【摘 要】結合蜀山船閘工程實踐，介紹了船閘自動化監(jiān)控系統(tǒng)軟件的組成及技術要求，分析了軟件設計的可操作性、可擴展性和可修改性，完成了船閘自動化監(jiān)控系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)，實現(xiàn)了船閘管控一體化。

【關鍵詞】船閘 自動化 監(jiān)控系統(tǒng) 控制技術

蜀山船閘位于余姚境內，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四座節(jié)制閘。由于建筑標準較低，年積月累，設施老化，且沒有自動化控制系統(tǒng)，因而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，也制約了余姚城市的發(fā)展，因此決定新建蜀山船閘。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。船閘工程規(guī)模為500噸級（Ⅳ級航道）船閘、主要建筑物為Ⅲ級。

隨著內河水路貨物運輸?shù)男枨蟛粩嘣鲩L，交通運輸服務質量意識的不斷提高，人們開始關注內河水運的服務質量、通航的便捷、安全可靠性、運輸效率，特別是時間延誤等問題，船閘的自動化建設顯然是解決這些問題的關鍵。

一、船閘自動化監(jiān)控軟件

船閘綜合自動化系統(tǒng)主要由船閘計算機監(jiān)控子系統(tǒng)、收費調度管理子系統(tǒng)、工業(yè)電視子系統(tǒng)及廣播通訊子系統(tǒng)、交通控制子系統(tǒng)組成。

而船閘自動化監(jiān)控軟件系統(tǒng)一般由系統(tǒng)軟件、工具軟件、應用軟件組成。

（1）系統(tǒng)軟件包括：a） 操作系統(tǒng)：Windows server 2000；b） 網絡協(xié)議：TCP/IP；c） 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：SQL SERVER ，熱備。

（2）工具軟件包括：a） 組態(tài)軟件：組態(tài)王 6.5版；b） PLC編程軟件：STEP S7-300（西門子）；c） 數(shù)據(jù)庫編程軟件：SQLserver2000；d） 觸摸屏編程軟件：ProTool 6.0。

（3）應用軟件包括：a） 現(xiàn)地PLC梯形圖軟件；b） 中控室監(jiān)控及管理軟件；c） 現(xiàn)地觸摸屏操作員應用軟件；d） 中控室數(shù)據(jù)庫管理軟件；e） WEB查詢發(fā)布軟件；f） 上、下閘首TPl70應用軟件。

計算機操作系統(tǒng)軟件結構如圖1：

二、自動化監(jiān)控系統(tǒng)軟件技術要求

監(jiān)控系統(tǒng)軟件滿足下列要求：

支持應用軟件直接快速存取數(shù)據(jù)，以及對數(shù)據(jù)的修改、查詢、擴充和實時處理；保持應用程序和數(shù)據(jù)之間的高度獨立性，控制數(shù)據(jù)的完整性和統(tǒng)一性；保持數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的可靠性，采取措施確保有效的數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)庫中；提供數(shù)據(jù)庫保護，以防人為或程序造成不正當?shù)男薷?；應用軟件中可以使用?shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，完成性能監(jiān)視的統(tǒng)計資料。

動態(tài)顯示船閘運行狀況，在集中控制室的上位機顯示器和現(xiàn)地觸摸屏上都有船閘運行狀況的動態(tài)顯示。

網絡具有良好的擴展性：與上下游遠調之間留有接口；與其他船閘之間留有接口；與管理網絡聯(lián)網留有接口等。

三、軟件設計

軟件配置在不影響系統(tǒng)總體功能的前提下，依據(jù)“危險分散”原則進行分散配置，分站不依賴中央，能完全獨立地完成對所屬區(qū)域或設備實施控制。軟件采用模塊化結構，系統(tǒng)具有最簡易的可操作性、規(guī)模的可擴展性、數(shù)據(jù)的可修改性（如圖2所示）。

（一）上位機軟件

具備監(jiān)測和管理兩項功能，由運行監(jiān)測、運行統(tǒng)計、WEB發(fā)布等模塊組成，監(jiān)控軟件能使每一個節(jié)點與網絡其他所有節(jié)點互相監(jiān)控。

