基于傳統(tǒng)船閘監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

（中水三立數(shù)據(jù)技術(shù)股份有限公司 合肥 230031）

1 引言

船閘，是“通航建筑物”的一種。在天然河流中，由于調(diào)節(jié)流量、渠化通航以及在運河上因地形條件及水面坡度的限制，必須具有階梯形的縱斷面形成集中水面落差。所以必須借助專門的通航建筑物使船舶直接通過落差?，F(xiàn)代通航建筑物應(yīng)用最多的是船閘。

船閘利用向兩端有閘門控制的航道內(nèi)灌、泄水，以升降水位，使船舶能克服航道上的集中水位落差的廂形通航建筑物，又稱“廂船閘”，由閘室、閘首、閘門、引航道及相應(yīng)設(shè)備組成。

本文介紹了某流域船閘的計算機監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，并從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、自動控制流程、輔助運行幾方面進行了詳細的設(shè)計優(yōu)化論述，并分析總結(jié)了優(yōu)化設(shè)計在實際應(yīng)用中的效果分析。

2 船閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

船閘的控制運行以集中控制為主、現(xiàn)場控制為輔的控制方式，集中控制采用計算機監(jiān)控，其采用開放式全分布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分設(shè)主控級和現(xiàn)地單元控制級。主控級由兩套操作員工作站以及外圍設(shè)備等組成，現(xiàn)地單元控制級由可編程控制器PLC 和觸摸屏構(gòu)成，在船閘上閘首和下閘首現(xiàn)場分別設(shè)置一套現(xiàn)地控制單元，主控級與現(xiàn)地單元控制級之間采用以太網(wǎng)連接。

船閘控制系統(tǒng)采用計算機集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其上位機一般由船閘監(jiān)控中心的監(jiān)控主機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、打印機等共同組成，實現(xiàn)對船閘的集中控制、數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計報表及打印等功能。

2.2 管理模式結(jié)構(gòu)

船閘控制管理模式結(jié)構(gòu)分為三個層次：現(xiàn)地設(shè)備層、現(xiàn)地分散控制層、集中控制層。

現(xiàn)地設(shè)備層：為船閘上、下閘首機房室內(nèi)、室外的機電設(shè)備。主要包括：電動機、液壓泵站、水位計、閘/閥門開度儀、限位開關(guān)、交通信號燈以及室外照明燈具等設(shè)備。

現(xiàn)地分散控制層：為船閘上、下閘首機房內(nèi)的控制及顯示設(shè)備。主要包括：PLC 及遠程IO 站、現(xiàn)地控制操作臺、現(xiàn)地監(jiān)控主機、電機控制柜等?，F(xiàn)地控制層主要用于船閘閘首機房監(jiān)控設(shè)備的調(diào)試、維護，當船閘監(jiān)控中心設(shè)備或控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，用于現(xiàn)地分散控制操作閘、閥門，確保船閘運行安全暢通。

集中控制層：由船閘監(jiān)控中心監(jiān)控主機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及打印機等組成，實現(xiàn)船閘的集中控制、協(xié)調(diào)管理。同時對船閘的運行情況、控制操作情況及故障情況進行數(shù)據(jù)管理，形成日、月、年報表。

2.3 運行控制方式

控制方式分為遠方集中/現(xiàn)地分散、自動/手動、程控/應(yīng)急相結(jié)合；控制類型分為自動、單項、點動三種，其中點動控制用于設(shè)備維修和調(diào)試。在進行系統(tǒng)軟件開發(fā)時，系統(tǒng)控制方式需征求船閘管理使用單位意見，可做適當調(diào)整。

當船閘運行時，集中控制系統(tǒng)可在監(jiān)控中心實現(xiàn)集控自動運行和集控手動運行。集控自動運行時，集控PLC 通過采集、判斷整個船閘的運行狀態(tài)，根據(jù)自動過閘運行工藝，自動控制上、下閘首閘/閥門的運行，實現(xiàn)連續(xù)過閘運行。

