丁付進

(安徽省駟馬山引江工程管理處，安徽 巢湖 238251)

0 引 言

當今世界，水利水電工程建設(shè)得到了飛速發(fā)展，船閘作為一種通航建筑物，已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。目前我國在船閘工程建設(shè)方面已積累了豐富的經(jīng)驗，以三峽雙線五級連續(xù)船閘的建設(shè)為代表,我國的船閘設(shè)計、施工水平達到了世界先進水平[1]。

澛港閘(橋)工程位于安徽省蕪湖市漳河入江口,其主要任務(wù)是改善城市水環(huán)境和水景觀、航運、供水和灌溉。澛港閘船閘為單線一級船閘，由上閘首、閘室、下閘首、充泄水系統(tǒng)、人字門、閥門、引航道等部分組成，布置在澛港大橋的右岸。船閘設(shè)計最大通航船舶為500t機動駁，其有效尺度為120m×18m×3m(長×寬×最小門檻水深)，年最大通過能力為1000萬t。

船閘電氣控制系統(tǒng)是整個船閘的控制核心，它的作用是完成對船閘設(shè)備的監(jiān)視、控制、調(diào)度和管理，以確保船閘安全、可靠的運行。

1 船閘電氣控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

采用“冗余、容錯、集散”等先進技術(shù)，提高電氣控制系統(tǒng)可靠性和信息化管理技術(shù)水平。

根據(jù)運行工藝要求，研究船閘控制邏輯流程，解決船閘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[2]。

采用各種協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)和安全保護措施，使上、下閘首的閘/閥門得以安全可靠地協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，使船舶可以安全快速地通過船閘。

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。

2 船閘電氣控制系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

澛港閘船閘的特點是控制對象多，設(shè)備布置比較分散，因此采用二層分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括現(xiàn)地監(jiān)控層和集中監(jiān)控層。

操作員工作站，工程師工作站，多媒體工作站，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器，打印機之間通過100/1000Mbps工業(yè)以太網(wǎng)星型連接，組成主控級網(wǎng)絡(luò)，即上層網(wǎng)。

船閘在上閘首左、右岸和下閘首左、右岸分別設(shè)置了一套現(xiàn)地控制子站，共4套。各子站和集控交換機之間采用100Mbps光纖環(huán)網(wǎng)連接，組成現(xiàn)地控制網(wǎng)，即下層網(wǎng)。

每個現(xiàn)地子站由本側(cè)CPU站和對側(cè)的遠程I/O站組成，分別布置于閘首左右兩側(cè)啟閉機房內(nèi)，CPU站與遠程I/O站之間通過Profibus現(xiàn)場總線連接。澛港閘船閘電氣控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖見圖1。

圖1 澛港閘船閘電氣控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.2.1 現(xiàn)地站PLC配置

船閘電氣控制系統(tǒng)現(xiàn)地站為雙PLC+冗余I/O控制結(jié)構(gòu)，在同一閘首的左、右兩側(cè)現(xiàn)地站各布置一套互為熱備的PLC控制系統(tǒng)，以增強船閘運行的可靠性。

每套PLC控制系統(tǒng)包括一個CPU主站和一個遠程I/O站組成。CPU主站布置在本側(cè)控制柜內(nèi)，遠程I/O站布置在同一閘首的對側(cè)控制柜內(nèi)。主站CPU通過Profibus總線與遠程I/O站ET200接口模塊連接，從而實現(xiàn)本側(cè)和對側(cè)信號采集與控制。選擇西門子公司的SIMATIC S7-300系列 PLC，以上閘首左側(cè)為例，主站CPU選擇S7-315-2 PN/DP，配置2塊數(shù)字量輸入模塊(DI)、1塊數(shù)字量輸出模塊(DO)、1塊模擬量輸入模塊(AI)、1塊模擬量輸出模塊(AO)、1塊編碼器模塊(SSI)，從站I/O模塊配置與主站相同。

