苑清敏　安小剛

摘 要：為改善船閘控制方式和增強船閘控制信息與管理信息的聯(lián)通性，本文利用環(huán)形容錯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、冗余技術(shù)、船閘人字門和閘門開度數(shù)字檢測技術(shù)、變頻器控制人字閘門技術(shù)等對內(nèi)河船閘控制系統(tǒng)的設(shè)計進行優(yōu)化研究，提高船閘控制技術(shù)水平，提高船閘運行效率。

關(guān)鍵詞：船閘;控制系統(tǒng);優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：U641? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）01-0026-02

近年來，西部內(nèi)河管理部門十分重視河流渠化建設(shè)，船閘的作用也越顯重要，控制水平也在日漸提高。船閘建設(shè)已經(jīng)成為西部內(nèi)河流域發(fā)展的重點。大頂船閘的基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)得到了有效的改變。但是船閘控制操作方式相對落后，技術(shù)水平參差不齊，人工進行手動控制為主，計算機自動控制為輔，在控制過程中存在一定的安全隱患，并且有些控制在信息采集過程中能獲取有用的信息比較少，所以對于整個閘門監(jiān)控系統(tǒng)的安全度不高。因此，為了改善船閘控制系統(tǒng)的自動化程度，保證控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，且控制信息有效采集與傳輸，本文利用環(huán)形容錯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、冗余技術(shù)、船閘人字門和閘門開度數(shù)字檢測技術(shù)、變頻器控制人字閘門技術(shù)等對內(nèi)河船閘控制系統(tǒng)的設(shè)計進行優(yōu)化研究，提高船閘控制技術(shù)水平，提高船閘運行效率。

1 船閘控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

1.1 船閘控制系統(tǒng)環(huán)形容錯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在大頂子山船閘控制系統(tǒng)中，利用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的容錯能力，選用支持環(huán)網(wǎng)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機，按照環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)搭建成網(wǎng)絡(luò)，并將其中一臺交換機設(shè)置成冗余管理器。一旦某個網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了故障，臨近的網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備會馬上通知其他交換機，作為冗余管理器的交換機就會實行切換，恢復(fù)原來沒有傳輸數(shù)據(jù)鏈路的功能，達到從另外一個方向連接故障點設(shè)備的功能，整個切換時間小于500毫秒。整個網(wǎng)絡(luò)這時變成了總線型以太網(wǎng)、沒有冗余。當(dāng)損壞的部分修復(fù)完成后網(wǎng)絡(luò)將自動恢復(fù)到初始的冗余工作狀態(tài)。

1.2 船閘控制系統(tǒng)PLC冗余技術(shù)應(yīng)用

在船閘中，PLC主機并沒有采用熱備系統(tǒng)。一旦PLC主機機架中有模塊出現(xiàn)故障，會造成整個控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則不能對船閘實施自動控制操作，尤其是在船閘人字閘門開閉時，會造成嚴(yán)重的后果。為了提高整個船閘控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在大頂子山船閘控制系統(tǒng)中均采用了雙機熱備系統(tǒng)。這樣使得整個系統(tǒng)的性能得到了提升，系統(tǒng)在運行穩(wěn)定性、安全性和可靠性方面也得到了有力的保證。

1.3船閘人字門和閘門開度數(shù)字檢測技術(shù)

采用了數(shù)字旋轉(zhuǎn)編碼器來測量閘門旋轉(zhuǎn)的角度，編碼采用格雷碼技術(shù)，它是一種絕對位置式編碼器。

絕對位置編碼器是直接輸出數(shù)字量的位置傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干條同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)域相間組成，相鄰碼道內(nèi)的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進制數(shù)編碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)設(shè)置有光源，另一側(cè)對應(yīng)的每一碼道有一光敏元件;當(dāng)碼盤處于不同的位置時，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號，形成一組二進制數(shù)，這種編碼器的特點是不需要計數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字編碼。

1.4變頻控制人字閘門技術(shù)

變頻調(diào)速很容易實現(xiàn)電動機的正、反轉(zhuǎn)。閘門的打開和關(guān)閉動作只需要輸出兩個常開觸點指令給變頻器即可，不需要換向接觸器。也不存在因換相不當(dāng)而燒毀電動機的問題。閘門在打開和關(guān)閉啟動瞬間，可以從低速開始啟動，頻率較低。減少瞬間的沖擊，保護閘門的機械元件。另外，兩扇閘門在關(guān)閉時可以按照需要實時調(diào)節(jié)兩臺閘門電機的轉(zhuǎn)速差，非常方便實現(xiàn)閘門關(guān)閉的同步控制。如果采用工頻電機，是很難實現(xiàn)的。當(dāng)然，使用變頻器也有需要注意的問題：主要是變頻器產(chǎn)生的諧波干擾對控制系統(tǒng)影響較大。

