. 
Ключевые слова: Северо-Двинская шлюзованная система, автоматизация судоходного шлюза, технологии реконструкции судоходного шлюза.

Северо-Двинская шлюзованная система (далее — СДШС), известная в истории как система герцога Вюртембергского, является важной транспортной артерией Вологодской области, пересекая ее с запада на восток перпендикулярно основным железнодорожным и автомобильным магистралям. СДШС соединяет Волго-Балтийский водный путь шлюзованным каналом через Кубенское озеро и р. Сухону с р. Северной Двиной. Она была открыта в 1828 г., общая длина составляет 127 км. В составе СДШС четыре гидроузла, которые включают 26 гидротехнических сооружений, из них шесть шлюзов (рис. 1).

Рис. 1. План СДШС    Рис. 2. Шлюз № 5 до реконструкции

В 2014 г., после внесения изменений в ФЦП «Развитие транспортной системы России (2010–2020 годы)», в подпрограмму «Внутренний водный транспорт» включили реконструкцию шлюзов №№ 2, 5 — последних на СДШС, которые остались не отремонтированными. В 2016 г. началась реконструкция шлюза № 5, построенного в 1917 г. и расположенного в деривационном канале в 44,7 км от р. Шексны.

После закрытия навигации 2016 г. начались работы по реконструкции шлюза — были отсыпаны верховая и низовая земляные перемычки, демонтированы конструкции старого шлюза, причем у лицевых стен камеры и устоев голов был разобран только один лицевой ряж.Шлюз однокамерный, деревянный, ряжевой конструкции с промежуточной головой, оборудован плоскими металлическими ригельными рабочими двухстворчатыми воротами (рис. 2). Полезная длина камеры шлюза составляет 155,4 м (длина 164,34 м, ширина 12,83 м), напор на сооружение 2,21 м. Глубина на стенке падения при НПУ — 2,75 м. С течением времени и в процессе эксплуатации промежуточная голова была демонтирована, неоднократно проводились ремонты деревянных и металлических конструкций.

Для улучшения условий эксплуатации, повышения надежности и долговечности сооружения, а также реализации импортозамещения в проекте реконструкции шлюза была предусмотрена модификация конструкций стен всех элементов шлюза из шпунтового ряда повышенной жесткости. Лицевые стены верхней головы шлюза (рис. 3) выполнены из стального шпунта Л5-УМ, усиленного двутавром Б40Ш1. Длина шпунта — 10 м. По периметру устоев головы, между шпунтовой стенкой возведена железобетонная стена толщиной 1,2 м с консолью под механизмы рабочих двустворчатых ворот (РДВ). Лицевая часть стены заанкерена металлическими тягами Ø 50 мм за опорный ряд из отдельно стоящих ж/б плит 1500×1500×300 мм. Шаг анкерных тяг составляет 1,5 м. Поверху шпунтовые сваи объединены между собой металлическим оголовком с леерным ограждением. Стенка падения и днище — бетонные. В стенке падения установлены закладные для стоек ремонтного заграждения. В начале и окончании головы забиты противофильтрационные стенки из шпунта GU-8N длиной 4,5 м. Стены камеры шлюза (рис. 4) устроены в виде комбинированной стенки из стального шпунта Л5-УМ, усиленного двутавром Б40Ш1, так называемой рюмочно-шпунтовой сваи (РШС) и шпунта Л5-УМ. РШС длиной 12 м располагаются с шагом 1 м, шпунтовые сваи Л5-УМ длиной 7 м располагаются между РШС также с шагом 1 м. Поверху шпунтовые сваи объединены между собой металлическим оголовком с леерным ограждением. Отбойные устройства выполнены из сегмента ¼ трубы Ø 920×10, заполненного бетоном, и установлены с шагом 10 м. Днище камеры выполнено из камня фр. 70÷250, засыпанного между ребрами ж/б распорки, уложенной на подстилающий слой гранитного щебня фр. 20÷40.

