基于气压传动的新型智能控制闸门

沈陆垚+冯小桃+李佳鹏+沈洋+梁增辉

摘 要 为提高船闸的运行效率、降低成本，设计一种新型的船闸。与传统船闸相比，该船闸设计改进主要包括以下2个方面：一是闸门结构，上下闸首的工作闸门采用下卧式浮体闸门，闸门的底端通过铰安装在水下底板上，组成一个可以绕铰旋转的下卧式闸门。在闸门的面板上安装气囊，利用气泵对气囊进行充排气实现闸门启闭。二是智能控制，借鉴高速公路ETC技术和水位感应技术，将其结合运用到船闸的PLC控制系统中，实现对船闸的智能控制。

关键词 船闸；下卧式浮体；智能控制；水位感应；运行管理

中图分类号 U66 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）163-0184-02

1 设计思路

该智能控制船闸以下卧式浮体闸门为上下闸首的工作闸门，闸门的底端通过铰安装在水下底板上，组成一个可以绕铰旋转的下卧式闸门。在闸门的面板上装置气囊，利用气泵对气囊进行充排气，实现闸门的启闭。同时将电磁信号感应技术与PLC编程控制系统相结合，实现对船闸的智能控制。以自动控制系统取代人工指挥调度，从而解决船闸通航效率低下，现场人员安排不合理等问题，有效地提高通航效率。

2 闸门结构设计

2.1 闸门形式设计

闸门拟用平面钢闸门，其底端通过铰安装在底板上，组成一个可以绕铰旋转的下卧式闸门。在闸门面板上游侧装置气囊，利用气泵对气囊进行充气和排气。底止水用条形橡皮，侧面用橡皮止水。

2.2 气囊设计

2.2.1 材料的选用

借用橡胶坝实际工程经验，可选取与橡胶坝坝体胶层类似的材料。其中胶层分为外层、中层、内层橡胶。由于河流中漂浮物较多，外层橡胶应具有耐磨损，耐日照，耐热，耐臭氧等性能。内层橡胶应具有较高的水密性和气密性。中层橡胶对两层材料起连接作用，应具有较好的粘合性。

2.2.2 外形尺寸拟定

将充胀后的气囊分成3部分，如图1所示。上侧气囊曲面线段长度S，下侧气囊曲线段长度S1及贴板段长度D。借鉴充气式橡胶坝坝袋计算方法，取设计气囊高4m，分别对应：D=6m，S=6.28m，S1=7.51m。

2.2.3 囊袋径向强度计算

即袋壁拉力（T）计算。袋内充气的内压P0正比于坝高H，气囊袋拉力T，计算公式为：？

2）压板的设计。为使压板在应用中有足够的强度，压板宜采用16槽钢（160mm 64mm 5mm××）的形式。螺栓压板锚固的施工长度为1m，且在槽钢内每隔两个螺栓孔焊一块加强肋板，厚度为10mm，顶部与槽钢顶齐以增强压板的整体刚性。

2.3 气囊充气排气系统设计

根据调查，充气气囊内外压比选取范围为0.75～1.10，本设计选取1.0。本设计采用动力式充排方式，用空气机将压缩空气充进气囊袋，并通过排气阀调节气囊内气压。

管线布置：充胀和排空管采用合并布置形式，充气管路从起源开始，经穿过闸门进入气囊袋内，排气时袋内气体经原充气管排放。充气管道宜采用无缝钢管，其中在闸门与底板间起连接作用的管道应考虑采用具有塑性变形能力的软管。同时宜设置压力表检测袋内压力，当压力超过设计时，即停止充气，并适量排气减压，以防气囊袋超压破坏。

2.4 闸门启闭力计算（摩擦力忽略）

2.4.1 闸门关闭过程

闸门重：

3 船闸智能系统设计

3.1 自动排队及收费系统设计

在船舶上安装有源电子标签，标签中记录有船舶信息，在排队的同时方便船闸管理方获取船舶信息。为防止挪用，采取特殊措施，实现防拆卸要求，射频设备通过标准串口RS232/485接口转以太网与后台链接，这样，安装了电子标签的船舶通过航道时就会在远距离范围内被阅读器识别和读取数据，上位机对读取过来的数据进行分析处理应用于排队系统中。同时，采用ETC自动扣费取代传统的人工收费方式，将射频信号输出端接入PLC编程控制器中。当船舶（队）过闸时，发出过闸的请求信号，系统自动读取过闸船舶（队）的信息（包括船型、船长、船宽、设计载重量以及设计吃水等），计算机终端对读取的信息进行整理。

3.2 闸门自动启闭设计

利用闸室及上下游引航道各放置的磁浮子自动跟踪检测水位，当系统收到船舶过闸的请求信号后，若磁浮对子不接通（即闸门内外水位不齐平）则系统控制相应输水廊道的电磁水阀自动开启，待水位齐平后磁浮对子接通，水阀关闭。PLC控制器输出控制充气泵及输气管道电磁阀对闸门气囊充放气（即启闭闸门）。

以船舶上行为例，给出请求信号后，磁浮子跟踪水位，若闸室水位与下游水位不齐平则输水廊道电磁阀开启，待水位齐平时磁浮对子接通，输水廊道电磁阀关闭同时充气泵及输气管道电磁阀开启，气泵开始向气囊内充气，闸门的关闭流程同上。

3.3 通行（禁行）信号灯设计

通行信号灯选用绿色LED灯，禁行信号灯选用红色LED灯。结合下卧式浮体闸门的启闭特点，设置有闸门开启位及关闭位位置开关一对。根据控制流程，闸门关闭时关闭位置开关接通，信号灯电路接通，红色LED灯亮起，船舶禁止通行。闸门开启位置开关接通，绿色LED灯亮起，船舶可以通行。

3.4 自动控制管理系统设计

采用三菱PLC？FX1N-60MR-001可编程控制器，针对船闸的工作流程设计出相应的控制信号和控制的点位作为编程控制器的输入或输出端，实现对船闸整体自动控制和管理的设计功能。

控制步序：以船舶上行为例：船舶行至船闸下闸门附近时，发出上行请求信号，系统接受信号开始检测下闸首两侧水位。如果闸室的水位高于下游水位，则输水廊道开始输水。至水位齐平时，下闸气囊放气实现闸门开启。当下闸开启到位时，信号提示船舶可以进入闸室。船停靠稳定后给出进船完毕信号，下闸门气囊充气实现闸门关闭。当下闸关闭到位时，上闸首充水廊道开始输水，同时系统开始检测上闸首两侧水位。至上闸首两侧水位齐平时，上闸门气囊放气，实现闸门开启。上闸门开启到位时，信号提示船只驶出闸室进入上游河道。此时，根据船只情况，进行船只下行步序或关闭上闸门进入船闸空闲等待。

参考文献

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