澛港閘船閘電氣控制系統設計與應用

丁付進

(安徽省駟馬山引江工程管理處，安徽 巢湖 238251)

0 引 言

當今世界，水利水電工程建設得到了飛速發展，船閘作為一種通航建筑物，已經得到了廣泛應用。目前我國在船閘工程建設方面已積累了豐富的經驗，以三峽雙線五級連續船閘的建設為代表,我國的船閘設計、施工水平達到了世界先進水平[1]。

澛港閘(橋)工程位于安徽省蕪湖市漳河入江口,其主要任務是改善城市水環境和水景觀、航運、供水和灌溉。澛港閘船閘為單線一級船閘，由上閘首、閘室、下閘首、充泄水系統、人字門、閥門、引航道等部分組成，布置在澛港大橋的右岸。船閘設計最大通航船舶為500t機動駁，其有效尺度為120m×18m×3m(長×寬×最小門檻水深)，年最大通過能力為1000萬t。

船閘電氣控制系統是整個船閘的控制核心，它的作用是完成對船閘設備的監視、控制、調度和管理，以確保船閘安全、可靠的運行。

1 船閘電氣控制系統相關技術

采用“冗余、容錯、集散”等先進技術，提高電氣控制系統可靠性和信息化管理技術水平。

根據運行工藝要求，研究船閘控制邏輯流程，解決船閘運行中存在的控制耦合、并發操作控制等技術問題，提高船閘運行可靠性、可操作性[2]。

采用各種協調運轉和安全保護措施，使上、下閘首的閘/閥門得以安全可靠地協調運轉，使船舶可以安全快速地通過船閘。

研究船閘設備故障安全保護措施，提高設備的可維護性。

2 船閘電氣控制系統設計方案

2.1 網絡結構設計

澛港閘船閘的特點是控制對象多，設備布置比較分散，因此采用二層分布式控制系統結構，包括現地監控層和集中監控層。

操作員工作站，工程師工作站，多媒體工作站，網絡服務器，數據服務器，打印機之間通過100/1000Mbps工業以太網星型連接，組成主控級網絡，即上層網。

船閘在上閘首左、右岸和下閘首左、右岸分別設置了一套現地控制子站，共4套。各子站和集控交換機之間采用100Mbps光纖環網連接，組成現地控制網，即下層網。

每個現地子站由本側CPU站和對側的遠程I/O站組成，分別布置于閘首左右兩側啟閉機房內，CPU站與遠程I/O站之間通過Profibus現場總線連接。澛港閘船閘電氣控制系統網絡圖見圖1。

圖1 澛港閘船閘電氣控制系統網絡圖

2.2 電氣控制系統硬件設計

2.2.1 現地站PLC配置

船閘電氣控制系統現地站為雙PLC+冗余I/O控制結構，在同一閘首的左、右兩側現地站各布置一套互為熱備的PLC控制系統，以增強船閘運行的可靠性。

每套PLC控制系統包括一個CPU主站和一個遠程I/O站組成。CPU主站布置在本側控制柜內，遠程I/O站布置在同一閘首的對側控制柜內。主站CPU通過Profibus總線與遠程I/O站ET200接口模塊連接，從而實現本側和對側信號采集與控制。選擇西門子公司的SIMATIC S7-300系列 PLC，以上閘首左側為例，主站CPU選擇S7-315-2 PN/DP，配置2塊數字量輸入模塊(DI)、1塊數字量輸出模塊(DO)、1塊模擬量輸入模塊(AI)、1塊模擬量輸出模塊(AO)、1塊編碼器模塊(SSI)，從站I/O模塊配置與主站相同。

2.2.2 電氣柜設計

1)柜體設計。采用標準電氣柜尺寸，每臺電氣柜尺寸均為800mm(長)*600mm(寬)*2200mm(高)，柜體顏色為RAL 7035(計算機灰)。

2)動力柜電氣設計。動力柜進線電源采用兩回獨立的380/220V三相四線制交流電源，一主一備，采用雙電源自動切換裝置對主備電源自動切換。柜內包含的動力回路有：兩回30kW電機驅動主回路，6kW泵站加熱器驅動回路，船閘邊界燈供電回路，船閘中心燈供電回路，控制柜供電回路以及備用電源回路。控制回路有：兩個電機控制回路，加熱器控制回路。此外，柜面布置有數字式電壓、電流表，指示燈、操作開關等，可以對三相電壓、電流實時監測。

3)控制柜電氣設計。進線電源由動力柜提供，柜內包含的回路主要有：兩路直流電源供電回路，船閘通航燈供電回路，預告警鈴供電回路，調試電源回路。柜內配置可編程控制器PLC 1套以及執行單元一套，柜面布置有指示燈、操作開關、觸摸屏等，以完成船閘人字門、輸水門的啟閉運行控制及狀態監視。

2.3 電氣控制系統軟件設計

2.3.1 軟件功能

1)實現對船閘配電系統、液壓系統、水位檢測、閘閥門行程及位置檢測、故障信息、現地操作信息、集控遠程操作信息等現場數據的采集。

2)實現各種運行工況、過船工藝流程控制、設備操作控制，實現系統故障檢測、報警、保護功能。

3)實現手動/自動控制模式下的操作命令與參數設置，觸摸屏顯示控制功能。

4)通過工業以太網實現與集中控管中心的數據通訊，并對通訊故障診斷報警、切換控制。

2.3.2 軟件模塊化分層設計

根據船閘運行的特點，對船閘啟閉機控制的人字閘門和輸水閥門現地站PLC軟件采用了模塊化分層設計，分為指令層、指令表決處理層、指令執行層3層。PLC軟件模塊化分層示意圖見圖2。