Рис. 3. Реконструкция верхней головы шлюза   Рис. 4. Реконструкция камеры шлюза   Рис. 5. Пульт управления шлюза № 5 в диспетчерской

Нижняя голова шлюза выполнена по типу верхней головы, но без стенки падения. В днище нижней головы также установлены закладные для стоек ремонтного заграждения. Палы — лицевая стенка устроена в виде комбинированной стенки из РШС длиной 10 м и шпунта Л5-УМ длиной 7 м. Лицевой ряд правой палы нижней головы заанкерен металлическими тягами Ø 20 за ж/б анкерные плиты. Поверху шпунтовые сваи объединены между собой металлическим оголовком с леерным ограждением. На конце пал устроены торцевые открылки длиной 5,5 м с углом поворота 90°. Палы имеют криволинейное очертание в плане. Обратная засыпка выполнена песчаным грунтом. Длина верхних пал: левой — 53 м, правой — 39 м. Длина нижних пал: левой — 38 м, правой — 38 м. Все металлические наружные поверхности очищены кварцевым песком и окрашены примплатиной.

Автоматизированную систему управления (АСУ) приводами ворот и клинкетов с технологическим видеонаблюдением выполнило ООО «Нэкст Технолоджис» (г. Череповец). Работы по автоматизации систем управления гидротехническими сооружениями на объектах СДШС были начаты еще в 2012 г., за прошедший период реализованы три проекта АСУ на шлюзах №№ 3, 5 и 6, в 2017 г. начаты работы на шлюзе № 4. Компания «Нэкст Технолоджис» выполнила весь комплекс работ: проектирование, производство, поставку, сборно-монтажные и пуско-наладочные работы. В результате на указанных шлюзах были установлены автоматизированные системы управления приводами ворот и приводами клинкет, системы технологического видеонаблюдения.

Аппаратно-программный комплекс (АПК) предназначен для автоматизированного управления воротами шлюза при процессе судопропуска через шлюз, включающий: контроль корректности выполнения операций по управлению рабочими механизмами ворот, регистрацию хода технологического процесса, диагностику неисправностей, контроль метео- и гидрологических параметров и формирование информации для составления отчета внештатных и аварийных ситуаций.

Целями установки АСУ являются:
• реализация автоматического режима работы шлюза;
• увеличение скорости судопропуска;
• повышение безопасности технологического процесса судопропуска;
• достижение аппаратной, информационной и программной совместимости системы управления технологическими процессами шлюзования с устройствами управления электросиловым оборудованием;
• замена старых контакторных схем на автоматизированную микропроцессорную систему управления;
• установка современных цифровых датчиков;
• увеличение надежности системы управления за счет использования резервированных схем, создания расширенной диагностической подсистемы и блочно-модульного построения АСУ;
• увеличение срока службы механизмов (гидравлики, механических частей привода, уплотнений, затворов и ворот) за счет обеспечения плавности и защищенности работы привода и автоматизированной диагностики состояния механизмов;
• сведение к минимуму влияния «человеческого фактора»;
• подготовка базы для внедрения систем удаленного мониторинга состояния шлюза с центральной диспетчерской бассейнового управления;
• улучшение условий труда оперативного персонала;
• снижение затрат на потребляемые ресурсы;
• обеспечение функций защиты оборудования шлюза за счет блокировочных функций в предаварийных ситуациях.

1. АСУ имеет иерархическую функциональную структуру:
Уровень датчиков, измерительных приборов и исполнительных устройств, обеспечивающих:
• формирование достоверной информации о состоянии технологических параметров судопропуска и состоянии внутренних элементов АСУ;
• выдачу информации об исправности датчиков и измерительных средств в ПВС второго уровня;
• коммутацию силового напряжения, коммутацию и преобразование параметров силового напряжения;
• выдачу информации об исправности, готовности и состоянии электроприводов электродвигателей, контакторов и пускателей в ПВС второго уровня.

2. Уровень программно-вычислительных средств (ПВС), который обеспечивает:
• прием сигналов от датчиков и измерительных приборов;
• выполнение программы управления исполнительными механизмами шлюза;
• контроль и анализ блокировок технологической безопасности;
• прием управляющих команд от ПВС третьего уровня;
• выдачу управляющих команд на исполнительные устройства первого уровня;
• организацию работы местных пультов управления.

