王玉明 顏亞琴

（常州市城市防洪工程管理處，江蘇常州 213000）

0 引言

澡港水利樞紐工程是治太骨干工程中武澄錫低片治理的主要工程項(xiàng)目之一，位于常州市沿江引排骨干河道——澡港河的入江口。1998年11月開始新建，2002年6月竣工。工程具有防洪、排澇、抗旱、航運(yùn)、水環(huán)境保護(hù)等多種功能，主要包括船閘、節(jié)制閘和泵站等建筑物。船閘按通航能力500噸級(jí)船隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，閘室凈寬16 m，閘室長(zhǎng)190 m，上下閘首凈寬12 m，閘門為平面升臥式鋼閘門，采用臥式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，油缸型號(hào)分別為 QPPYⅠ-1250-7.4（長(zhǎng)江側(cè)）、QPPYⅠ-1000-6.0（內(nèi)河側(cè)），輸水方式為閘門門底輸水。

船閘計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)是航運(yùn)行業(yè)管理自動(dòng)化、信息化的重要組成部分，涉及計(jì)算機(jī)控制、分布式數(shù)據(jù)管理、軟件編程、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)等，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的PLC技術(shù)，將能更加有效地管理好樞紐船閘。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

澡港船閘計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，由集中控制系統(tǒng)、現(xiàn)地控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等組成。集中控制系統(tǒng)通過采集和分析船閘各現(xiàn)地控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)船閘運(yùn)行流程，向各現(xiàn)地控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的運(yùn)行指令及各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，再通過通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船閘的遠(yuǎn)程控制?，F(xiàn)地設(shè)置PLC控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)船閘的單項(xiàng)控制［1］。

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

澡港樞紐船閘計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)采用開放式全分布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分設(shè)主控級(jí)和現(xiàn)地單元控制級(jí)。

閘門控制中心設(shè)在上閘首控制室，設(shè)備包括：1臺(tái)操作員工作站，1臺(tái)視頻工作站，1臺(tái)硬盤錄像機(jī)，1臺(tái)打印機(jī)，1套UPS電源以及動(dòng)力柜和LCU柜。

操作員工作站主要完成閘門的運(yùn)行自動(dòng)化及其管理，包括歷史數(shù)據(jù)存檔、歸類、檢索和管理，運(yùn)行報(bào)表生成與打印。操作員工作站、視頻工作站、硬盤錄像機(jī)及PLC均通過LCU柜內(nèi)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行連接。

現(xiàn)地控制單元共2套，分別位于上下閘首的啟閉機(jī)泵房?jī)?nèi)，主要用于設(shè)備檢修及調(diào)試時(shí)在現(xiàn)地對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。每套現(xiàn)地控制單元設(shè)置有3塊LED數(shù)碼管顯示器，分別顯示上下游閘外水位、上下閘首閘門開度、閘室內(nèi)近上游側(cè)水位及近下游側(cè)水位。

上、下閘首閘門開度儀以及閘室水位儀同下位機(jī)通訊時(shí)，可在所有要通訊的儀表上設(shè)置好通訊參數(shù)，默認(rèn)串口配置參數(shù)：波特率為9600，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，協(xié)議為Modbus RTU。

1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要功能包括：數(shù)據(jù)采集與處理、操作和控制、運(yùn)行監(jiān)視和顯示、事件記錄、故障報(bào)警、記錄打印報(bào)表、數(shù)據(jù)通訊、設(shè)備運(yùn)行管理等。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 PLC部分

船閘控制系統(tǒng)PLC采用模塊化程序設(shè)計(jì)，對(duì)各項(xiàng)控制功能及任務(wù)進(jìn)行模塊化劃分，因此，理清各個(gè)模塊的輸入和輸出參數(shù)，以及各個(gè)模塊之間的調(diào)用關(guān)系是關(guān)鍵所在［2］。

2.1.1 動(dòng)力拖動(dòng)原理

澡港船閘計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中PLC部分動(dòng)力拖動(dòng)原理是：在上閘首和下閘首均設(shè)有一個(gè)備用電機(jī)，功率為37 kW，用以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，并通過采用簡(jiǎn)單的控制電路，控制電機(jī)的啟動(dòng)與停止。當(dāng)然，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，采用了低壓斷路器、熱繼電器和熔斷器對(duì)電路做必要的保護(hù)。其中，低壓斷路器除了能完成電路的接通和分段外，還能對(duì)電路或者電氣設(shè)備發(fā)生的短路、嚴(yán)重過載及欠電壓等進(jìn)行保護(hù)；熱繼電器的作用是充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過載能力；熔斷器用于電路的短路和嚴(yán)重過載保護(hù)［3］。

