升船機運行監控系統的發展?

王婷婷 蘭 欽

（1.長江三峽通航管理局 宜昌 443133）

（2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司 長沙 410014）

1 引言

升船機是當今世界上克服航道上集中落差，解決船舶過壩問題的一種主要的通航建筑物型式，也是船廠建造新船和維修時的主要工作臺。這種型式的通航建筑物由于其形式多樣性、高水頭適應性、船舶過閘快捷性、投資節約性、技術條件簡約性等優點而得到廣泛的應用。美國、俄羅斯、比利時、荷蘭等是世界上內河航運網較發達的國家，在這些國家的內河航運樞紐中已建有上千座升船機［1］。近年來，我國在大中型升船機的研究方面進行了大量的工作［2］，并相繼興建湖北三峽升船機、清江隔河巖升船機、廣西巖灘升船機、福建水口升船機等大型升船機。

隨著升船機的廣泛應用，其安全穩定運行也成為日益關注的焦點［3～4］。由于升船機是一個多子系統之間相互結合在一起的龐大系統［5～6］，為了對系統運行的復雜工況進行有效控制，必須具備良好的運行監控系統。因此，分析升船機主體運行監控系統方案，研究各設備運行狀態及運行特點，分析各設備、各環節故障種類及故障原因、數量，并在此基礎上，不斷優化升船機運行工藝，開展升船機運行過程的仿真程序和故障應對處理模擬程序，對于提高升船機運行保障能力具有十分重要的意義［7］。

基于以往的研究和工程應用，本文試圖對我國升船機監控系統的發展歷程做簡要的梗概，并結合三峽升船機監控系統運行管理中存在的若干問題，對目前升船機監控系統可能存在的不足進行分析。在此基礎上，對升船機監控系統今后的發展趨勢進行預測，為升船機監控系統的研究工作提供參考。

2 監控技術及其在升船機運行管理中的應用

2.1 監控技術簡介

監控技術自誕生以來，在過去的二十多年里，大致經歷了本地模擬監控系統、多媒體數字監控系統、分布式監控系統共三代的發展［8］。它是多種技術綜合運用與結合的產物，綜合了計算機網絡技術、人工智能技術、多媒體技術，正朝著數字化、智能化、網絡化的方向繼續發展。

信息交換溝通的領域正在迅速覆蓋從現場設備層到控制、管理的各個層次，覆蓋從工裝、車間、工廠、企業乃至世界各地的市場［8］。

2.2 升船機運行監控系統發展歷程

升船機監控系統由I/O設備（傳感器和執行器）、控制硬件、控制軟件、人機接口及與信息系統的連接等組成。我國升船機運行自動化技術的發展是從20世紀80年代初開始的，迄今為止經歷了以下四個階段：

1）單功能微機監控裝置。每個微機監控裝置具有不同的功能，有的專門采集開關量，有的專門采集模擬量，有的專門進行控制操作。將這些功能分散的微機監控裝置以串口的星形連接方式進行集成，在分布方式上做了一些有益的嘗試，但從模式上看還不能算是很成熟的系統；

2）以設備單元分布的星形分層監控系統，如丹江口［9］、高壩洲［10］等。為了檢修維護的方便，這種監控系統將數據采集與控制集成到一臺微機或PLC裝置中，構成了現地控制單元（LCU）［13］。LCU無法直接接入以太網，而且計算機非常昂貴，只能以微機作為前置機，構成星形分層分布式結構的監控系統。這種結構布線簡單，但沒有冗余功能，任何一條線路發生故障均會導致通訊中斷。這在網絡應用上已跨出了一大步，但相應的國際標準還不完善，尚不能形成理想的開放系統環境；

3）基于開放系統的分布式監控系統，如水口、隔河巖［11］、巖灘等。這種計算機監控系統具有通用性和可移植性，監控系統的軟件可以安裝在任何具有開放系統特點的計算機上，開放系統為升船機計算機監控系統提供了新的發展空間；

4）基于對象技術的分布式監控系統，如彭水、三峽等。與傳統的程序設計方法不同，面向對象技術把數據與方法封裝在一起，統一描述對象的屬性和行為，升船機運行設備如承船廂、驅動系統、傳感檢測開關等均可抽象為對象，它直觀、方便，信息更加理性和實際。基于對象技術的分布式監控系統，從系統設計、編程語言選擇到用戶界面等一系列過程，都依據面向對象的理念、原則和技術標準，給用戶使用和維護帶來極大方便。

