沈陸垚+馮小桃+李佳鵬+沈洋+梁增輝

摘 要 為提高船閘的運行效率、降低成本，設(shè)計一種新型的船閘。與傳統(tǒng)船閘相比，該船閘設(shè)計改進(jìn)主要包括以下2個方面：一是閘門結(jié)構(gòu)，上下閘首的工作閘門采用下臥式浮體閘門，閘門的底端通過鉸安裝在水下底板上，組成一個可以繞鉸旋轉(zhuǎn)的下臥式閘門。在閘門的面板上安裝氣囊，利用氣泵對氣囊進(jìn)行充排氣實現(xiàn)閘門啟閉。二是智能控制，借鑒高速公路ETC技術(shù)和水位感應(yīng)技術(shù)，將其結(jié)合運用到船閘的PLC控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)對船閘的智能控制。

關(guān)鍵詞 船閘；下臥式浮體；智能控制；水位感應(yīng)；運行管理

中圖分類號 U66 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）163-0184-02

1 設(shè)計思路

該智能控制船閘以下臥式浮體閘門為上下閘首的工作閘門，閘門的底端通過鉸安裝在水下底板上，組成一個可以繞鉸旋轉(zhuǎn)的下臥式閘門。在閘門的面板上裝置氣囊，利用氣泵對氣囊進(jìn)行充排氣，實現(xiàn)閘門的啟閉。同時將電磁信號感應(yīng)技術(shù)與PLC編程控制系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)對船閘的智能控制。以自動控制系統(tǒng)取代人工指揮調(diào)度，從而解決船閘通航效率低下，現(xiàn)場人員安排不合理等問題，有效地提高通航效率。

2 閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 閘門形式設(shè)計

閘門擬用平面鋼閘門，其底端通過鉸安裝在底板上，組成一個可以繞鉸旋轉(zhuǎn)的下臥式閘門。在閘門面板上游側(cè)裝置氣囊，利用氣泵對氣囊進(jìn)行充氣和排氣。底止水用條形橡皮，側(cè)面用橡皮止水。

2.2 氣囊設(shè)計

2.2.1 材料的選用

借用橡膠壩實際工程經(jīng)驗，可選取與橡膠壩壩體膠層類似的材料。其中膠層分為外層、中層、內(nèi)層橡膠。由于河流中漂浮物較多，外層橡膠應(yīng)具有耐磨損，耐日照，耐熱，耐臭氧等性能。內(nèi)層橡膠應(yīng)具有較高的水密性和氣密性。中層橡膠對兩層材料起連接作用，應(yīng)具有較好的粘合性。

2.2.2 外形尺寸擬定

將充脹后的氣囊分成3部分，如圖1所示。上側(cè)氣囊曲面線段長度S，下側(cè)氣囊曲線段長度S1及貼板段長度D。借鑒充氣式橡膠壩壩袋計算方法，取設(shè)計氣囊高4m，分別對應(yīng)：D=6m，S=6.28m，S1=7.51m。

2.2.3 囊袋徑向強度計算

即袋壁拉力（T）計算。袋內(nèi)充氣的內(nèi)壓P0正比于壩高H，氣囊袋拉力T，計算公式為：？

2）壓板的設(shè)計。為使壓板在應(yīng)用中有足夠的強度，壓板宜采用16槽鋼（160mm 64mm 5mm××）的形式。螺栓壓板錨固的施工長度為1m，且在槽鋼內(nèi)每隔兩個螺栓孔焊一塊加強肋板，厚度為10mm，頂部與槽鋼頂齊以增強壓板的整體剛性。

2.3 氣囊充氣排氣系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)調(diào)查，充氣氣囊內(nèi)外壓比選取范圍為0.75～1.10，本設(shè)計選取1.0。本設(shè)計采用動力式充排方式，用空氣機將壓縮空氣充進(jìn)氣囊袋，并通過排氣閥調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)氣壓。

管線布置：充脹和排空管采用合并布置形式，充氣管路從起源開始，經(jīng)穿過閘門進(jìn)入氣囊袋內(nèi)，排氣時袋內(nèi)氣體經(jīng)原充氣管排放。充氣管道宜采用無縫鋼管，其中在閘門與底板間起連接作用的管道應(yīng)考慮采用具有塑性變形能力的軟管。同時宜設(shè)置壓力表檢測袋內(nèi)壓力，當(dāng)壓力超過設(shè)計時，即停止充氣，并適量排氣減壓，以防氣囊袋超壓破壞。

