肖湘婷

[摘 ? ?要]長洲三、四線船閘是整個西南水運重要的運輸通道，主要利用互灌互泄形式的雙線省水船閘，來確保整個水運的正常運行。以長洲三、四線船閘可靠性特殊控制工藝為基礎(chǔ)，對其控制系統(tǒng)方案進行深入研究，來進一步分析過閘流程和控制對象，設(shè)計兩套船閘控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案，使用專業(yè)方式得到一套滿足長洲三、四線船閘要求的控制系統(tǒng)方案，給船閘控制系統(tǒng)設(shè)計提出一種全新的方向，為船閘后期健康運行打下堅實基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]長洲三四線樞紐;省水船閘;可編程式邏輯控制器;沉余控制系統(tǒng)

[中圖分類號]TM73 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）05–00–03

Design of Third and Forth Line Lock Control in Changzhou

Xiao Xiang-ting

[Abstract]Changzhou third and fourth line locks is an important transportation channel for the whole southwest water transport. It mainly uses the double-line water lock in the form of mutual irrigation and drainage to ensure the normal operation of the whole water transport.This paper is based on the Changzhou three and four line lock reliability special control process， the control system scheme， to further analyze the lock process and control object， design two sets of lock control network structure， using professional way to meet the requirements of three and four line lock control system scheme， put forward a new direction， for the lock later healthy operation lay a solid foundation.

[Keywords]changzhou third and fourth line hub; provincial water lock; programmable logic controller; sink control system

長洲水利樞紐坐落在西江河段上游，是整個西江流域最重要環(huán)節(jié)，而三、四線船閘作為控制整個水上流域正常運行的工具，對船閘而言具有至關(guān)重要的作用。尤其在信息化時代背景下，對船閘作用提出更高要求，傳統(tǒng)船閘功能已無法滿足水上需求[1]，為此那吉船閘應(yīng)運而生，其通過能力超過1.36億t，是通過能力最高的內(nèi)河船閘。長洲三、四線船閘的控制系統(tǒng)設(shè)計具有較強的特殊性，其控制系統(tǒng)與普通船閘具有一定差異性，在2007年長洲一、二線船閘就實現(xiàn)雙線通航，預(yù)期通過能力在3 920萬t，在后面一年時間里船閘實際通過運量達到3 626萬t，滿足船閘設(shè)計能力的92%。隨著能力逐漸提高，出現(xiàn)嚴重的瓶頸效果。長洲一、二線船閘自從正式建設(shè)以來，由于受到發(fā)電、調(diào)水等方面因素影響，出現(xiàn)大量滯航、堵船等問題，而長洲船閘身處西南水運最重要的運輸渠道，其內(nèi)河運輸量只低于長江，且船舶密度較大，對通航效率和可靠性提出更高要求[2]。本文以長洲三、四線船閘可靠性特殊控制工藝為基礎(chǔ)，對其控制系統(tǒng)方案進行深入研究，來進一步分析過閘流程和控制對象，設(shè)計兩套船閘控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案，使用專業(yè)方式得到一套滿足長洲三、四線船閘要求的控制系統(tǒng)方案，給船閘控制系統(tǒng)設(shè)計提出一種全新的方向，為船閘后期健康運行打下堅實基礎(chǔ)。

1 長洲四線上閘首防夾船技術(shù)

1.1 實現(xiàn)原理

安裝在四線上閘首閘室內(nèi)的攝像頭和閘室外的攝像頭檢測人字門區(qū)域內(nèi)是否有運動物體進出，信號輸入至PLC，PLC根據(jù)攝像頭的信號判別是否有船經(jīng)過人字門區(qū)域。安裝在四線上閘首閘室內(nèi)的雷達，通過檢測區(qū)域內(nèi)是否有運動物體進出，然后通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)送至PLC，PLC根據(jù)雷達傳來的信號判別是否有船經(jīng)過人字門區(qū)域。

1.2 攝像頭數(shù)據(jù)在PLC上的讀取

攝像頭發(fā)送的告警信號直接通過硬接線接入PLC的DI模塊中。在PLC中，程序如下：SY_DI2_13（閘室外攝像頭信號），SY_DI2_14（閘室內(nèi)攝像頭信號），如圖1所示。