2.1.2 二次回路原理

PLC部分二次回路包括：現(xiàn)地/遠(yuǎn)程的選擇、動(dòng)力柜控制、控制箱對(duì)閘的控制、主泵/備泵的選擇、遠(yuǎn)程/進(jìn)程的選擇、急?？刂啤Ｆ湓硎峭ㄟ^控制繼電器的線圈得電與失電，間接控制上、下閘首的電機(jī)啟動(dòng)與停止。

當(dāng)然，任何電路中都必須有急停功能，一旦發(fā)生緊急情況，只要按下急停按鈕，可同時(shí)將所有正在運(yùn)行的電路斷開。

2.1.3 PLC編程原理

船閘運(yùn)行上行原理：下閘首閘門開，上閘首閘門關(guān)，上、下閘首閥門關(guān)；當(dāng)閘室無船舶并且上行船舶可以進(jìn)閘時(shí)，下游上行船舶進(jìn)閘；船舶進(jìn)閘后，關(guān)下游閘門，同時(shí)禁止上、下游通航；下游閘門關(guān)到位后，上游兩側(cè)閥門同時(shí)開啟，閘室開始漲水；當(dāng)閘室水位與上游水位相平后，開上游閘門；閘門開啟到位時(shí)，上游閘首值班員指揮上行船舶出閘；待閘室船舶出盡后，上下閘首便可以重新對(duì)外通航。下行原理類似。

根據(jù)上述原理，便可進(jìn)行PLC梯形圖程序的設(shè)計(jì)。首先通過流程圖大致了解所設(shè)計(jì)的程序，如圖1所示。

由圖1可知，程序根據(jù)HMI_KZ_QZD的值決定工作模式，其值為0則為全自動(dòng)方式，即由監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)水位對(duì)閘門首次開啟的高度及閘門開啟的級(jí)數(shù)進(jìn)行控制；其值為1則為半自動(dòng)方式，即當(dāng)水位測(cè)量系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，由操作人員利用“置步”按鈕選擇閘門首次開啟的高度。

上閘首初始化主要包括以下內(nèi)容：上閘門預(yù)置開度等于上閘首閘開度，當(dāng)前正在執(zhí)行的級(jí)數(shù)為0，水位差開啟閘門時(shí)預(yù)置延遲時(shí)間等于第一級(jí)延遲時(shí)間，對(duì)水位差超時(shí)延時(shí)標(biāo)志和閘門開啟延時(shí)報(bào)警值進(jìn)行清零。下閘首初始化設(shè)置相同。

圖2為啟動(dòng)第一級(jí)的流程圖，其余幾級(jí)的運(yùn)行步驟和原理相同。另外，在每一級(jí)運(yùn)行時(shí)，都會(huì)開啟閘門報(bào)警值，并保存相應(yīng)的級(jí)數(shù)。相鄰兩級(jí)之間會(huì)有固定的時(shí)間間隔，最終啟動(dòng)上閘首閘門和下閘首閘門。上、下閘首在全自動(dòng)條件下，通過閘門開度和預(yù)置開度判斷來決定閘門停止運(yùn)行。

另外，運(yùn)行級(jí)數(shù)根據(jù)水位差決定，水位差采用如下方法計(jì)算：

上下游水位差=上閘首閘外水位-下閘首閘外水位

上閘首閘水位差=上閘首閘外水位-下閘首閘內(nèi)水位

下閘首閘水位差=下閘首閘外水位-上閘首閘內(nèi)水位

圖1 主程序流程圖

計(jì)算出水位差后，便可運(yùn)行相應(yīng)的級(jí)數(shù)，使水位差和等級(jí)形成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。在全自動(dòng)方式下，只需計(jì)算出水位差，就可以決定閘門的開度，實(shí)現(xiàn)智能化控制。

