船閘自動控制系統技術及運用

吳春英

（南京洛普股份有限公司，江蘇 南京 210000）

南通某船閘為人字閘門套閘，長175 m，有效長度150 m，閘室寬12 m，門檻水深3.3 m，最大設計船型為300 000 kg級，級別V級；雙向水頭承受設計，正向最大設計為2.14 m，反向最大設計為-0.63 m。工作閘門采用鋼質三角閘門，閘門啟閉機采用滾珠絲桿式，由于上下游水位差小，所以輸水利用三角門門縫即可。

該船閘自動控制系統是利用上位機監控軟件結合PLC（可編程邏輯控制器）、現地LCU控制柜、LCU動力柜、現地操作臺等設備實現對船閘設備的控制，同時結合數據庫軟件實現數據的存儲和管理。

1 控制對象及控制層組成

1.1 控制對象

控制對象：船閘各閘首機房室內室外配套的機電設備。主要有電磁閥、接觸器、變頻器、電機、傳感器、閘門限位開關、閘門開度儀、水位計、進出閘信號燈以及閘室外照明等設備[1]。

1.2 控制層組成

船閘的控制層由現地設備、現地控制、集中控制三個層次組成。

（1）現地設備層由船閘閘內閘外的機電設備組成。主要包括閘門限位開關、閘門開度儀、電機、水位計、進出閘信號燈以及閘室外照明等設備。

（2）現地控制層由船閘閘室機房內的控制及顯示設備組成。主要包括現地上位機監控主機、現地LCU控制柜、現地LCU動力柜、現地操作控制臺、現地監控主機等。現地控制層的作用是實現機房監控設備的現地控制。

（3）集中控制層：由船閘監控中心上位機監控主機、數據庫服務器及打印機等組成，實現對船閘的集中控制及管理。管理人員在中控室就可以了解船閘現場的操作情況、運行情況以及故障報警狀態，同時也可配合視頻監控實現對船閘現場的控制操作。

2 控制系統設計

2.1 控制系統組成

本船閘控制系統采用集中控制和分散控制相結合結構，由監控中心上位機監控主機（服務端）及監控中心數據庫服務器、現地閘首機房內上位機監控主機（客戶端）、打印機等共同組成，從而實現對船閘的控制以及船閘相關數據的管理[2]。

2.2 控制系統網絡結構及協議

控制系統利用以太網交換機、工業以太網交換機、光纜構成環網，采用TCP/IP以太網協議，通過100 Mbps光纖環網實現船閘監控中心上位機監控主機和上下閘首機房現地上位機監控主機以及現地PLC之間的網絡通信。

該光纖環網是完全工業級別的網絡產品，具有線路冗余、電源冗余、切換時間快（≤500 ms）等多項優點，保證了控制系統信息傳輸的實時性和可靠性。

圖1 船閘控制系統

2.3 控制系統模式

系統控制模式分為常規控制和應急控制兩種。

（1）常規控制又分為兩種控制方式——現地控制和集中控制。其中現地控制又可分為現地操作臺控制、現地上位機控制；而集中控制僅適用于監控中心上位機控制。考慮到緊急情況下網絡可能會存在通信故障等狀況，所以要保證現地控制優先級最高。

（2）應急控制是一種應急補救措施，當PLC出現故障，常規操作不可控時，采用這種方式，可無須經過PLC，直接通過按鈕控制相關電磁閥，從而實現閘門的啟閉，保證船舶進出閘，防止造成事故。

2.4 控制系統運行工藝

關閘條件：對側閘首閘門關終；本閘首閘門未關終；無急停操作；無停機操作；無停機故障；無其他開關閘動作。

開閘條件：對側閘首閘門關終；本閘首閘門未開終；本閘首水位水平；無急停操作；無停機操作；無停機故障；無其他開關閘動作。

閘門運行方式：利用PLC通過控制變頻器輸出的方式實現“慢—快—慢”的變速形式運行，一般在3分鐘內運行到位。

（1）按下關上閘按鈕，上游閘門開始關閉運行。閘門關終后，自動發信號到下游，下游機柜上“上游閉鎖”操作燈亮，提醒下游操作人員上游閘門已關終。

（2）當上游閘門關終后，判斷下游閘室內外水位是否水平，水位水平后，按下開下閘按鈕，

下游閘門開啟運行。閘門開終后，下游出閘信號燈變綠，下游進閘信號燈變紅。船只可以從下游駛出。當船只全部從下游駛出后，操作人員按下“進閘綠燈”，此時下游進閘信號燈綠燈變亮，下游閘室外船只才能允許進入船閘閘室。

（3）當船只進入到閘室內安全位置時，按下關下閘，下游進閘信號燈紅燈變亮，下游閘室外船只禁止進入船閘閘室，下游閘門關終。

（4）當下游閘門關終后，自動發信號到上游，上游機柜上“下游閉鎖”操作燈亮，提醒上游操作人員下游閘門已關終。上游操作人員先判斷上游閘室內外水位是否水平，水位水平后，按下開上閘按鈕，上游閘門開始開啟運行。閘門開終后，上游出閘信號燈變綠，上游進閘信號燈變紅。船只可以從上游駛出。當船只全部從上游駛出后，操作人員按下“進閘綠燈”，此時上游進閘信號燈綠燈變亮，上游閘室外船只才能允許進入船閘閘室。

