祝 福，肖彥直

（1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院，武漢 4300502；中國船舶重工集團公司第七○九研究所，武漢 430074）

船閘計算機監(jiān)控技術(shù)探討

祝 福1，肖彥直2

（1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院，武漢 4300502；中國船舶重工集團公司第七○九研究所，武漢 430074）

通過介紹船閘計算機監(jiān)控技術(shù)發(fā)展，對基于高性能PLC、PC工作站和網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)進行簡要設(shè)計，探討了分布式監(jiān)控系統(tǒng)中與計算機、控制、網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)工程解決方案，提出了采用融計算機控制、分布式數(shù)據(jù)管理、大型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)為一體，在關(guān)鍵部位采用冗余設(shè)計的分層分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)，是船閘計算機監(jiān)控技術(shù)發(fā)展方向。

船閘監(jiān)控技術(shù)；計算機監(jiān)控；冗余容錯

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國水電工程建設(shè)事業(yè)取得了飛速發(fā)展，其中配套使用的水利樞紐船閘、升船機等通航設(shè)施機電設(shè)備制造處于世界先進水平，直接推動水電站計算機監(jiān)控技術(shù)發(fā)展。為實現(xiàn)船閘整體的操作、運行、維護和管理，建立具有部分冗余容錯功能的高可靠分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)，代表船閘計算機監(jiān)控技術(shù)的主流。

1 船閘特點及分類

船閘特點是設(shè)備布置分散、安全可靠性要求高，存在本地和遠程設(shè)備監(jiān)視、控制、管理、調(diào)度、通信等需求，對系統(tǒng)先進性、可操作性和易維護性有較高的要求。特別需要可靠的閘、閥門啟閉速度曲線控制和閘門同步運行控制，及檢修橋機、防撞裝置控制；并且設(shè)置相鄰閘首開門閉鎖、水位平壓開門、合攏失敗自動關(guān)閥、誤操作保護、程序“多一”保護、緊急關(guān)閥保護和其它電氣和液壓系統(tǒng)保護等。

從控制角度來講，船閘包括單級船閘和多級船閘，多級船閘中典型的是3級船閘和5級船閘，一般連續(xù)布置。級數(shù)越多，閘首間閉鎖關(guān)系越復(fù)雜，水位配合關(guān)系越復(fù)雜，監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)管理、調(diào)度控制、通信服務(wù)等方面逐步擴展，系統(tǒng)規(guī)模越來越大，越來越復(fù)雜。

2 船閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[1-5]

2.1 基于PLC+IPC控制的簡單系統(tǒng)

一般為2層DCS系統(tǒng)，包括現(xiàn)地控制層和集中操作、監(jiān)視、管理層，工業(yè)控制主干網(wǎng)和現(xiàn)場總線網(wǎng)（見圖1）。

圖1 基于PLC+IPC控制的簡單系統(tǒng)圖

2.2 基于PLC+IPC控制的復(fù)雜系統(tǒng)

一般為3層DCS系統(tǒng)，包括現(xiàn)地控制層、集中操作監(jiān)視層、運行調(diào)度管理層，管理以太網(wǎng)、工業(yè)控制主干網(wǎng)和現(xiàn)場總線網(wǎng)，關(guān)鍵設(shè)備冗余（電源、主控設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、傳感器、執(zhí)行器等），必要時設(shè)置遠程操作、管理終端，或通過路由器、網(wǎng)絡(luò)隔離設(shè)備與上層信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，構(gòu)成大型異構(gòu)分層分布式網(wǎng)絡(luò)（見圖2）。

2.3 冗余容錯設(shè)計

2.3.1 電源冗余設(shè)計

主電源：交流電源互投（雙回輸入）；

UPS：冗余供電（雙回輸入，可穩(wěn)壓輸出、可旁路輸出）；直流電源：并聯(lián)冗余供電；PLC電源：并行冗余供電。

2.3.2 控制器冗余配置

一般有冷備、溫備、熱備、雙工4種模式，以溫備（操作站）、熱備（控制器）系統(tǒng)居多（見圖3）。

2.3.3 網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計

層間通信采用冗余的快速工業(yè)以太網(wǎng)，例如ProfibusonTCP/IP，或ModbusonTCP/IP等；現(xiàn)場通過冗余總線（Profibus、ModbusPlus等）網(wǎng)絡(luò)連接I/O。