例子2：2011年3月20日，14∶19∶00～14∶21∶00（兩個小地震）。日本氣象廳地震預(yù)警系統(tǒng)在檢測到初至P波之后6.6s估計出震級為7.6，并向公眾發(fā)布了預(yù)警（見數(shù)據(jù)與來源一節(jié)）。然而，觀測到的最大地震烈度僅為3度。同樣，如表1所示，這一高估或許可歸因于將在5s以內(nèi)發(fā)生的相距約150km的2個小地震（日本氣象廳震級分別為3.0和4.7）錯誤地當成了一個大地震，因為第二個地震發(fā)生的時間與第一個地震波至的時間非常接近。

停機、急停、強落閥等操作作為緊急情況下的保護措施，具有較高的操作權(quán)限等級，為保護系統(tǒng)和過閘船只安全運行，程序運行過程中的任何時刻都可以進行停機、急停等操作。停機時，控制系統(tǒng)暫時停止運動，但控制指令繼續(xù)保持，待停機恢復后，繼續(xù)運行。

3 功能結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

基于常規(guī)傳統(tǒng)船閘的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本控制流程，通過分析當前流域船閘既有實際情況，對船閘的功能結(jié)構(gòu)進行一定的調(diào)整和優(yōu)化，主要有：系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)優(yōu)化、視頻自動聯(lián)動、數(shù)字IP 廣播應(yīng)用以及對應(yīng)自動控制流程優(yōu)化，增加界限燈、中心線燈、KVM 坐席管理系統(tǒng)，并對室外照明設(shè)備和控制進行優(yōu)化調(diào)整。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

常規(guī)船閘系統(tǒng)一般包含計算機監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、供配電及電力監(jiān)控系統(tǒng)等。

冗余結(jié)構(gòu)：對于計算機監(jiān)控系統(tǒng)，通常上下閘首各配置一套主PLC 和遠程IO 子站，動力柜同自控柜分開組柜，相互可以獨立使用。此結(jié)構(gòu)原考慮在自動系統(tǒng)有問題或一側(cè)有問題時，船閘系統(tǒng)可以繼續(xù)使用，但從以往類似項目實際運行過程中發(fā)現(xiàn)，隨著自控電子設(shè)備的發(fā)展，可靠性增強，另現(xiàn)場液壓設(shè)備自動程度依賴性高，但系統(tǒng)不能正常自動運行時，一般都會優(yōu)先排除故障再使用，最多會用一下純手動操作，一般半自動很少使用，基于此種考慮，在該流域船閘項目中，因其水位落差大，液壓系統(tǒng)復雜，自動化使用度高等特點，設(shè)計使用一個主冗余PLC 并帶四個分遠程冗余總線IO 站，以達到集中自動控制，并在網(wǎng)絡(luò)和主PLC 上提高安全可靠性，并將動力柜同遠程IO 站合并，提供應(yīng)急手動控制模式。

視頻自動聯(lián)動：傳統(tǒng)的視頻監(jiān)視系統(tǒng)同計算機監(jiān)控系統(tǒng)是獨立分開的應(yīng)用，在進行監(jiān)控操作時，如期望看到當前操作對象現(xiàn)場圖像情況，需另外單獨操作視頻工作站系統(tǒng)。為方便運行管理，同時結(jié)合實際應(yīng)用，選用帶預(yù)置點的攝像機，PLC 控制閘門對象時，將控制信號同步發(fā)送到視頻控制器上，在大屏幕或顯示器上，根據(jù)操作的不同自動顯示現(xiàn)場視頻，讓操作人員可以直觀了解設(shè)備執(zhí)行情況。

數(shù)字IP 廣播：一般船閘應(yīng)用模擬廣播系統(tǒng)，主要在上、下閘首室內(nèi)、室外布設(shè)廣播喇叭，聯(lián)接到語音功放上，操作人員通過話筒進行喊話播放；此種方式簡單，但使用時容易對周邊百姓產(chǎn)生影響，不能靈活使用，一播上下都能聽到；設(shè)計使用數(shù)字IP 廣播，可以同上位機組態(tài)軟件系統(tǒng)進行聯(lián)動，當進行閘門操作前，自動播放語音提示；并通過數(shù)字分區(qū)，當進行上游操作時，只有上游廣播播放，可以對每個喇叭進行獨立控制。