2.2.2 電氣柜設(shè)計

1)柜體設(shè)計。采用標準電氣柜尺寸，每臺電氣柜尺寸均為800mm(長)*600mm(寬)*2200mm(高)，柜體顏色為RAL 7035(計算機灰)。

2)動力柜電氣設(shè)計。動力柜進線電源采用兩回獨立的380/220V三相四線制交流電源，一主一備，采用雙電源自動切換裝置對主備電源自動切換。柜內(nèi)包含的動力回路有：兩回30kW電機驅(qū)動主回路，6kW泵站加熱器驅(qū)動回路，船閘邊界燈供電回路，船閘中心燈供電回路，控制柜供電回路以及備用電源回路?？刂苹芈酚校簝蓚€電機控制回路，加熱器控制回路。此外，柜面布置有數(shù)字式電壓、電流表，指示燈、操作開關(guān)等，可以對三相電壓、電流實時監(jiān)測。

3)控制柜電氣設(shè)計。進線電源由動力柜提供，柜內(nèi)包含的回路主要有：兩路直流電源供電回路，船閘通航燈供電回路，預(yù)告警鈴供電回路，調(diào)試電源回路。柜內(nèi)配置可編程控制器PLC 1套以及執(zhí)行單元一套，柜面布置有指示燈、操作開關(guān)、觸摸屏等，以完成船閘人字門、輸水門的啟閉運行控制及狀態(tài)監(jiān)視。

2.3 電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.3.1 軟件功能

1)實現(xiàn)對船閘配電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水位檢測、閘閥門行程及位置檢測、故障信息、現(xiàn)地操作信息、集控遠程操作信息等現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。

2)實現(xiàn)各種運行工況、過船工藝流程控制、設(shè)備操作控制，實現(xiàn)系統(tǒng)故障檢測、報警、保護功能。

3)實現(xiàn)手動/自動控制模式下的操作命令與參數(shù)設(shè)置，觸摸屏顯示控制功能。

4)通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)與集中控管中心的數(shù)據(jù)通訊，并對通訊故障診斷報警、切換控制。

2.3.2 軟件模塊化分層設(shè)計

根據(jù)船閘運行的特點，對船閘啟閉機控制的人字閘門和輸水閥門現(xiàn)地站PLC軟件采用了模塊化分層設(shè)計，分為指令層、指令表決處理層、指令執(zhí)行層3層。PLC軟件模塊化分層示意圖見圖2。

圖2 PLC軟件模塊化分層示意圖

1)指令層。指令層負責采集船閘控制指令，包括現(xiàn)地柜面板按鈕控制指令，或通過網(wǎng)絡(luò)通訊接收集控控制指令，經(jīng)綜合判斷，生成統(tǒng)一的指令并傳遞到指令表決處理層。

2)指令表決處理層。指令表決及信息處理層接收指令層傳遞的指令信息，并采集船閘外部傳感器信號、閉鎖信號、報警信號等，判斷控制指令是否有效，并根據(jù)指令的優(yōu)先等級進行處理。經(jīng)各功能模塊綜合處理，形成控制指令下達至執(zhí)行層，并由執(zhí)行層執(zhí)行。

3)指令執(zhí)行層。包括人字閘門控制模塊、輸水閥門控制模塊、電機控制模塊、電磁閥控制模塊、通航信號燈控制模塊、預(yù)告警鈴控制模塊等。以上模塊根據(jù)船閘系統(tǒng)的工藝流程和液壓系統(tǒng)的具體要求及保護措施進行設(shè)計。

2.3.3 編程語言

PLC編程語言共有五種，包括梯形圖(LAD)、流程圖(SFC)、功能圖(FBD)、結(jié)構(gòu)化文本(ST)、語句表(STL)。根據(jù)需要可以選擇一種或者幾種混用。梯形圖語言具有直觀、易懂的特點，特別適用于開關(guān)量邏輯控制，是最常用的PLC編程語言，因此澛港閘船閘電氣系統(tǒng)的PLC程序采用梯形圖語言編程[3]。

2.3.4 主要機構(gòu)控制策略

2.3.4.1 人字門啟閉運行控制。

1)開門時序。上(下)閘首人字門開啟時，首先啟動上(下)閘首兩側(cè)泵站的油泵電機，建壓電磁閥得電，延時5s后，開運行工作電磁閥得電，比例泵流量輸出，兩側(cè)人字門的油缸開始收回，驅(qū)動人字門開啟。在人字門鎖定孔的位置設(shè)置極限開關(guān)，作為人字門開終位，當兩側(cè)人字門運行到開終位時，觸發(fā)系統(tǒng)自動停機，此時電磁閥失電，液壓系統(tǒng)卸壓，電機停止。