3 三峽升船機運行監控系統

3.1 運行監控系統簡介

三峽升船機計算機監控系統采用兩層集散分布式結構［12］，主要由集中控制系統、現地控制系統、安全控制系統設備組成，結構框圖如圖1。其中，集中控制系統設備主要由I/O服務器、網絡通信服務器、數據存儲服務器、圖像監控工作站、廣播指揮工作站、冗余操作員站、圖像監控工作站、廣播指揮工作站、以太網交換機及大屏幕顯示屏等組成。現地控制系統設備主要由流程控制站、船廂傳動控制站、船廂上廂頭控制站、船廂下廂頭控制站、上閘首控制站、下閘首控制站、低壓開關裝置控制站、變電控制站組成。

計算機監控系統軟件配置采用當時國內外最新的研究成果。監控系統PLC選用Rockwell Al?len-Bradley公司的Control Logix產品。監控系統軟件主要由上位機組態軟件及PLC編程軟件組成，上位機組態軟件采用Rockwell Allen-Bradley公司FactoryTalkVIiew，PLC編程軟件采用Rockwell Al?len-Bradley公司RSLogix5000。監控系統結合了PLC和工控機各自的優點，實現了管理、控制一體化。

3.2 運行監控系統存在的不足

雖然三峽升船機運行監控系統采用了當前國際最先進的監控技術，為項目運行管理帶來了極大的方便，但是目前仍存在以下不足之處：

1）傳感器網絡的復雜性。三峽升船機傳感器網絡信息采用的是傳統的有線傳輸，需要鋪設大量的傳遞介質，耗時長，人工成本高；硬件線路易老化，容易導致通信異常，后期更換和維護成本更高；特別是升船機各設備緊密相聯，牽一發而動全身［14］，試通航的故障統計也表明了傳感檢測裝置的故障會極大影響升船機的運行效率。

2）監控數據和指令的不完全共享性。目前，三峽升船機監控系統是由上位機、現地控制站等計算機裝置組成，這些計算機只能獨立運行，完成各自的權限和控制功能，這必然導致運行管理的復雜性。

3）監測信息的不完備性。三峽升船機的監控系統能夠較準確地對電氣、液壓等設備的運行狀態進行實時監控，但是對機械結構的內部損傷、機構運行準確位置目前仍然不能實行有效的監控。

4）組態軟件的通用性差。三峽升船機監控系統組態軟件采用Rockwell Allen-Bradley公司Facto?ryTalkView。這種軟件雖然在功能完備性、產品包裝、市場推廣等方面具有一定的優勢，但是存在軟件對應配套設備價格昂貴、技術服務不方便、通用性不高等缺點。

5）組態過程的復雜性。三峽升船機的Facto?ryTalkView軟件是基于圖元的觸摸屏組態軟件，組態界面由各種基本圖形及由基本圖形組合的開關、儀表、閥門等大量部件組成，組態過程復雜，同時監控信息量大。

4 升船機監控系統的發展趨勢

隨著計算機技術的迅速發展，升船機計算機監控技術同樣也在發展，新的系統結構、控制裝置、軟件等不斷涌現，使得我們進一步思考升船機計算機監控技術主要發展方向。

1）傳感器網絡的無線化。與傳統的有限傳感器網絡不同，無線傳感器網絡具有靈活性強、經濟性好、精細度高等優點，因而得到了廣泛的應用。在升船機監控系統方面雷鳴、魏峻巖［13］提出了基于無線傳感器網絡的三峽升船機監控系統架構，結合復合事件檢測技術實現了對升船機監控數據的有效提取，并通過實驗驗證了負荷事件檢測方法在傳感器網絡中的適用性。

2）網絡共享化。升船機計算機監控系統是由上位機、現地控制單元等計算機裝置組成，這些計算機均能獨立運行，完成各自的控制功能，但要讓這些計算機協調工作，充分挖掘出計算機監控系統的潛能，就必須通過網絡數據交換，實現數據共享，更好地對整個系統各個設備進行協調控制，實現控制系統的優化運行。網絡共享的計算機監控系統，可以共享計算機硬件設備、裝置，以減少控制系統的設備投資，和維護工作量。

除升船機內部計算機及裝置組成網絡外，升船機計算機監控系統可與調度自動化系統網絡連接，進行數據交換。通過網絡通信，調度計算機將調度命令送至計算機監控系統，升船機計算機監控系統將各設備運行參數、狀態傳輸到調度計算機，調度系統可以對升船機進行自動調度，并根據設備狀態判斷是否允許發布調度命令。網絡化是實現升船機調度自動化的必要前提。