3.2 自動控制流程優(yōu)化

船閘的使用是個循環(huán)過程，主要分上行和下行，其自動控制流程按操作對象性質(zhì)的不同一般分八步，上、下行各四步。

上行程序：即下游過閘船舶從船閘下游通過閘室向船閘上游運行的程序。船閘運行上行程序前的狀態(tài)為：下閘首人字式閘門處于開終位，上閘首人字式閘門處于關(guān)終位，上、下閘首閥門處于關(guān)終位。上行控制步驟：上行船舶進閘、關(guān)下游閘門、開上游閥門、開上游閘門（同時關(guān)上游閥門）。

下行程序：即上游過閘船舶從船閘上游通過閘室向船閘下游運行的程序。船閘運行下行程序前的狀態(tài)為：上閘首人字式閘門處于開終位，下閘首人字式閘門處于關(guān)終位，上、下閘首閥門處于關(guān)終位。下行控制步驟：下行船舶進閘、關(guān)上游閘門、開下游閥門、開下游閘門（同時關(guān)下游閥門）。

上、下行程序結(jié)束，自動進入對應(yīng)下、上行程序。

在進行閘閥門操作時，上、下游和閘室上、下側(cè)都安裝有交通燈，為減少使用人員的操作步驟，防止誤操作，在上、下行操作程序中將交通燈的控制同八步控制工藝自動關(guān)聯(lián)，當滿足條件時自動進行紅綠變換，使整個船閘控制流程只需要運行人員進行關(guān)閘門操作，其他過程和動作由程序自動完成。

配合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，在下位PLC 控制程序中，同視頻控制器進行聯(lián)動，當進行操作閘閥門時，同時去聯(lián)動控制對應(yīng)位置的視頻顯示；在上位機控制程序中，當船閘控制流程自動運行到對船民有影響的步驟時，通過數(shù)據(jù)IP 廣播系統(tǒng)自動聯(lián)動播放安全提示語音。

3.3 輔助運行優(yōu)化

為保證船閘的安全運行，及時提示和提醒船舶注意安全，對一些輔助系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。

界限燈：在上下閘首安全邊界處安裝紅外界線燈，提示船舶進入閘室后的安全位置，以避免閘閥門操作對其造成安全影響。

閘室中心線燈：在一些天氣對視線有影響的情況下，提示船民前進的閘室中心位置，以避免沖撞閘門。

KVM 坐席協(xié)作管理系統(tǒng)：將工作站、服務(wù)器等設(shè)備從操作控制臺中移入機房機柜中，通過坐席協(xié)作管理系統(tǒng)，人機分離，數(shù)據(jù)全適應(yīng)場景，所操及所見，實現(xiàn)一人多機操作，多終端一套鼠標鍵盤跨坐席顯示屏無縫即時操作。

室外照明：設(shè)計選型可調(diào)節(jié)燈具，根據(jù)當前室外環(huán)境，以及閘室水面安全照度要求，自動調(diào)節(jié)燈具亮度，即滿足安全使用要求，同時也達到節(jié)能效果。

4 應(yīng)用分析總結(jié)

本文對船閘應(yīng)用的分析和優(yōu)化主要針對某流域液壓船閘，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制流程和輔助運行的優(yōu)化都基于其實際需求和現(xiàn)場情況而定；根據(jù)不同類型的船閘，使用的設(shè)備不同，船閘閘閥形式的不同，甚至需考慮使用操作人員技術(shù)能力和使用習慣等綜合情況進行設(shè)計優(yōu)化，而不能僅僅是照搬新技術(shù)、新應(yīng)用，反而起不到好的效果，達不到設(shè)計優(yōu)化的目的■