2)關(guān)門時序。上(下)閘首人字門關(guān)閉時，首先啟動上(下)閘首兩側(cè)泵站的油泵電機，建壓電磁閥得電，延時5s后，關(guān)運行工作電磁閥得電，比例泵流量輸出，兩側(cè)人字門的油缸開始伸出，驅(qū)動人字門關(guān)閉。人字門全關(guān)狀態(tài)按關(guān)門時序共設(shè)置三個特征位置：同步等待位、關(guān)終位和合攏位。在關(guān)終位前設(shè)同步等待位，同步等待位時兩門行程誤差≤10mm。當滿足同步等待誤差值且人字門導(dǎo)輪能順利進入導(dǎo)卡后，啟閉機運行至關(guān)終位自動停機，關(guān)終位兩扇人字門斜接柱間隙≤15mm。然后人字門在充泄水過程中形成的水頭差作用下合攏，直至合攏位。

3)運行速度控制。人字門啟閉機按圖3的V-t變速特性曲線運行，變速運行方式由液壓泵站比例變量泵在PLC控制下實現(xiàn)，V-t變速特性曲線控制參數(shù)可根據(jù)需求在現(xiàn)地觸摸屏或上位機中調(diào)整。同一閘首的左右兩側(cè)人字門啟閉機在運行過程中需保持同步，同步運行誤差≤15mm。

圖3 人字門啟閉機運行速度曲線圖

2.3.4.2 輸水門運行控制

1)啟(閉)門時序。輸水門開啟(關(guān)閉)時，首先啟動泵站油泵電機，建壓電磁閥得電，延時5s后，開(關(guān))運行工作電磁閥得電，比例泵流量輸出，輸水門的油缸開始收回(伸出)，驅(qū)動輸水門開啟(關(guān)閉)。當輸水門運行到開終(關(guān)終)位時，觸發(fā)系統(tǒng)自動停機，此時電磁閥失電，液壓系統(tǒng)卸壓，電機停止。

2)下滑回升控制。在輸水門開終后，因泄漏而使閘門(油缸)在48h內(nèi)下滑量≤200mm。當閘門下滑量>200mm時，電氣控制系統(tǒng)給出聲、光信號，并自動啟動液壓啟閉機將閘門重新開啟至設(shè)定高度[4]。

2.4 保護工藝設(shè)計

1)合攏檢測。為保證船閘的上下游閘門安全，設(shè)置合攏檢測程序。當開啟上(下)游閥門，閘室充(泄)水時，啟動定時器，延時設(shè)定時間后檢測下(上)游閘門合攏信號。若正常合攏，則繼續(xù)充(泄)水；若合攏信號不到，則轉(zhuǎn)關(guān)上(下)游閥門運行，停止充(泄)水。

2)動水關(guān)閥。為防止超灌超泄現(xiàn)象發(fā)生，在上閘首水位差小于設(shè)定值或者動水關(guān)閥定時器計時時間到，上游自動啟動動水關(guān)閥運行，當關(guān)閥到設(shè)定開度值或閘首水平時，停止關(guān)閥。

3)間歇開閥。當閘首水位差較高時，啟動閥門充水過程中，當閥門開啟到設(shè)定的開度值時，暫停開啟動作，進行局部開啟充水。當閘首水位差<2次開閥設(shè)定的最大水位差時，繼續(xù)開啟閥門至開終位置。

4)緊急關(guān)閥保護。無論船閘處于任何流程狀態(tài)，一旦操作人員按下緊急關(guān)閥按鈕，閘首的閘閥門啟閉機立即停止原運行狀態(tài)，立即執(zhí)行關(guān)閥門操作，以保證船閘的輸水安全。

3 結(jié) 語

文章提出的安徽省澛港閘船閘工程船閘電氣控制系統(tǒng)設(shè)計方案，通過廠內(nèi)電氣調(diào)試、機電液聯(lián)調(diào)、工地安裝調(diào)試、試運行，已經(jīng)證明該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，滿足項目運營技術(shù)要求。目前澛港閘船閘項目已進入運行階段。