1.3 雷達在PLC上的讀取

雷達數(shù)據(jù)是直接通過以太網(wǎng)傳送至控制A網(wǎng)上的，雷達的IP地址是192.168.52，所以PLC讀取數(shù)據(jù)的IP地址設(shè)置為192.168.52。PLC中，雷達數(shù)據(jù)的讀取設(shè)置在四線程序通訊-網(wǎng)絡(luò)-ETH-1的IO掃描中，設(shè)置如下：

①從192.168.52地址讀取數(shù)據(jù)，地址偏移量為256，讀取長度為2，讀取的第一個數(shù)據(jù)存入MW500地址中。對應(yīng)的就是雷達檢測到的運動物體數(shù)量。②從192.168.52地址讀取數(shù)據(jù)，地址偏移量為848，讀取長度為10，讀取的第一個數(shù)據(jù)存入MW510地址中。對應(yīng)的就是雷達檢測到運動目標(biāo)1的X方向速度。③從192.168.52地址讀取數(shù)據(jù)，地址偏移量為1 024，讀取長度為10，讀取的第一個數(shù)據(jù)存入MW520地址中。對應(yīng)的就是雷達檢測到運動目標(biāo)1的Y方向速度。④從192.168.52地址讀取數(shù)據(jù)，地址偏移量為1 280，讀取長度為10，讀取的第一個數(shù)據(jù)存入MW530地址中。對應(yīng)的就是雷達檢測到運動目標(biāo)1和雷達之間的距離。

1.4 長洲四線上閘首防夾船攝像頭

攝像頭功能：供調(diào)度人員檢查現(xiàn)場用，同時輸出信號參與控制。攝像頭通過運動物體檢測輸出告警信號，輸出信號通過硬接線方式接入PLC，運動物體檢測信號的輸出設(shè)置在攝像頭設(shè)置頁面的smart事件中。攝像頭型號：DS-2CD7A25EWD-IZS，常規(guī)電源供電。攝像頭電源：四線上右控制柜旁小網(wǎng)絡(luò)柜內(nèi)上排插座，現(xiàn)場標(biāo)簽可查。攝像頭接入交換機：四線上右控制柜旁小網(wǎng)絡(luò)柜內(nèi)交換機?，F(xiàn)場標(biāo)簽可查。閘室外攝像頭IP：10.2.52.74，閘室外攝像頭IP：10.2.52.75，攝像頭用戶名：admin，攝像頭密碼：czcz123456;攝像頭密碼安全問題答案：全為1。攝像頭告警信號接入PLC DI模塊回路：該型號攝像頭有告警輸出線，告警接口中的接線為橙色接電源，藍色線接入PLC DI模塊。閘室外的攝像頭告警信號接入至四線上右控制柜的X4：12端子，通過X4：12接入到四線上右控制柜PLC 的第二塊DI輸入模塊的13號輸入孔，替代原先設(shè)計的“液位油溫度低極限”信號。閘室內(nèi)的攝像頭告警信號接入至四線上右控制柜的X4：13端子，通過X4：13接入到四線上右控制柜PLC的第二塊DI輸入模塊的14號輸入孔，替代原先設(shè)計的“液位油溫度高極限”信號。兩個告警信號在PLC程序中的名稱為：閘室外和閘室內(nèi)。

1.5 長洲四線上閘首防夾船雷達

雷達功能：通過檢測雷達區(qū)域的運動物體來輸出信號，輸出的信號有詳細的列表[3]。雷達型號：該雷達為北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司委托其他廠家進行研制，無具體型號，該雷達如何實現(xiàn)運動物體識別亦無具體說明。雷達電源：四線上右控制柜旁小網(wǎng)絡(luò)柜內(nèi)上排插座，三頭電源插口，現(xiàn)場標(biāo)簽可查。雷達信號接入交換機：雷達輸出的信號直接通過以太網(wǎng)接入四線上右控制柜內(nèi)的A網(wǎng)交機，現(xiàn)場標(biāo)簽可查。雷達的IP地址：192.168.81.52;雷達用戶名：admin;雷達密碼：admin;設(shè)置雷達的參數(shù)：在網(wǎng)頁中輸入192.168.81.52，然后輸入用戶名和密碼，進行設(shè)置，和攝像頭參數(shù)設(shè)置類似。雷達參數(shù)已由廠家固定好，在四線上閘首安裝時，未修改任何原始參數(shù)。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對長洲三、四線船閘特殊的控制要求和對象，長洲一、二線船閘自從正式建設(shè)以來，由于受到發(fā)電、調(diào)水等方面因素影響，出現(xiàn)大量滯航、堵船等問題，而長洲船閘身處西南水運最重要的運輸渠道，其內(nèi)河運輸量只低于長江，且船舶密度較大，對通航效率和可靠性提出更高要求。因此，要利用多層分布式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)來進行設(shè)計。在正常情況下，控制系統(tǒng)主要包括現(xiàn)地控制層、現(xiàn)地設(shè)備層、信息管理層、集中控制層四個層次，通過對船閘電機設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、控制設(shè)備等進行實時控制，進而實現(xiàn)船閘運行的信息化和自動化[4]。

