廖　君，單　瀾

（浙江同濟科技職業(yè)學院，浙江 杭州 311231）

船閘自動化控制系統(tǒng)總體構(gòu)架設(shè)計
——以蜀山船閘為例

廖君，單瀾

（浙江同濟科技職業(yè)學院，浙江 杭州 311231）

摘要：結(jié)合蜀山船閘工程實踐,介紹了船閘自動化控制系統(tǒng)總體構(gòu)架設(shè)計，分析了系統(tǒng)設(shè)計原則、系統(tǒng)控制功能、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計路線,完成了船閘自動化控制系統(tǒng)功能,實現(xiàn)了船閘管控一體化。

關(guān)鍵詞：船閘；自動化；控制系統(tǒng)；總體構(gòu)架

0前言

蜀山船閘前身是上世紀60年代在候青江、最良江、中舜江及郁浪浦建造的4座節(jié)制閘，位于余姚境內(nèi)，建筑標準較低，設(shè)施老化，也沒有自動化控制系統(tǒng)，嚴重影響余姚城市防洪和姚江流域的排澇能力與通航能力，制約了余姚城市的發(fā)展。新建蜀山船閘工程是余姚城市防洪工程的骨干項目，也是杭甬運河的組成部分，列為浙江省、寧波市的重點工程。

新建蜀山船閘更加關(guān)注內(nèi)河水運的服務(wù)質(zhì)量、通航的便捷、安全可靠性、運輸效率等問題，顯然船閘的自動化建設(shè)是解決這些問題的關(guān)鍵。

1自動化控制系統(tǒng)設(shè)計原則

為了使蜀山船閘自動化控制系統(tǒng)工程能可靠、高效、安全、經(jīng)濟地運行，系統(tǒng)采用了先進的計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和圖形顯示技術(shù)于一體的分層分布式集散控制和管理系統(tǒng)。

1.1安全可靠和先進實用

按照“硬件冗余、軟件容錯”、“集中管理、分散控制”、“控制與管理功能分工”等原則，選擇成熟而且先進的分層分布式計算機控制系統(tǒng)。在控制過程信息集中管理和操作的前提下，使控制危險分散，提高系統(tǒng)的可靠性。船閘自動化控制系統(tǒng)工程將分散在現(xiàn)場的數(shù)據(jù)及信息由現(xiàn)地控制柜上PLC采集，直接傳至PLC控制機柜，再通過工業(yè)以太網(wǎng)和主控上位機進行集中監(jiān)控和管理，同樣主控站操作員的操作命令也通過網(wǎng)絡(luò)傳送至PLC柜和現(xiàn)場設(shè)備，對各現(xiàn)場設(shè)備進行分散監(jiān)測和控制。

1.2信息分層管理和控制權(quán)限分級

自動化控制系統(tǒng)采用全計算機控制及后備硬件手動控制的分級分層控制方式，即船閘集中控制層、現(xiàn)地自動控制層以及現(xiàn)地手動控制層。各層之間控制權(quán)限劃分明確，其中以現(xiàn)地手動控制優(yōu)先級最高，各級之間通過集中控制/現(xiàn)地自動/現(xiàn)地手動轉(zhuǎn)換開關(guān)切換（同時切換電氣回路和信號控制回路，以保證各級之間互鎖）。

船閘集中控制層主要由中控室的主控上位機和現(xiàn)地LCU子站構(gòu)成，它可提供交互人機監(jiān)控界面，集中采集該船閘各閘、閥門的各項狀態(tài)信息以及水位等性能數(shù)據(jù)和開關(guān)狀態(tài)，發(fā)出各項主控指令，處理發(fā)生的故障信息并對緊急狀態(tài)進行控制，保持系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)。

現(xiàn)地控制層主要由PLC現(xiàn)地控制柜組成，負責在現(xiàn)場采集各閘、閥門的實時運行狀態(tài)、開度、荷重和限位等信息，并根據(jù)上位機發(fā)送來的主控指令對現(xiàn)場各閘、閥門進行自動控制，同時當自控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以啟動現(xiàn)地PLC柜的手動后備控制回路，讓操作員可在現(xiàn)場對各閘、閥門實現(xiàn)現(xiàn)地應(yīng)急控制或進行設(shè)備維護和檢修。

1.3系統(tǒng)的開放性和可擴展性

整個系統(tǒng)采用分層分級的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議是國際公認的、開放的，所以可以很方便地對系統(tǒng)進行擴展和連接。

系統(tǒng)的硬件資源也具有充足的余量和可擴展空間，其軟件采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計，使控制系統(tǒng)更能適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴充。