圖2 基于PLC+IPC控制的復(fù)雜系統(tǒng)圖

圖3 控制器冗余模式

2.3.4 數(shù)據(jù)冗余

適當增加數(shù)據(jù)冗余度，可以提高系統(tǒng)可靠性。每個功能單元可以對自己的數(shù)據(jù)獨立操作，同時操作員站對服務(wù)器數(shù)據(jù)部分冗余，操作員站間數(shù)據(jù)冗余，現(xiàn)地站對操作員站數(shù)據(jù)部分冗余。這樣即使通信故障，記錄數(shù)據(jù)不會丟失，同時數(shù)據(jù)庫出問題時，可以及時恢復(fù)數(shù)據(jù)。但在增加數(shù)據(jù)冗余的同時，應(yīng)考慮好數(shù)據(jù)一致性問題，數(shù)據(jù)庫并發(fā)操作問題。

2.4 軟件設(shè)計

軟件采用結(jié)構(gòu)化、模塊化、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法；增強系統(tǒng)的分級容錯設(shè)計，保證重要傳感器、執(zhí)行機構(gòu)故障時系統(tǒng)可以容錯運行，例如水位計、開度儀、電機、電磁閥等。加強故障檢測報警及應(yīng)急處理功能，閉鎖條件的判斷處理；增強操作控制指令校驗，提供強大的數(shù)據(jù)查詢和信息提示功能，同時系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等部分故障時，系統(tǒng)可以降級運行，防止系統(tǒng)進入被動性失控狀態(tài)。

2.5 故障保護設(shè)計

由于船閘運行的特殊要求，即運行高可靠性、高安全性，其監(jiān)控系統(tǒng)必須設(shè)計一套完整的操作控制、運行監(jiān)視流程和故障保護流程，主要故障保護涉及控制設(shè)備故障、檢測設(shè)備故障、供電設(shè)備故障、液壓系統(tǒng)故障、執(zhí)行機構(gòu)故障等。

3 船閘監(jiān)控技術(shù)展望

3.1 船閘計算機監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)

（1）采用“冗余、容錯、集散”等先進技術(shù)措施，構(gòu)架船閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性和信息化管理技術(shù)水平；

（2）研究的船閘連續(xù)運行水位配合、控制及保護算法，確保船舶航行安全；

（3）根據(jù)運行工藝要求，研究船閘控制邏輯流程，解決船閘連續(xù)運行中存在的控制耦合、并發(fā)操作控制等技術(shù)問題，提高船閘運行可靠性、可操作性；

（4）采用各種協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)和安全保護措施，使連續(xù)布置的各閘首的閘/閥門得以安全可靠地協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，能使船舶可以安全快速地通過船閘；

（5）采用圖像自動跟蹤與自動廣播控制技術(shù)，可以提高船閘監(jiān)控的自動化水平；

（6）研究船閘設(shè)備故障安全保護措施，提高設(shè)備的可維護性。

3.2 國內(nèi)外典型船閘監(jiān)控技術(shù)對比[2-4]

表1列出了國內(nèi)外典型的單級、3級、5級船閘，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制器、網(wǎng)絡(luò)、上位機配置、操作方式、運行方式上進行了比較，可見采用集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、光纖網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵設(shè)備冗余、集中與現(xiàn)地操作相結(jié)合、運行方式靈活得到認同。

3.3 計算機監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展

計算機控制技術(shù)發(fā)展：DDC→SCC→DCS→FCS，集散型控制系統(tǒng)分散控制，集中管理，具有較高的可靠性和實用性，集計算機、通信、控制、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)為一體的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)成為了工業(yè)控制領(lǐng)域最為熱門的話題，由于本身所固有的一些技術(shù)特點和優(yōu)勢，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)已經(jīng)成為計算機控制系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

