数字化绞车在水文缆道中的应用

陈胜军

（陕西省水文水资源勘测局安康水文站，陕西 安康 725000）

1 安康水文站概况

设立于1934年。集水面积38625km2，距河口里程1018km，属于汉江干流控制站，区域代表站，国家重要水文站，测验精度为Ⅰ类。

建站目的：收集汉江水文资料，掌握汉江洪水、洪量、沙量的变化过程及规律，为防汛抗旱、水工程规划设计、水资源开发利用与管理、水环境综合治理、防洪影响评价、以及汉江水库群安全度汛提供基本水文数据。

由于受1983年特大洪水影响，1989年上迁1300 m至现断面，流量、泥沙测验采用测船。2004年由陕西省水文水资源局开始建设，也是陕西省最大跨度的水文缆道。由于当时受技术和设备条件限制，存在绕线多，滑轮和绞车磨损严重等不安全隐患。2010年进行改造，更换了绞车、更改了游绳绕线方式，由于设计理念差异不能很好的兼容，信号、计数等系统时常出故障，不能保证大洪水正常测报工作。随着陕西省水文工作的不断发展变化，新仪器设备的增多，2014年安康水文站首先实验铅鱼加装ADCP测流方法，经过一年的实验研究。这种方法有较好的操作性，测验精度高、大洪水多普勒测流系统不会因涨落水风波浪对探头入水的影响。2015年开始了新缆道系统的研发，2018年竣工完成投入使用。

2 数字化绞车设计思路

水文缆道绞车驱动系统主要分为电动和人工两种。对于安康水文站这种大跨度缆道（489 m）,铅鱼重530 kg，主索起伏变化大，对驱动和承载系统要求高，且没有成熟的经验和现成的设备可用。从2004年安康水文站新建缆道到2010年缆道改造，水文绞车一直是影响缆道正常运转的瓶颈。为解决这个技术难题，安康水文站与河北宝鼎大华公司在2015年共同研发了数字化智能绞车系统。通过三年的实验研究解决了诸多技术难题，经过一年多的试运行，发现该技术具有：技术先进、运行可靠、操作简便、故障率低等特点(设计承载安全系数＞4倍)。

改造缆道驱动设备自动控制铅鱼入水深度，使铅鱼自动水面运行满足ADCP走航式测流，使新仪器最大限度地提高利用率，具备可操作性，同时提升了测量精度和减轻工作效率。绞车设计图与实物图分别见图1、图2。绞车参数见表1。

图1 绞车设计图

图2 绞车实物图

表1 绞车参数

3 创新功能

1）首创了在水文绞车上使用伺服电机，通过pLC编程电脑和绞车有效结合，实现了自动控制与人工控制，运行状态一目了然，极大的提高了运行速度和安全操作，使铅鱼运行更加平稳。同时伺服电机还具备一下特点：对位置、速度控制精准，能精确控制起点距及水深，启动扭矩大，调速范围宽，瞬间功率大等优点，是水文缆道最佳的动力装置。

2）绞车上加装不锈钢安全防尘罩，顶面为有机玻璃视频监控清晰可见，在操作台上可以直接通过视频查看绞车运行状态，侧面安装有触摸显示屏，操作人员在绞车房也可以查看当前铅鱼所处位置、所测水深、流速、铅鱼运行速度等测验数据，也可以在触摸屏上进行升降、前进、后退等操作控制。为今后中小河流缆道建设减少成本提升实用性起到好的借鉴作用。

3）在卷扬系统加装自动排线装置，配合起重索升降自动校正钢丝绳的偏转，避免因钢丝绳打弯、缠绕、碾压、脱槽等造成的安全隐患。实现了钢丝绳在卷筒内每圈排绳整齐有序。

4）解决了一直以来困扰安康站测流难的问题，可以用ADCP走航测流，又可以利用缆道流速仪自动测流。丰富了测验手段，特别是受上游安康电站开关闸水位涨落变化快，传统测流形式不能满足水位涨落变幅。加快了测流时间，为抢测洪峰过程提供了保证，同时也为安康水文站及其类似水文站提高水文测验质量和精度提供技术支撑。提高工作效率，减轻运行成本。