（1）現(xiàn)地設(shè)備層。現(xiàn)地設(shè)備層主要由船閘上、下閘、輸水廊道機房室內(nèi)等機電設(shè)備構(gòu)成，其所涉及范圍較廣，如傳感器、限位開關(guān)、交通信號燈、室外照明燈、液壓泵站電機等設(shè)備。

（2）集中控制層。集中控制層是由兩套IO服務(wù)器、監(jiān)控上位機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、打印機等構(gòu)成。其中兩套IO服務(wù)器都是亢余設(shè)備，主要用來提高數(shù)據(jù)采集的可靠性，這些設(shè)備通常設(shè)置在三、四線船閘共用的中控室內(nèi)，主要確保兩線船閘作業(yè)集中控制、故障報警、上位機組態(tài)、照明控制等功能。

（3）統(tǒng)一調(diào)度管理。建設(shè)統(tǒng)一調(diào)度系統(tǒng)是通過建設(shè)適合揚州處區(qū)域船閘的排擋和調(diào)度功能，實現(xiàn)對下轄六座船閘的統(tǒng)一協(xié)同管理。充分利用、借鑒已建設(shè)系統(tǒng)軟件及功能，通過數(shù)據(jù)接口將各軟件系統(tǒng)緊密聯(lián)系為一體。通過接口獲取省航道收費系統(tǒng)軟件、便捷過閘APP進行船舶登記繳費，將船舶注冊、登記、繳費、過閘的全部信息應(yīng)在省收費系統(tǒng)和統(tǒng)一調(diào)度系統(tǒng)中保持同步和一致，同時通過省航道收費系統(tǒng)獲取蘇北運河智能過閘系統(tǒng)中船閘過閘數(shù)據(jù)，不再建設(shè)獨立直接的數(shù)據(jù)接口;通過接口將通知推送至省統(tǒng)一信息發(fā)布平臺進行過閘通知的推送;通過接口獲取與船舶信用信息系統(tǒng)、交通部信息共享平臺等進行信用數(shù)據(jù)的交換和發(fā)布;通過接口調(diào)用省電子航道圖系統(tǒng)和定位系統(tǒng)，提供更方便的過閘管理、信息溝通和直觀的數(shù)據(jù)展示。

3 現(xiàn)地控制層PLC組網(wǎng)方案比選

3.1 方案1

方案1是利用一套遠程RIO控制柜進行控制，主要目的是對現(xiàn)地設(shè)備層不同設(shè)備運行進行控制。為確?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩?，且保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸嵭裕?#和4#船閘CPU雙機熱設(shè)備和遠程RIO站主要是利用S908雙環(huán)形網(wǎng)為載體進行通信，而單模光纖作為整個通信的重要工具，向上通過雙環(huán)形工業(yè)是以中控室雙熱設(shè)備進行通信。整個通信方式也是嚴格遵循工業(yè)EtherNet網(wǎng)協(xié)議，通信媒介依據(jù)利用單模光纖）。

3.2 方案2

為實現(xiàn)運調(diào)中心對船閘集中控制，工作人員需掌握遠程集中控制系統(tǒng)，從技術(shù)層面對下轄船閘自動控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、甚高頻等系統(tǒng)進行升級改造并集成整合方案，接入運調(diào)中心集控系統(tǒng)實現(xiàn)遠程集中控制。通過分析方案2可知，現(xiàn)地控制層是以單環(huán)網(wǎng)為基礎(chǔ)，將光纖利用環(huán)網(wǎng)的形式相互連接，采用同軸電纜通信作為主站核心，從而確保長洲雙向船閘的三線船閘，所有站點能一一對應(yīng)。主要的PLC站點和雙機亢余熱備服務(wù)器利用環(huán)網(wǎng)進行相互連接，并由工程師進行管理。因此，構(gòu)建控制層對過閘管理具有非常重要的作用。