圖2 PLC軟件模塊化分層示意圖

1)指令層。指令層負責采集船閘控制指令，包括現地柜面板按鈕控制指令，或通過網絡通訊接收集控控制指令，經綜合判斷，生成統一的指令并傳遞到指令表決處理層。

2)指令表決處理層。指令表決及信息處理層接收指令層傳遞的指令信息，并采集船閘外部傳感器信號、閉鎖信號、報警信號等，判斷控制指令是否有效，并根據指令的優先等級進行處理。經各功能模塊綜合處理，形成控制指令下達至執行層，并由執行層執行。

3)指令執行層。包括人字閘門控制模塊、輸水閥門控制模塊、電機控制模塊、電磁閥控制模塊、通航信號燈控制模塊、預告警鈴控制模塊等。以上模塊根據船閘系統的工藝流程和液壓系統的具體要求及保護措施進行設計。

2.3.3 編程語言

PLC編程語言共有五種，包括梯形圖(LAD)、流程圖(SFC)、功能圖(FBD)、結構化文本(ST)、語句表(STL)。根據需要可以選擇一種或者幾種混用。梯形圖語言具有直觀、易懂的特點，特別適用于開關量邏輯控制，是最常用的PLC編程語言，因此澛港閘船閘電氣系統的PLC程序采用梯形圖語言編程[3]。

2.3.4 主要機構控制策略

2.3.4.1 人字門啟閉運行控制。

1)開門時序。上(下)閘首人字門開啟時，首先啟動上(下)閘首兩側泵站的油泵電機，建壓電磁閥得電，延時5s后，開運行工作電磁閥得電，比例泵流量輸出，兩側人字門的油缸開始收回，驅動人字門開啟。在人字門鎖定孔的位置設置極限開關，作為人字門開終位，當兩側人字門運行到開終位時，觸發系統自動停機，此時電磁閥失電，液壓系統卸壓，電機停止。

2)關門時序。上(下)閘首人字門關閉時，首先啟動上(下)閘首兩側泵站的油泵電機，建壓電磁閥得電，延時5s后，關運行工作電磁閥得電，比例泵流量輸出，兩側人字門的油缸開始伸出，驅動人字門關閉。人字門全關狀態按關門時序共設置三個特征位置：同步等待位、關終位和合攏位。在關終位前設同步等待位，同步等待位時兩門行程誤差≤10mm。當滿足同步等待誤差值且人字門導輪能順利進入導卡后，啟閉機運行至關終位自動停機，關終位兩扇人字門斜接柱間隙≤15mm。然后人字門在充泄水過程中形成的水頭差作用下合攏，直至合攏位。

3)運行速度控制。人字門啟閉機按圖3的V-t變速特性曲線運行，變速運行方式由液壓泵站比例變量泵在PLC控制下實現，V-t變速特性曲線控制參數可根據需求在現地觸摸屏或上位機中調整。同一閘首的左右兩側人字門啟閉機在運行過程中需保持同步，同步運行誤差≤15mm。

圖3 人字門啟閉機運行速度曲線圖

2.3.4.2 輸水門運行控制

1)啟(閉)門時序。輸水門開啟(關閉)時，首先啟動泵站油泵電機，建壓電磁閥得電，延時5s后，開(關)運行工作電磁閥得電，比例泵流量輸出，輸水門的油缸開始收回(伸出)，驅動輸水門開啟(關閉)。當輸水門運行到開終(關終)位時，觸發系統自動停機，此時電磁閥失電，液壓系統卸壓，電機停止。

2)下滑回升控制。在輸水門開終后，因泄漏而使閘門(油缸)在48h內下滑量≤200mm。當閘門下滑量>200mm時，電氣控制系統給出聲、光信號，并自動啟動液壓啟閉機將閘門重新開啟至設定高度[4]。

2.4 保護工藝設計

1)合攏檢測。為保證船閘的上下游閘門安全，設置合攏檢測程序。當開啟上(下)游閥門，閘室充(泄)水時，啟動定時器，延時設定時間后檢測下(上)游閘門合攏信號。若正常合攏，則繼續充(泄)水；若合攏信號不到，則轉關上(下)游閥門運行，停止充(泄)水。

2)動水關閥。為防止超灌超泄現象發生，在上閘首水位差小于設定值或者動水關閥定時器計時時間到，上游自動啟動動水關閥運行，當關閥到設定開度值或閘首水平時，停止關閥。

3)間歇開閥。當閘首水位差較高時，啟動閥門充水過程中，當閥門開啟到設定的開度值時，暫停開啟動作，進行局部開啟充水。當閘首水位差<2次開閥設定的最大水位差時，繼續開啟閥門至開終位置。

4)緊急關閥保護。無論船閘處于任何流程狀態，一旦操作人員按下緊急關閥按鈕，閘首的閘閥門啟閉機立即停止原運行狀態，立即執行關閥門操作，以保證船閘的輸水安全。

3 結 語

文章提出的安徽省澛港閘船閘工程船閘電氣控制系統設計方案，通過廠內電氣調試、機電液聯調、工地安裝調試、試運行，已經證明該控制系統性能穩定可靠，滿足項目運營技術要求。目前澛港閘船閘項目已進入運行階段。