吳春英

（南京洛普股份有限公司，江蘇 南京 210000）

南通某船閘為人字閘門套閘，長(zhǎng)175 m，有效長(zhǎng)度150 m，閘室寬12 m，門檻水深3.3 m，最大設(shè)計(jì)船型為300 000 kg級(jí)，級(jí)別V級(jí)；雙向水頭承受設(shè)計(jì)，正向最大設(shè)計(jì)為2.14 m，反向最大設(shè)計(jì)為-0.63 m。工作閘門采用鋼質(zhì)三角閘門，閘門啟閉機(jī)采用滾珠絲桿式，由于上下游水位差小，所以輸水利用三角門門縫即可。

該船閘自動(dòng)控制系統(tǒng)是利用上位機(jī)監(jiān)控軟件結(jié)合PLC（可編程邏輯控制器）、現(xiàn)地LCU控制柜、LCU動(dòng)力柜、現(xiàn)地操作臺(tái)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)船閘設(shè)備的控制，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。

1 控制對(duì)象及控制層組成

1.1 控制對(duì)象

控制對(duì)象：船閘各閘首機(jī)房室內(nèi)室外配套的機(jī)電設(shè)備。主要有電磁閥、接觸器、變頻器、電機(jī)、傳感器、閘門限位開(kāi)關(guān)、閘門開(kāi)度儀、水位計(jì)、進(jìn)出閘信號(hào)燈以及閘室外照明等設(shè)備[1]。

1.2 控制層組成

船閘的控制層由現(xiàn)地設(shè)備、現(xiàn)地控制、集中控制三個(gè)層次組成。

（1）現(xiàn)地設(shè)備層由船閘閘內(nèi)閘外的機(jī)電設(shè)備組成。主要包括閘門限位開(kāi)關(guān)、閘門開(kāi)度儀、電機(jī)、水位計(jì)、進(jìn)出閘信號(hào)燈以及閘室外照明等設(shè)備。

（2）現(xiàn)地控制層由船閘閘室機(jī)房?jī)?nèi)的控制及顯示設(shè)備組成。主要包括現(xiàn)地上位機(jī)監(jiān)控主機(jī)、現(xiàn)地LCU控制柜、現(xiàn)地LCU動(dòng)力柜、現(xiàn)地操作控制臺(tái)、現(xiàn)地監(jiān)控主機(jī)等?，F(xiàn)地控制層的作用是實(shí)現(xiàn)機(jī)房監(jiān)控設(shè)備的現(xiàn)地控制。

（3）集中控制層：由船閘監(jiān)控中心上位機(jī)監(jiān)控主機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及打印機(jī)等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)船閘的集中控制及管理。管理人員在中控室就可以了解船閘現(xiàn)場(chǎng)的操作情況、運(yùn)行情況以及故障報(bào)警狀態(tài)，同時(shí)也可配合視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對(duì)船閘現(xiàn)場(chǎng)的控制操作。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)組成

本船閘控制系統(tǒng)采用集中控制和分散控制相結(jié)合結(jié)構(gòu)，由監(jiān)控中心上位機(jī)監(jiān)控主機(jī)（服務(wù)端）及監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、現(xiàn)地閘首機(jī)房?jī)?nèi)上位機(jī)監(jiān)控主機(jī)（客戶端）、打印機(jī)等共同組成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)船閘的控制以及船閘相關(guān)數(shù)據(jù)的管理[2]。

2.2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及協(xié)議

控制系統(tǒng)利用以太網(wǎng)交換機(jī)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、光纜構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，采用TCP/IP以太網(wǎng)協(xié)議，通過(guò)100 Mbps光纖環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)船閘監(jiān)控中心上位機(jī)監(jiān)控主機(jī)和上下閘首機(jī)房現(xiàn)地上位機(jī)監(jiān)控主機(jī)以及現(xiàn)地PLC之間的網(wǎng)絡(luò)通信。

該光纖環(huán)網(wǎng)是完全工業(yè)級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，具有線路冗余、電源冗余、切換時(shí)間快（≤500 ms）等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，保證了控制系統(tǒng)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。

圖1 船閘控制系統(tǒng)