全自動(dòng)方式下船閘的工作流程分為兩種：上行過程和下行過程。假設(shè)水位差大于1.2 m時(shí)分析上行過程：閘門開啟0.2 m，同時(shí)主泵運(yùn)行，提高下游水位，100 s后，水位差降低，進(jìn)入第二級(jí)，閘門再度開啟0.2 m，60 s后，水位差進(jìn)入第三級(jí)，閘門再度開啟0.3 m，60 s后，進(jìn)入第四級(jí)，閘門再度開啟0.5 m，隨后水位差已經(jīng)能夠達(dá)到第五級(jí)，此時(shí)下游閘門全開，船只進(jìn)入閘室，同時(shí)關(guān)閉下游主泵。在閘室的船只，采用同樣的原理，根據(jù)水位差決定上游主泵的打開時(shí)間，在不斷充水的同時(shí)，不斷開啟閘門，直至全開，最后關(guān)閉上游主泵，船只離開閘室。

本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要在于，即使水位測(cè)量系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也可在半自動(dòng)方式下運(yùn)行，即由操作人員利用“置步”按鈕選擇閘門首次開啟的高度，再根據(jù)水位差逐步開啟閘門。

圖2 運(yùn)行第一級(jí)流程圖

2.2 上位機(jī)部分

對(duì)上位機(jī)部分進(jìn)行操作時(shí)，要特別注意遵循系統(tǒng)的啟動(dòng)順序：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備電源投入，現(xiàn)地控制單元電源投入，監(jiān)控室控制單元電源投入，監(jiān)控計(jì)算機(jī)啟動(dòng)，運(yùn)行監(jiān)控軟件，以保證操作的正確性。

2.2.1 平水行舟控制

在控制界面可以對(duì)閘門進(jìn)行開啟、停止和關(guān)閉操作。平水行舟控制流程見圖3。

圖3 平水行舟控制流程圖

在正常開啟和關(guān)閉閘門前，先選擇平水行舟運(yùn)行方式，并選擇所要操作的閘門是上閘首還是下閘首，再選擇所用的油泵是主泵還是備泵，然后查看控制方式是否為遠(yuǎn)程，最后分別點(diǎn)擊“上升”“下降”“停止”按鈕進(jìn)行控制。操作人員在按此種方式操作時(shí)，應(yīng)時(shí)刻注意閘門開度的數(shù)值變化，并通過視頻對(duì)閘門實(shí)際動(dòng)作的畫面進(jìn)行監(jiān)控，以應(yīng)對(duì)可能的突發(fā)事件。操作界面如圖4所示。

參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示。

2.2.2 數(shù)據(jù)報(bào)表

報(bào)表軟件主要是為用戶提供事件、報(bào)警和過程的歷史數(shù)據(jù)查詢、導(dǎo)出和報(bào)表打印等功能。

數(shù)據(jù)庫(kù)配置主要是修改報(bào)表軟件所關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)源，主要設(shè)置主機(jī)名、數(shù)據(jù)庫(kù)名、用戶名和用戶密碼。特別注意的是，在修改參數(shù)后必須重新啟動(dòng)軟件才能生效。

事件查詢窗口主要是對(duì)系統(tǒng)中執(zhí)行的主要操作記錄進(jìn)行查詢。當(dāng)用戶進(jìn)行查詢時(shí)，要選擇好類型、起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，查詢結(jié)果。當(dāng)用戶想保存當(dāng)前查詢的數(shù)據(jù)時(shí)，可以用Excel格式導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

筆者詳細(xì)介紹了澡港船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)用，PLC的運(yùn)用可使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠、安全，使船閘的可控性得到保障。

經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)動(dòng)作準(zhǔn)確，整體運(yùn)行連續(xù)性好，滿足船閘通航需要。本系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)、調(diào)試及運(yùn)行，不僅保證了澡港船閘的安全可靠運(yùn)行，而且為同類型船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

圖4 平水行舟控制界面

圖5 參數(shù)設(shè)置界面

［1］ 石曉松，易春輝，黃建平.基于分層控制的閘門群自動(dòng)控制設(shè)計(jì)［J］.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2007（4）.

［2］ 曾繁玲.施耐德PLC、變頻器入門與應(yīng)用實(shí)訓(xùn)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2011:125-176.

［3］ 吳建強(qiáng).可編程控制器原理及其應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，2010:1-20.