2.4 閘門啟閉力計算（摩擦力忽略）

2.4.1 閘門關(guān)閉過程

閘門重：

3 船閘智能系統(tǒng)設(shè)計

3.1 自動排隊及收費系統(tǒng)設(shè)計

在船舶上安裝有源電子標(biāo)簽，標(biāo)簽中記錄有船舶信息，在排隊的同時方便船閘管理方獲取船舶信息。為防止挪用，采取特殊措施，實現(xiàn)防拆卸要求，射頻設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)串口RS232/485接口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)與后臺鏈接，這樣，安裝了電子標(biāo)簽的船舶通過航道時就會在遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)被閱讀器識別和讀取數(shù)據(jù)，上位機對讀取過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理應(yīng)用于排隊系統(tǒng)中。同時，采用ETC自動扣費取代傳統(tǒng)的人工收費方式，將射頻信號輸出端接入PLC編程控制器中。當(dāng)船舶（隊）過閘時，發(fā)出過閘的請求信號，系統(tǒng)自動讀取過閘船舶（隊）的信息（包括船型、船長、船寬、設(shè)計載重量以及設(shè)計吃水等），計算機終端對讀取的信息進(jìn)行整理。

3.2 閘門自動啟閉設(shè)計

利用閘室及上下游引航道各放置的磁浮子自動跟蹤檢測水位，當(dāng)系統(tǒng)收到船舶過閘的請求信號后，若磁浮對子不接通（即閘門內(nèi)外水位不齊平）則系統(tǒng)控制相應(yīng)輸水廊道的電磁水閥自動開啟，待水位齊平后磁浮對子接通，水閥關(guān)閉。PLC控制器輸出控制充氣泵及輸氣管道電磁閥對閘門氣囊充放氣（即啟閉閘門）。

以船舶上行為例，給出請求信號后，磁浮子跟蹤水位，若閘室水位與下游水位不齊平則輸水廊道電磁閥開啟，待水位齊平時磁浮對子接通，輸水廊道電磁閥關(guān)閉同時充氣泵及輸氣管道電磁閥開啟，氣泵開始向氣囊內(nèi)充氣，閘門的關(guān)閉流程同上。

3.3 通行（禁行）信號燈設(shè)計

通行信號燈選用綠色LED燈，禁行信號燈選用紅色LED燈。結(jié)合下臥式浮體閘門的啟閉特點，設(shè)置有閘門開啟位及關(guān)閉位位置開關(guān)一對。根據(jù)控制流程，閘門關(guān)閉時關(guān)閉位置開關(guān)接通，信號燈電路接通，紅色LED燈亮起，船舶禁止通行。閘門開啟位置開關(guān)接通，綠色LED燈亮起，船舶可以通行。

3.4 自動控制管理系統(tǒng)設(shè)計

采用三菱PLC？FX1N-60MR-001可編程控制器，針對船閘的工作流程設(shè)計出相應(yīng)的控制信號和控制的點位作為編程控制器的輸入或輸出端，實現(xiàn)對船閘整體自動控制和管理的設(shè)計功能。

控制步序：以船舶上行為例：船舶行至船閘下閘門附近時，發(fā)出上行請求信號，系統(tǒng)接受信號開始檢測下閘首兩側(cè)水位。如果閘室的水位高于下游水位，則輸水廊道開始輸水。至水位齊平時，下閘氣囊放氣實現(xiàn)閘門開啟。當(dāng)下閘開啟到位時，信號提示船舶可以進(jìn)入閘室。船停靠穩(wěn)定后給出進(jìn)船完畢信號，下閘門氣囊充氣實現(xiàn)閘門關(guān)閉。當(dāng)下閘關(guān)閉到位時，上閘首充水廊道開始輸水，同時系統(tǒng)開始檢測上閘首兩側(cè)水位。至上閘首兩側(cè)水位齊平時，上閘門氣囊放氣，實現(xiàn)閘門開啟。上閘門開啟到位時，信號提示船只駛出閘室進(jìn)入上游河道。此時，根據(jù)船只情況，進(jìn)行船只下行步序或關(guān)閉上閘門進(jìn)入船閘空閑等待。

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