3）人工智能化。升船機計算機監控系統智能化，主要體現在對監控系統的人工智能診斷，對運行人員進行操作指導，對事故、故障處理進行指導。人工智能監控技術已經被引入到工程監控系統的各個領域，不僅可以快速的查找出故障，還可以對自動化控制流程進行優化。曾飛、張琪等［15］設計了基于物聯網的散貨碼頭大型帶式輸送機智能監控系統，在散料輸送過程中，該系統可全程對帶式輸送機物料輸送狀態進行實時監控，實現了運行過程中物料瞬時流量、帶速、功率等狀態參數的實時監控，還可以根據帶式輸送機物料瞬時流量遠程調節帶速，從而實現了大型帶式輸送機系統最佳節能效果。

4）組態軟件的國產化和通用化。組態軟件的強大功能早已受到工程技術人員的青睞，而國外的組態軟件價格昂貴且通用性差，其國產化和通用化是必然的發展趨勢。目前，國內已經有人對組態軟件進行了研究，肖兒良、石紀奎等［16］針對目前觸摸屏組態軟件存在的組態過程復雜及通用性較差的問題，提出了基于界面組態的觸摸屏組態軟件設計方法；利用Visual c#開發平臺，實現觸摸屏通用組態軟件的設計。在上位機進行組態軟件界面編輯、組態文件編譯以及與下位機數據的交互的基礎上，基于PC機實現了觸摸屏工作狀態的模擬仿真。在STM32F103硬件平臺上驗證了組態軟件設計的曲線顯示控件。實驗與仿真結果表明，基于界面的組態軟件設計方法的正確性和便捷性，為觸摸屏組態軟件設計提供了一種新的思路。

雖然我們在升船機計算機監控領域采用的是目前較先進的監控技術，但距離升船機真正的無人值班、“關門升船機”目標還有差距，在技術和管理方面都還有許多工作要做，以計算機應用為特征的信息化技術、通訊技術、智能技術日新月異，有待我們繼續努力，為升船機自動化事業的不斷進步做出新貢獻。

5 結語

1）本文總結了國內升船機監控系統的發展歷程，綜合分析了基于對象技術的分布式監控系統具備直觀、方便、信息準確等優點；

2）結合三峽升船機監控系統，指出了我國升船機監控系統存在傳感器網絡復雜性、數據不可共享性、信息不完備性、組態軟件通用性差等缺點，為監控系統科研人員提供參考；

3）基于目前監控技術的研究及應用現狀，對升船機監控系統的發展趨勢做了預測，指出傳感器網絡無線化、網絡共享化、人工智能化、組態軟件的國產化和通用化是其今后的發展方向。

［1］李云等.通航船閘水力學研究進展［C］//中國水力發電工程學會通航專業委員會第三屆第二次學術交流會論文集，1999（5）.

［2］李思敏.我國升船機發展綜述［D］.北京：國家機械委北京起重運輸機械研究所，1987.

［3］肖彥直.垂直升船機計算機監控系統分析與設計［J］.船舶電子工程，2006，155（5）：182-186.

［4］段波，董博文.三峽升船機卷揚提升方案安全保障措施研究［J］.紅水河，2002，21（4）：61-63.

［5］鄭朝印.升船機監控系統的研究［D］.大連：大連海事大學，2004.

［6］Panpan Zhang，Haibo Li．Design of a Vibration Monitor?ing System for the Hoisting Machine in Ship Locks［C］//4th International Conference on Mechatronics，Materials，Chemistry and Computer Engineering，2015，2164-2167.

［7］牟忍，代詩剛.升船機工程中計算機監控系統的設計［J］.計算機與數字工程，1997，25（4）：2-6.

［8］葛廣英.實時監控技術的發展歷程和發展趨勢［J］.電視應用，2000，12（5）：26-28.

［9］黃建平，易春輝.丹江口大壩升船機監控系統設計［J］.人民長江，2012，43（5）：39-41.

［10］石曉俊，廖沛霖，易春輝.高壩洲升船機計算機監控系統上位機系統設計與實現［J］.水電自動化與大壩監測，2006，30（3）：15-17.

［11］廖榮慶，夏銘佑.隔河巖第二級升船機監控系統現地控制站設計［J］.水利水電快報，2003，24（14）：27-29.

［12］屈斌.三峽升船機計算機監控系統簡介［C］//第六屆杯全國自動化系統工程師論文大賽，2008.

［13］石曉俊，廖沛霖，易春輝.船閘計算機監控系統應用及改進［J］.廣西水利水電，2009（5）：79-100.

［14］雷鳴，魏峻巖.面向三峽升船機監控傳感網絡的復合事件檢測研究［J］.船舶電子工程，2016（6）：109-113.

［15］曾飛，張琪，解澤洋等.基于物聯網的大型帶式輸送機智能監控系統［J］.南通大學學報，2017，16（2）：12-16.

［16］肖兒良，石紀奎等.觸摸屏通用組態軟件設計［J］.電子科技，2017，30（5）：165-168.