表1 國內(nèi)外船閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)對照表

計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢：以單計算機為中心的聯(lián)機終端系統(tǒng)→以通信子網(wǎng)為中心的主機互聯(lián)→計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)標準化。

數(shù)據(jù)庫發(fā)展趨勢：網(wǎng)狀、層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)→關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)→以面向?qū)ο竽Ｐ蜑橹饕卣鞯臄?shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)訪問模式的發(fā)展：C/S（客戶/服務(wù)器）模式→B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式。瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，是對C/S結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進的結(jié)構(gòu)。簡化了客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護與升級的成本和工作量，能實現(xiàn)不同的人員，從不同的地點，以不同的接入方式（比如LAN，WAN，Internet/Intranet等）訪問和操作共同的數(shù)據(jù)庫。

3.4 船閘視頻監(jiān)控技術(shù)

為滿足船閘全方位、全天候、自動跟蹤視頻監(jiān)控的目的設(shè)置工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)，有模擬視頻及數(shù)字視頻兩種方案。采用全天候低照度模擬攝像機、光電轉(zhuǎn)換、光纖傳輸、矩陣切換控制、計算機圖像采集卡、監(jiān)視器監(jiān)控等構(gòu)成的模擬視頻系統(tǒng)一度占據(jù)主導地位；現(xiàn)階段被數(shù)字攝像機、視頻服務(wù)器、光纖傳輸、硬盤錄像機、計算機網(wǎng)絡(luò)圖像采集、DLP大屏監(jiān)控等構(gòu)成全數(shù)字流媒體視頻系統(tǒng)逐漸取代。關(guān)鍵在于后者開放性好、圖像瀏覽、自動切換控制方便，可以通過計算機圖像采集、網(wǎng)絡(luò)集成，實現(xiàn)視頻網(wǎng)絡(luò)共享，即通過Web服務(wù)實現(xiàn)視頻存儲和視頻信息發(fā)布。

4 結(jié)語

盡管在船閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)制造上，我國目前處于世界先進水平，遺憾的是系統(tǒng)中大量使用國外控制產(chǎn)品，而且在“自動化、信息化、無人值守”發(fā)展方向上還有潛力可挖，寄希望于國內(nèi)同行奮起直追，大力發(fā)展民族工業(yè)，開拓船閘監(jiān)控技術(shù)新局面。

[1] 王德吉.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)詳解[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[2] 羅 飛.三峽船閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電工技術(shù)，2013（4）：40-41.

[3] 趙勇飛，王 淼，田茂剛，等.浯溪船閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].水電廠自動化，2011（3）：62-63.

[4] 劉雪芹，劉新泉，姚懷柱.三河船閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用[J].江蘇水利，2012（8）：30-31.

[5] 劉曙明，張復(fù)全.船閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].交通科技，2012（6）：72-75.

（責任編輯：周 群）

Discussion on shiplock computer supervision and control technology

ZHU Fu1,XIAO Yan-zhi2
（1.Wuhan Institute of Shipbuilding Technology,Wuhan 430050,China;2.709 Institute of China Shipbuilding Industry Corporation,Wuhan 430074,China）

An introduction was made on the development of shiplock computer supervision and control technology.The authors present a brief design of supervision and control system based on PLC and PC workstations with high performance as well as network,discuss the technical solutions related to computer,control and network for a dis?tributed system,put forward the development direction of shiplock computer monitoring system,i.e.an integrated hi?erarchical distributed computer monitoring system incorporating computer control with distributed data manage?ment,large-scale heterogeneous network,and with redundancy at key positions.

Shiplock monitoring technology;computer supervision and control;redundancy and fault-tolerance

TP31；U641.7

B

1003-1510（2016）02-0076-03

2016-01-18

湖北省教育廳科研項目（B20128507）

祝 福（1970-），男，湖北云夢人，武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院電氣學院副教授，碩士，主要從事電氣自動化及控制工程的教學及研究開發(fā)工作。