2 船閘控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

2.1船閘作業(yè)流程研究優(yōu)化

在本控制系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)時，對可能損害船閘設(shè)施及船只、人身安全的危險操作與動作進行了優(yōu)化。在PLC控制程序和現(xiàn)地操作站中增加了設(shè)備操作連鎖、互鎖等保護功能，在原有控制方案基礎(chǔ)上提高了船閘操作的準(zhǔn)確性和安全性，減少了人為誤操作引發(fā)事故的發(fā)生。同時，對控制系統(tǒng)流程進行了調(diào)整和優(yōu)化，通過增加在某一側(cè)輸水閥門處于檢修狀態(tài)下，可利用對側(cè)的單獨輸水閥門實現(xiàn)閘室沖泄水自動操作的流程功能，從而縮短了輸水閥門檢修時船只的等待時間，提高了船閘的可運行效率。

2.2船閘控制系統(tǒng)功能優(yōu)化

（1）增加電力監(jiān)控的功能。采用智能儀表網(wǎng)絡(luò)通訊方式，增加對電力的監(jiān)控，主要監(jiān)控內(nèi)容有：①低壓進線柜和母聯(lián)柜（主開關(guān)為框架式斷路器，有遙測、遙調(diào)、遙控、遙信等“四遙”功能）的故障監(jiān)測、開關(guān)分合狀態(tài)、電流、電壓等參量的監(jiān)測及開關(guān)分合控制功能。②低壓出線主要回路（主開關(guān)為有通訊功能的塑殼斷路器）的開關(guān)分合狀態(tài)的監(jiān)測及開關(guān)分合控制功能。③變壓器三相繞組及鐵心溫度監(jiān)測及超溫的報警功能。

（2）引入變頻器來控制液壓啟閉機的油泵電機。本文采用變頻器設(shè)備通過調(diào)速來控制閘門電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了閘門在運行過程中能夠做到“慢啟-快行-慢?！睙o級變速運行，很大程度上增加了閘門開關(guān)的平穩(wěn)性，減少了沖擊，保護了設(shè)備，延長了設(shè)備維修周期和船閘運行時間。

2.3船閘控制和管理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

一般控制和管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用簡單的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點設(shè)備采用單鏈路連接，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容錯能力不高，如果發(fā)生故障會導(dǎo)致船閘運行發(fā)生事故的隱患。本文采用光線環(huán)形容錯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成控制和管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對控制系統(tǒng)主機PLC采用雙機冗余熱備系統(tǒng)，通過兩種技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，優(yōu)化船閘控制和管理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（1）通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)網(wǎng)冗余?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷點時，自動變成總線結(jié)構(gòu)，從而提高控制系統(tǒng)通信的可靠性?？刂葡到y(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機把控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成冗錯光纖環(huán)型結(jié)構(gòu)， 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用Modbus TCP/IP以太網(wǎng)協(xié)議，通過100Mbps全雙工交換式多模光纖環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)中控室監(jiān)控主機和上、下閘首機房現(xiàn)地PLC之間，以及上、下閘首機房現(xiàn)地觸摸屏之間的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。由于光纖環(huán)網(wǎng)具有線路冗錯功能，而且采用工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，具有電源冗余和環(huán)網(wǎng)切換時間≤500ms等優(yōu)點，極大地提高了控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?，同時也保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

（2）PLC主機熱備冗余。上、下閘首機房現(xiàn)地下位機由兩套熱備PLC組成，完成對上、下閘首閘門和閥門等機械設(shè)備的現(xiàn)地監(jiān)測與控制。每套PLC系統(tǒng)由1個主站（雙機熱備：2電源+2CPU+2RIO模塊+2Ethernet模塊+2熱備模塊）和2個遠程站組成。并且，三者之間通過專用RIO電纜相連，閘首機房就地可通過一體化工控機的觸摸屏或就地控制操作臺對系統(tǒng)進行現(xiàn)場監(jiān)控。當(dāng)系統(tǒng)中一套主機出現(xiàn)故障時，可以自動切換到另外一套主機進行控制，可以大大提高控制系統(tǒng)的安全可靠性，從而保證通航的效率。

2.4控制方式設(shè)計

船閘控制分現(xiàn)地控制和集中控制兩種?，F(xiàn)地控制是指運行人員在上下閘首操作臺上實現(xiàn)左右閘、閥門的運行和手動控制運行及左右閘、閥門的單機手動運行。集中控制是在集中控制室實現(xiàn)的程序運行和單項運行。這兩種都是由可編程控制器（PLC）完成的?，F(xiàn)地控制與集中控制之間應(yīng)設(shè)置相互閉鎖，并可在兩處實現(xiàn)船閘運行的緊急中斷。

船閘控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 結(jié)語

本文對船閘控制系統(tǒng)進行了完善和優(yōu)化，針對大頂子山船閘應(yīng)用的特點進行了設(shè)備、結(jié)構(gòu)和功能上的調(diào)整和補充，運用環(huán)網(wǎng)冗余、變頻控制等技術(shù)整體提升了船閘控制水平，對其他船閘控制系統(tǒng)的建設(shè)工作具有參考、借鑒和推廣作用。

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