1.4方便管理和便于維護

系統(tǒng)為閘室操作人員提供形象逼真，直觀的可視性人機交互監(jiān)控界面，全中文菜單，漸開式多層窗口和全中文操作指導，不熟悉微機的操作人員也可很方便地根據(jù)操作工藝要求，發(fā)布主控指令和在一定權(quán)限下進行設(shè)備工作參數(shù)的設(shè)定與修改；系統(tǒng)除對監(jiān)控設(shè)備工作狀況和檢測參數(shù)作出必要的報警提示、報警處理、故障記錄外，還具有系統(tǒng)本身軟硬件自我診斷功能，使操作人員對所有設(shè)備包括自控系統(tǒng)本身的運行狀況了如指掌。

系統(tǒng)硬件亦采用模塊化結(jié)構(gòu)，可拆卸接線端子，管理機實現(xiàn)冗余，PLC模塊具有帶電熱插拔功能。這些給系統(tǒng)維護提供了極大的便利，大大縮短了維護時間。

2自動化控制系統(tǒng)功能分析

2.1集中控制單元功能

集中控制單元設(shè)備布置在船閘的集中控制室內(nèi)。操作員工作站通過鼠標和鍵盤在屏幕上進行操作。集中控制單元主要功能如下：

1）向現(xiàn)地控制單元發(fā)送調(diào)度指令；

2）對故障、事故、越限告警等開關(guān)動作進行提示并記錄統(tǒng)計。事故報警信號具有最高的優(yōu)先權(quán)，可以覆蓋正在顯示的任何畫面；

3）對現(xiàn)地控制單元發(fā)送的運行信息，進行處理、存儲、實時顯示船閘各類運行圖、表；

4）具有雙機熱備，故障自動切換功能；

5）提供人機界面，通過顯示器、鍵盤、鼠標，由運行人員就地實施對船閘的控制、調(diào)節(jié)、定值修改等；

6）建立實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫；

7）能通過計算機聯(lián)網(wǎng)進行遠程數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)遠程瀏覽及查詢；

8）船閘運行過程自動記錄。

2.2現(xiàn)地控制單元功能

各現(xiàn)地控制單元分別布置在相應(yīng)的控制對象旁，其監(jiān)控對象為相應(yīng)的閘門、輸水閥門、平板閘門鎖定裝置及其卷揚機、液壓啟閉機以及交通信號燈。主要功能如下：

（1）監(jiān)視和控制

閘首現(xiàn)地控制單元通過開度傳感器對閘門、輸水閥門的開度及其偏差值進行監(jiān)控；通過水位傳感器對各閘門上、下游側(cè)水位及水位差進行實時檢測；通過按鈕、開關(guān)、信號指示燈等對現(xiàn)場各電氣量和非電氣量進行監(jiān)視和控制，對液壓系統(tǒng)的壓力、油位等重要信號量進行監(jiān)視、對油泵運行狀態(tài)進行監(jiān)視、對各電機電流電壓進行監(jiān)視；將采集的數(shù)據(jù)量和過程控制狀態(tài)量、電氣保護報警量、機械保護報警量在現(xiàn)地控制單元上顯示和報警并上送集中控制級；在現(xiàn)地觸摸屏上動態(tài)顯示船閘運行狀況（見下頁圖1）。

（2）數(shù)據(jù)采集與處理

可進行各類信息的查詢、統(tǒng)計和各類綜合報表生成；提供長期趨勢分析記錄；報表格式可根據(jù)用戶需要靈活實現(xiàn)；各控制參數(shù)能方便地進行修正。

故障情況下能自動采集故障發(fā)生時刻的有關(guān)數(shù)據(jù)，并按其發(fā)生的順序記錄故障的性質(zhì)和發(fā)生的時間。根據(jù)集中控制級的要求上送全部數(shù)據(jù)。

（3）控制閉鎖功能

完善可靠的信號與閉鎖設(shè)計，防止誤操作，防止通閥、通閘。

（4）聲光報警

現(xiàn)地控制單元設(shè)有反映所監(jiān)控對象故障、越限等狀態(tài)的聲音報警裝置和燈光報警裝置。

（5）通信功能

現(xiàn)地控制單元與集中控制級之間采用通信方式傳遞命令與信息，根據(jù)集中控制級的命令隨時傳送要求的信息；故障情況下，及時向集中控制級發(fā)送故障信息。

3自動化控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

將船閘自動化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)分為三層。最上層是中央監(jiān)控和管理層，包括2套互為熱備的工控計算機 (含數(shù)據(jù)庫系統(tǒng))，1套Web計算機，1套硬盤錄像機及網(wǎng)絡(luò)交換機，這些計算機通過以太網(wǎng)與因特網(wǎng)進行通信并連接。中間層是現(xiàn)地LCU控制層，LCU分布在上閘首、下閘首的左側(cè)機房內(nèi)，通過以太網(wǎng)互相連接。底層是設(shè)備與器件層，各種設(shè)備與器件通過硬線電纜與PLC及繼電器、接觸器相連接。該系統(tǒng)還留有與其他船閘、上級主管部門的通訊接口，可以通信并連接到上級主管單位和其他船閘，便于上級主管單位對該船閘進行監(jiān)控和管理船閘間的聯(lián)系。