通過與下位機PLC的通訊，得到上下閘首的各種有關參數(shù)，并自動跟蹤船閘運行過程。實時顯示當前運行過程的有關參數(shù)，如：閘門開度、閥門開度、水位的動態(tài)模擬數(shù)值顯示、故障內容顯示和聲音報警；上下行標志和通航指揮信號標志模擬顯示，程序步運行指示；提供船閘總貌圖、分組圖、船閘閘閥門運行圖、設備運行狀態(tài)圖（電氣設備運行狀態(tài)圖如圖3所示）、重要參數(shù)趨勢圖、運行棒圖和報警的手動切換；每次運行過程的上下游水位、通航起始和終止時間、故障內容和故障時間的自動記錄，形成日報表和故障表等。

上位機顯示器上的圖形顯示、菜單操作等均在漢字環(huán)境下實現(xiàn)；操作系統(tǒng)采用Windows server 2000，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性；采用多媒體技術實現(xiàn)閘閥門的動態(tài)運行顯示，使顯示畫面更直觀、形象生動。

（二）下位機軟件

由PLC軟件和觸摸屏軟件構成。具備開關量和模擬量采集輸入、控制開關量輸出、網絡通訊等功能。它由卷揚式啟閉機控制模塊、水位采集處理模塊、液壓啟閉機控制模塊、人字門控制模塊等模塊組成。上下閘首之間的閉鎖、閘閥門、水位差之間的閉鎖均在下位機軟件里實現(xiàn)。

PLC軟件使用IEC1131-3規(guī)定的語言進行編程。各可編程控制器的程序是獨立的，程序結構為模塊式，內容包括控制運行、檢測、故障診斷等?？呻x線模擬與調試已經編好的程序，亦可在線修改。

（三）數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是監(jiān)控系統(tǒng)軟件的核心部分，是聯(lián)系上位機和下位機的橋梁。下位機采集到的數(shù)據(jù)和上位機的控制數(shù)據(jù)都存儲在數(shù)據(jù)庫定義的變量中，對數(shù)據(jù)的訪問、查詢、更新以及數(shù)據(jù)交換、網絡通信等功能都是建立在數(shù)據(jù)庫的基礎上。

考慮未來船閘運行期間對數(shù)據(jù)庫的要求，采用基于網絡模式的SQL SERVER數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。依據(jù)船閘自動監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)管理的需要，開發(fā)的數(shù)據(jù)庫具備以下基本功能：①有良好的安全維護性；②方便的數(shù)據(jù)查詢功能；③有密碼限制的數(shù)據(jù)修改功能。

（四）信息查詢系統(tǒng)

采用ASP技術建立動態(tài)交互WEB界面瀏覽的信息查詢系統(tǒng)?；赪EB服務器和SQL數(shù)據(jù)庫服務器，Internet Explore等瀏覽器向WEB服務器遞交查詢請求（如圖4所示），申請訪問一個ASP文件，WEB服務器接受到請求后調用相應的ASP文件度解釋執(zhí)行，用ADO組件通過ODBC驅動程序訪問數(shù)據(jù)庫，再將查詢的結果返回到用戶端的瀏覽器頁面（如下圖5所示）。

四、船閘自動化監(jiān)控系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)

船閘監(jiān)控系統(tǒng)采取現(xiàn)地手動控制運行（現(xiàn)地手動控制子系統(tǒng)）、現(xiàn)地自動控制運行（觸摸屏控制子系統(tǒng)）以及集中自動控制運行（集中控制子系統(tǒng)）三種控制方案。每種運行方案均以各個控制對象的現(xiàn)地開關柜為起點，但現(xiàn)地手動控制子系統(tǒng)的優(yōu)先級最高，現(xiàn)地自動控制子系統(tǒng)優(yōu)先級其次，集中控制子系統(tǒng)優(yōu)先級最低，且具有互鎖功能。

在船閘監(jiān)控系統(tǒng)操作模塊中設置了轉換操作區(qū)、單步操作區(qū)、聯(lián)動操作區(qū)。轉換操作區(qū)設有單步與聯(lián)動、上行與下行的轉換指令；聯(lián)動操作區(qū)設有進閘指令、聯(lián)動啟動指令；單步操作區(qū)設有上、下閘的轉換、進船、出船、開閘、關閘、開閥、關閥、鎖定、解鎖、停機、停航指令（如圖6所示）。