3.3 現(xiàn)地控制層PLC組網(wǎng)方案功能對比

3.3.1 功能對比

船閘控制系統(tǒng)功能是利用專業(yè)工具對現(xiàn)場電機運行狀態(tài)、限位保護、液壓站狀態(tài)等輸入信號的實時分析，及船閘啟閉機的正常工作分析，來加強對船閘功能的保護。在面對長洲三、四線船閘要求，當(dāng)水位相差超過8m，就要利用雙向船閘保障其正常運行。因此，不止要考慮滿足基本閥門要求和通航運行，還考慮水位對運行效果的影響。之所以能達到省水的主要原因是兩廂閘門同時運行，通過兩個不同位置的閘室，讓船閘利用連通廊道的方式將下行位閘室的水引流到上行位閘室，達到省水的作用。與普通雙線雙向運輸船閘相比，這種方式增加了平衡兩廂閘室水位的環(huán)節(jié)，合理利用水資源，通過安裝了連通閥機房的PLC站，利用大量邏輯編程和保護信號滿足船閘的基本流程，實現(xiàn)船閘的控制作用。

3.3.2 可靠性對比

船閘作為水上交通重要工具，與航區(qū)水運經(jīng)濟發(fā)展具有密切關(guān)系。智慧船閘建設(shè)不僅能確保資源可持續(xù)發(fā)展，還能提高水運地區(qū)經(jīng)濟增長。通過方案1進行分析，發(fā)現(xiàn)其有結(jié)構(gòu)清晰的優(yōu)勢，能明確現(xiàn)場和中控的工作任務(wù)，實現(xiàn)集中監(jiān)視管理、分散控制的重要理念，且單環(huán)網(wǎng)能讓現(xiàn)場設(shè)備具有通信簡單、建設(shè)費用低廉等優(yōu)勢。通過對上述方案進行分析，確定將此作為實施方案，其最主要原因是由于長洲三、四線船閘在設(shè)計的初級階段，其主要目的是降低平均故障修復(fù)時間方面，而控制層作為船閘運行過程中的核心管理環(huán)節(jié)，對安全性具有至關(guān)重要的作用。

4 結(jié)束語

隨著水運經(jīng)濟不斷發(fā)展，對于實際通過能力提出了更高要求，船閘成為航區(qū)的通航限制，想要突破這一限制，降低交通壓力，提高過閘效率，要合理利用智慧船閘的理念，創(chuàng)新過閘管理方式，提高過閘效率。雙向互灌互泄省水船閘的控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)船閘控制系統(tǒng)相比，其具有較強的特殊性，在控制邏輯、現(xiàn)場控制設(shè)備等方面具有較強的多樣化，需要工作人員結(jié)合現(xiàn)場實際情況對兩閘之間的輸水閥門進行控制，從而確保兩閘門能實現(xiàn)平穩(wěn)運行。通過分析長洲三線、四線船閘，來分析目前省水船閘控制工業(yè)和控制系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其所采用的控制層是利用雙環(huán)網(wǎng)亢余為核心，能有效降低控制系統(tǒng)的運行風(fēng)險，給未來船閘建設(shè)提供豐富的數(shù)據(jù)資源。經(jīng)過大量實驗證明，長洲三、四線船閘控制系統(tǒng)具有一定可行性，能確保船閘進行連續(xù)性作業(yè)。

參考文獻

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[2] 董淦煜，樓銀海.基于PLC的控制系統(tǒng)在閘門液壓自動啟閉機上的應(yīng)用[J].今日自動化，2021（5）：82-83.

[3] 尹會.引江濟漢工程西荊河船閘液壓啟閉機運行故障及思考[J].城鎮(zhèn)建設(shè)，2021（12）：260.

[4] 顏廷雪.探究船閘PLC電氣系統(tǒng)中的故障原因與維護處理技術(shù)[J].江蘇科技信息，2019，36（13）：58-60.