自動化控制系統(tǒng)框架圖如圖1所示：

圖1自動化控制系統(tǒng)框架圖

船閘自動化控制系統(tǒng)主要用于監(jiān)控上閘首的平板閘門、輸水工作閥門、平板閘門鎖定裝置及卷揚啟閉機和液壓啟閉機系統(tǒng)，下閘首的人字閘門、輸水工作閥門及液壓啟閉機系統(tǒng)、廣播、交通信號、視頻設(shè)備(CATV)、收費調(diào)度以及閘室內(nèi)外的船舶。

船閘自動化控制系統(tǒng)采用分層分布式體系設(shè)計，采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，容錯設(shè)計，成熟的標準漢化系統(tǒng)，并保證不會因為任何一個器件發(fā)生故障而引起系統(tǒng)誤操作。

船閘各現(xiàn)地控制單元以SiemensS7-300系統(tǒng)可編程控制器（PLC）為基礎(chǔ)，具有自動控制和自診斷功能，即使主控制級計算機發(fā)生故障，仍可通過現(xiàn)地的觸摸屏、控制開關(guān)、按鈕、信號燈、表計等設(shè)備對各現(xiàn)地設(shè)備進行操作和監(jiān)視。

船閘自動化控制系統(tǒng)采用現(xiàn)地手動控制運行，現(xiàn)地自動（觸摸屏）控制運行和遠程集中自動化控制運行三種控制方案。現(xiàn)地手動的優(yōu)先級最高，現(xiàn)地自動（觸摸屏）控制次之，集中自動化控制更次之。

4監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計路線

1）首先根據(jù)船閘的實際情況和自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計原則，確定整個系統(tǒng)的類型為分層分布式集散控制和管理系統(tǒng)。

2）其次通過對整個系統(tǒng)進行功能和性能分析，確定系統(tǒng)實現(xiàn)的功能有控制、監(jiān)測、監(jiān)視、管理等。

3）然后根據(jù)系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能和性能，確定系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分為三層，整個系統(tǒng)由監(jiān)控系統(tǒng)與工業(yè)電視子系統(tǒng)、廣播通訊子系統(tǒng)、交通指揮子系統(tǒng)、收費調(diào)度管理子系統(tǒng)組成。

4）根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)列出所需的硬件設(shè)備，根據(jù)功能和性能要求選擇主控計算機、服務(wù)器、視頻監(jiān)視主機、可編程控制器、硬盤錄像機等的型號與數(shù)量、設(shè)計控制柜、操作臺等的結(jié)構(gòu)。根據(jù)系統(tǒng)的功能、性能、結(jié)構(gòu)，設(shè)計PLC的配置并對PLC的I/O進行統(tǒng)計。

5）上位機軟件設(shè)計：根據(jù)系統(tǒng)的功能、性能，依據(jù)組態(tài)軟件確定主菜單，主畫面，子菜單、子畫面。

6）下位機軟件設(shè)計：根據(jù)系統(tǒng)某項操作（動作）的功能與性能，設(shè)計操作（動作）流程圖，定義PLC的輸入輸出點和中間變量，編制相應(yīng)的一段程序，以實現(xiàn)該項操作（動作）。

5結(jié)語

船閘自動化控制系統(tǒng)是在綜合了計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動控制裝置，具有功能強、程序設(shè)計簡單、靈活通用、維護方便等優(yōu)點，特別是它的高可靠性和具有很強的適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的能力，應(yīng)用相當廣泛。蜀山船閘自動化控制系統(tǒng)的使用，縮短了上下行流程的平均流程時間，提高了船閘的運行效率。由于運行效率的提高，水運優(yōu)勢體現(xiàn)得更加明顯，從而改變了杭、甬、紹的產(chǎn)業(yè)布局與運輸格局，為浙江經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供了基礎(chǔ)保障。

參考文獻：

[1]孫秋高.杭甬運河的改造對浙東地區(qū)物流的影響[J].浙江交通職業(yè)技術(shù)學院學報,2006,7(1)：31.

[2]徐立子.變電站自動化系統(tǒng)的可靠性分析[J].電網(wǎng)技術(shù),2002,26 (8):68.

[3]熊幸明.PLC控制系統(tǒng)的抗干擾研究[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2004,(1):7-9.

[4]王曉.PLC控制系統(tǒng)可靠性的研究與設(shè)計[J].科技信息, 2006,(2):67.

[5]張娟勇.水電站監(jiān)控系統(tǒng)的抗干擾問題探討[J].信息與電腦, 2010,(6):116.

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）10-0004-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.10.002

收稿日期：2015-03-10

作者簡介：廖君（1965-），男，教授，從事閘門和汽車自動化技術(shù)研究工作。