3. Пульт управления АСУ центральной диспетчерской службы (ПУ ЦДС, рис. 5). На шлюзах СДШС выполнен в виде одного рабочего места. Средствами отображения и управления являются жидкокристаллические сенсорные панели с диагональю не менее 10’. Пульт управления выполняет
следующие функции:
• прием команд от оператора;
• визуализация хода технологического процесса судопропуска, технологического состояния шлюза, работы исполнительных механизмов;
• визуализация заданных режимов работы АСУ, обобщенного состояния исправности и готовности аппаратуры АСУ;
• индикация состояния и параметров работы исполнительных механизмов, предупредительных и аварийных сообщений;
• индикация показаний датчиков и измерительных средств, непосредственно не связанных с работой исполнительных механизмов шлюза.

На постах верхней и нижней головы установлено соответствующее локальное оборудование — уровень ПВС. Управление судопропуском также можно вести и отсюда. Установлены локальная сенсорная панель, органы ручного управления, светосигнальная арматура.

Рис. 6. Часть АСУ в пункте управления шлюзом   Рис. 7. Электромеханический привод двустворчатых ворот шлюза № 5   Рис. 8. Шлюз № 5 после реконструкции

На всех приводах (клинкеты, створки) в составе шкафов управления используются преобразователи частоты, что позволяет не только регулировать скорость закрытия/открытия, но и обеспечить плавный пуск/останов, продлить срок службы механизмов, исключить броски напряжения в сети. Дополнительно отслеживается ток потребления исполнительным механизмом, и своевременно обнаруживаются аварии по перегрузкам (например, попадание бревна под створку или в клинкет).

Самой сложной в автоматических системах является задача управления синхронным перемещением створок шлюза. Если при открытии створок точность синхронного перемещения не важна, то на момент их закрытия необходимо четко контролировать и управлять этим процессом, иначе створки может заклинить. Открытие и закрытие ворот может осуществляться с разной скоростью. Возможность изменения скорости вращения в широком диапазоне за счет частотного управления электроприводами позволяет регулировать скорость перемещения ворот в целом, а также регулировать перекос. На момент начала процесса закрытия скорость плавно нарастает до максимального значения. При приближении створок скорость медленно начинает снижаться и на момент смыкания створок составляет не более 0,2 м в минуту.

Начиная с реконструкции шлюза № 6 в 2015 г., на приводы клинкет устанавливаются однооборотные механизмы (МЭО). В сочетании с частотным приводом это позволило добиться более полной информации о положении створки клинкета, а также снизить риски поломки привода при заклинивании створки клинкета путем отслеживания значений токов перегрузки. В дальнейшем, уже при реконструкции шлюза № 5, в конструкцию МЭО была включена дополнительная механическая блокировка по усилию на валу для исключения поломок привода при попадании посторонних предметов в створку клинкета.

На шлюзе № 5 впервые были использованы электромеханические цилиндры для управления створками (рис. 7). Компания-подрядчик на АСУ — единственная организация в РФ и СНГ, которая имеет опыт автоматизации судоходного шлюза с применением специализированных электромеханических цилиндров. Одни из достоинств данного оборудования — большой запас прочности и возможность точно отслеживать положение створки, что обеспечивает встроенный датчик положения штока. Механизм привода верхних и нижних ворот шлюза — электроцилиндр ЕМLA-100-2300. Рассчитан на усилие 10 т, датчик ограничения усилия, расположенный внутри электроцилиндра, отрегулирован на усилие 3 т, также внутри имеются датчики концевых выключателей. Точность выдвижения штока 0,1 мм. Также предусмотрен ручной привод открытия ворот.

При установке электромеханических цилиндров необходимо учесть такие важные моменты, как: места присоединения рабочего штока к створке; длина рабочего хода должна быть сопоставима с длиной створки.

Работы по монтажу электромеханических цилиндров на шлюзе № 5, подключение к системе и точная настройка работы приводов были выполнены за 7 календарных дней!

5 мая 2017 г. с открытием навигации шлюз начал пропуск судов в автоматизированном режиме (рис. 8).

Журнал "Гидротехника", 4 (49) / 2017

Добавить комментарий