（5）當船只進入到閘室內安全位置時，按下關上閘，上游進閘信號燈紅燈變亮，上游閘室外船只禁止進入船閘閘室，上游閘門關終。至此繼續循環。

2.5 上位機控制系統

2.5.1 軟件簡介

本項目系統監控軟件選用研華的WebAccess軟件。該軟件100%基于Web瀏覽器，所有的工程開發和實時監控都是在標準的IE瀏覽器上完成；具有優異、穩定的系統架構，包括工程節點、監控節點、Web客戶端，無論是幾百點的小工程還是十萬點以上的大型工程都可從容應對；利用基于矢量的圖形技術，監控畫面可動態無級縮放，同時能導出AutoCAD DXF文件、BMP、GIF、JPEG等圖形文件，方便監控畫面的制作；內嵌的報警、實時趨勢、歷史趨勢、數據記錄、網絡視頻等功能可提升開發人員工作效率；豐富的驅動庫，包含對50多個系列上千種自動化設備的支持；通過標準的IE瀏覽器，只要連通Internet，通過Webaccess，就可以掌握網絡內所有自動化設備的運行情況[3]。

采用WebAccess 8.2 HMI網絡組態軟件作為開發及運行平臺，船閘上位機監控應用軟件具備監控和管理兩大特點：展示船閘整體模擬的監控畫面，實現對船閘閘門的相應控制操作；實時進行相關重要數據的采集，比如各種操作動作、運行狀況等，將其存入數據庫服務器，以便管理人員查詢、統計。

船閘上位機監控軟件通過與下位機PLC之間的通信，實時采集各個機房輸出的相關數據，例如，當前運行工步，上下行狀態；閘門開終、閘門關終、閘門開度、水位顯示；當前報警顯示；上下游進出閘通航燈顯示。提供船閘總貌圖、船閘閘門運行圖、實時數據曲線、歷史數據曲線、實時報警等查詢功能。同時，每次運行時，自動記錄閘門的開關時間、上下游水位以及運行時發生的故障報警，形成相關報表，從而動態地跟蹤船閘運行的全過程。

上位機顯示器上的畫面均使用漢字顯示，每步運行有運行指標。采用多媒體技術用于畫面圖形顯示，使其更直觀、形象逼真。

2.5.2 主要功能

（1）系統運行監視：對船閘控制方式（包括現地、集中、應急）、閘門運行狀態（包括開啟、關閉）、運行參數（閘門開度、電機電流與電壓等）進行監視，并能夠根據采集的實時數據進行運行畫面的動作模擬，如閘門旋轉動畫或水位顏色變化情況，讓操作人員能夠清晰地掌握整個系統的運行情況。該功能主要由主視畫面、照明畫面、拖動畫面、參數設置、趨勢查詢、故障查詢、報表查詢、系統幫助等軟件界面來實現。

圖2 上位機監控系統功能圖

①主視畫面：實時顯示操作方式、閉鎖狀態、閘門開度、閘門開終、閘門關終、實時水位、上下游水位水平、進出閘通航燈、電源電壓、電機電流、空開、電機保護狀態等信息；實現開閘、關閘、水平、允許進閘、禁止進閘、急停等操作。

②照明控制畫面：展示控制閘室、靠船墩照明燈及界限燈等照明設備的開關狀態并實現對其的操作控制。

③拖動畫面：實時顯示動力回路塑殼開關、接觸器的狀態、動力回路電壓和電機電流。

④趨勢查詢畫面：動態監視運行過程中的重點模擬量參數的變化趨勢，比如，全天24小時的水位及電源電壓的實時變化和歷史趨勢；閘門開啟關閉過程中的電機電流實時變化和歷史趨勢。

⑤參數設置：顯示閘門開終限位、關終限位狀態；展示當前累計運行閘次以及當次開閘關閘時間；進行水位、計水位值的校正；完成閘室、靠船墩照明燈及界限燈等照明設備的定時開關；實現潤滑油泵加油時間以及開關控制等。

⑥故障查詢：根據現地PLC采集的故障點，自動彈出故障報警對話框，進行故障定位，顯示故障名稱、故障位置等，快速地幫助現場人員解決相關故障問題。

⑦數據記錄及查詢：通過建立與數據庫服務器上SQL SERVER數據庫的連接，將重要的數據信息進行存儲。再配合visual studio開發的數據庫管理軟件進行查詢、導出、打印等管理。記錄的內容主要包括系統運行記錄、故障記錄、操作記錄、水位記錄、水位最值記錄、運行閘次時間記錄：

⊙ 運行記錄表中的記錄一條記錄反映了運行日期、起始時間、結束時間、運行信息、上游水位、下游水位等信息。

⊙ 故障記錄表中的記錄反映了發生日期、發生時間、故障信息、故障等級等信息。

⊙ 操作記錄表中反映了發生日期、發生時間、操作人員、操作內容等信息。

⊙ 水位記錄表中的記錄反映了每日特定時間里上下游水位等信息。

⊙ 水位最值記錄中統計了每日水位的最大值和最小值。

⊙ 運行時間記錄統計了每次開關閘發生的日期、時間、閘次及運行的時間等。

（2）系統運行注冊管理：對系統用戶的操作權限進行分級管理，即系統管理員級、系統檢修員級、操作員級，不同的操作級別對應著不同的權限。

3 結束語

采用上位機監控軟件配合下位機PLC方式開發的船閘自動化監控系統，充分利用了上位機和下位機各自的特點，真正達到了操作簡單、控制精度高、抗干擾能力強等要求，很好地實現了船閘設備自動化管理。隨著微處理器、計算機和數字通信技術的迅猛發展，這種形式的自動化監控將會得到更加廣泛的應用。■