5）伺服电机与减速机直连，改变了原电机与减速机通过皮带轮或转轴连接方式带来的机械损耗，绞车制动采用电磁控制。使绞车加减速和正反转更加平稳顺滑。（原安康站缆道驱动、卷扬系统均使用10 kW电机加变频器），改造后采用5.5 kW伺服电机，节约了日常测验成本。(因设计具有创新和实用性，2018年2月获国家专利局颁发的实用新型专利证书)。

4 运行情况

安康水文站缆道于2018年1月改造完成并交付使用运行，截止2019年4月共进行流量测验69次，每次测流水平运行距离360 m，升降高度32 m，其中流速仪测流44次，测流用时≤1 h。ADCP测流25次用时≤30 min，比原缆道运行速度提升1倍，对抢测洪峰提供有力技术保证。

用编码器设置参数调整脉冲当量改变减速比，保证起点距位置和水深的准确性，利用人机对话实现了流速仪自动测流、ADCP自动走航测流和ADCP定点测流功能。

在缆道操作过程中行车和铅鱼运行平稳，启动运行加减速可以任意设置调节，本站采用双电机配置，起重索升降，循环索进退同时完成，缩短了运行历时，同时解决了一般缆道由于启动运行时齿轮或传动轴的冲击摩擦导致测流缆道不能正常运转的难题。

5 测量成果分析

安康水文站于2018年1月对缆道进行改造完成，2018年开始ADCP与流速仪的对比分析工作，共采用ADCP测流17次，同时有流速仪测流相对应的资料，由于安康站上游17 km处有火石岩电站开关闸影响，两种测验方式不能在同一级水位下进行，分别用流速仪测流成果和ADCP测流成果制作水位/流量关系曲线见图3。

图3 安康水文站ADCP测流与流速仪测流比测成果统计分析图

通过比测分析ADCP测流系统与流速仪测流，有很好的相关关系。采集样本23次，见表2。

表2 ADCP测流与流速仪测流比测成果统计分析表

其中第2、9测次误差＞10%，误差原因：流量小水位涨落快。其他21次都在流量测验误差范围内，流量、面积、平均流速均在测验误差范围内符合本站断面水流特性。满足流量测验规范要求。

6 结语

1）伺服电机在水文缆道作为绞车的驱动源，是一场新技术革命，改变了原电机加变频器控制的诸多不足，实现了数字化控制缆道操作系统，也是智能化、现代化在水文测验中的应用。

2）水文测站原缆道绞车系统大多为20世纪七八十年代的产品，由于各省市水流特性不同，绞车形式也没有统一的标准，从安全的角度考虑大多制作的“傻、大、笨”，且输出功率低下。伺服电机在机器人和自动控制中的广泛应用，有效提升了工作效率、测验精度，保障安全生产。

3）该设备由微机系列、主控接口、计算机控制接口、调速系统和水下信号系统五部分与计算机连接在相应的软件支持下，通过指令控制各设备正常运转，并自动采集原始数据进行综合处理。

4）安康水文站走航式ADCP测流系统镶嵌在铅鱼内，要求探头入水深度一致，由于缆道跨度大主索垂度为（500 m×0.04=20 m），500 kg的铅鱼延行车前行形成集中荷载。铅鱼在行走的过程中随着主索垂度的变化而变化，不能保持一致的入水深。在铅鱼上安装一套水面识别装置，铅鱼的行进过程中通过指令发送给绞车进行自动调整升降高度，以保持ADCP入水深度相同。铅鱼始终延水面自动运行，将复杂的人工操作，通过计算机控制，实现了水文缆道更新、更强，使测验手段更加丰富。

5）该绞车系统结构简单、成本低、科技含量高，适应各大、中、小河流缆道改造建设更新换代，具有较好的推广前景。