運用索引技術和自動切換技術，每步操作都有相應提示，一般運行人員均可在較短的時間內掌握，使操作人員很靈活地完成操作方式之間的投入、退出或轉換。

（一）現(xiàn)地手動操作控制

每個閘首的啟閉機現(xiàn)地控制柜上，設有各閘門、閥門開門/關門的啟動/停止按鈕和指示燈以及平板閘門鎖定裝置的鎖定/解鎖按鈕和指示燈，對每扇閘門、閥門獨立進行控制。

1.平板閘門的手動控制：

鎖定：按下鎖定按鈕，液壓系統(tǒng)電磁閥控制閘門鎖定機構，實現(xiàn)對平板閘門的鎖定。

解鎖：按下解鎖按鈕，液壓系統(tǒng)電磁閥控制閘門鎖定機構，實現(xiàn)對平板閘門的解鎖。

關門：按下關門按鈕，平板閘門解鎖行程開關到位后，起動卷揚機電動機組，閘門同步下降，當閘門到達全關位置后自動停止。

開門：按下開門按鈕，啟動卷揚機電動機，提升閘門，到達全開位置時自動停止。

2.人字閘門的手動控制：

關門：按下關門按鈕，啟動泵源，再由液壓系統(tǒng)電磁閥驅動閘門關閉，當閘門到達全關位置后自動停止。

開門：按下開門按鈕，啟動泵源，再由液壓系統(tǒng)電磁閥驅動閘門開啟，達到全開位置后自動停止。

3.輸水閥門的手動控制

開門：按下開啟按鈕，同一閘首兩側的輸水閥門同時以調定的同一速度提升，至全開位置后自動停止。

關門：按下關門按鈕，同一閘首兩側的輸水閥門同時以調定的同一速度下降，至全關位置后自動停止。

在現(xiàn)地操作控制臺面板上還設有“急?！本o急處理按鈕，以確保船閘的運行安全。

緊急關閥：在船閘控制系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況時，將按下“緊急關閥”按鈕，以確保船閘的運行安全。

（二）現(xiàn)地自動控制

通過現(xiàn)地控制單元（LCU）中的現(xiàn)地操作控制臺觸摸屏來實現(xiàn)閘閥門的PLC程序控制操作。

觸摸屏采用船閘剖面圖作為閘閥門運行指示區(qū)的背景，將閘閥門動作情況、水位計數(shù)據(jù)、系統(tǒng)控制方式、通航信號等內容實時指示出來，使操作人員進行本閘首操作時，并能了解另一閘首的閘閥門情況。

通過觸摸屏和LCU控制，對上、下閘首分別以一個命令實現(xiàn)輸水閥門和閘門的順序開啟和關閉。

1.上閘首現(xiàn)地程序控制：

程序充/泄水的順序為：啟閥門→啟閘門→鎖定→閉閥門

程序閉門的順序為：解鎖→閉閘門

2.下閘首現(xiàn)地程序控制：

程序充/泄水的順序為：啟閥門→啟閘門→閉閥門

程序閉門的順序為：閉閘門

當對側閘首的閘門和輸水閥門都處在全關位置時，才允許本閘首進行單項控制和程序控制。

（三）集控程序控制

集中控制是指在集中控制室實現(xiàn)的集控聯(lián)動運行和集控單步運行（如圖7所示）。

操作人員在集中控制室操作，由上下閘首PLC程序按船閘過閘工藝程序，自動控制上下閘首閘、閥門順序運行，完成船舶過閘。

在集中控制室控制面板也設有“急?！本o急處理按鈕，以確保船閘的運行安全。

五、結語

船閘自動化控制系統(tǒng)是在綜合了計算機網絡技術、自動控制技術和通信技術基礎上發(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惡劣工作環(huán)境的能力，應用相當廣泛；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、紹的產業(yè)布局與運輸格局，為浙江經濟的可持續(xù)發(fā)展提供了基礎保障。

作者簡介：

王一城，男，1993.08一，籍貫：浙江杭州，浙江大學在讀本科，研究方向自動化控制。