2.3 控制系統(tǒng)模式

系統(tǒng)控制模式分為常規(guī)控制和應(yīng)急控制兩種。

（1）常規(guī)控制又分為兩種控制方式——現(xiàn)地控制和集中控制。其中現(xiàn)地控制又可分為現(xiàn)地操作臺(tái)控制、現(xiàn)地上位機(jī)控制；而集中控制僅適用于監(jiān)控中心上位機(jī)控制?？紤]到緊急情況下網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)存在通信故障等狀況，所以要保證現(xiàn)地控制優(yōu)先級(jí)最高。

（2）應(yīng)急控制是一種應(yīng)急補(bǔ)救措施，當(dāng)PLC出現(xiàn)故障，常規(guī)操作不可控時(shí)，采用這種方式，可無(wú)須經(jīng)過(guò)PLC，直接通過(guò)按鈕控制相關(guān)電磁閥，從而實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉，保證船舶進(jìn)出閘，防止造成事故。

2.4 控制系統(tǒng)運(yùn)行工藝

關(guān)閘條件：對(duì)側(cè)閘首閘門關(guān)終；本閘首閘門未關(guān)終；無(wú)急停操作；無(wú)停機(jī)操作；無(wú)停機(jī)故障；無(wú)其他開(kāi)關(guān)閘動(dòng)作。

開(kāi)閘條件：對(duì)側(cè)閘首閘門關(guān)終；本閘首閘門未開(kāi)終；本閘首水位水平；無(wú)急停操作；無(wú)停機(jī)操作；無(wú)停機(jī)故障；無(wú)其他開(kāi)關(guān)閘動(dòng)作。

閘門運(yùn)行方式：利用PLC通過(guò)控制變頻器輸出的方式實(shí)現(xiàn)“慢—快—慢”的變速形式運(yùn)行，一般在3分鐘內(nèi)運(yùn)行到位。

（1）按下關(guān)上閘按鈕，上游閘門開(kāi)始關(guān)閉運(yùn)行。閘門關(guān)終后，自動(dòng)發(fā)信號(hào)到下游，下游機(jī)柜上“上游閉鎖”操作燈亮，提醒下游操作人員上游閘門已關(guān)終。

（2）當(dāng)上游閘門關(guān)終后，判斷下游閘室內(nèi)外水位是否水平，水位水平后，按下開(kāi)下閘按鈕，

下游閘門開(kāi)啟運(yùn)行。閘門開(kāi)終后，下游出閘信號(hào)燈變綠，下游進(jìn)閘信號(hào)燈變紅。船只可以從下游駛出。當(dāng)船只全部從下游駛出后，操作人員按下“進(jìn)閘綠燈”，此時(shí)下游進(jìn)閘信號(hào)燈綠燈變亮，下游閘室外船只才能允許進(jìn)入船閘閘室。

（3）當(dāng)船只進(jìn)入到閘室內(nèi)安全位置時(shí)，按下關(guān)下閘，下游進(jìn)閘信號(hào)燈紅燈變亮，下游閘室外船只禁止進(jìn)入船閘閘室，下游閘門關(guān)終。

（4）當(dāng)下游閘門關(guān)終后，自動(dòng)發(fā)信號(hào)到上游，上游機(jī)柜上“下游閉鎖”操作燈亮，提醒上游操作人員下游閘門已關(guān)終。上游操作人員先判斷上游閘室內(nèi)外水位是否水平，水位水平后，按下開(kāi)上閘按鈕，上游閘門開(kāi)始開(kāi)啟運(yùn)行。閘門開(kāi)終后，上游出閘信號(hào)燈變綠，上游進(jìn)閘信號(hào)燈變紅。船只可以從上游駛出。當(dāng)船只全部從上游駛出后，操作人員按下“進(jìn)閘綠燈”，此時(shí)上游進(jìn)閘信號(hào)燈綠燈變亮，上游閘室外船只才能允許進(jìn)入船閘閘室。

（5）當(dāng)船只進(jìn)入到閘室內(nèi)安全位置時(shí)，按下關(guān)上閘，上游進(jìn)閘信號(hào)燈紅燈變亮，上游閘室外船只禁止進(jìn)入船閘閘室，上游閘門關(guān)終。至此繼續(xù)循環(huán)。

2.5 上位機(jī)控制系統(tǒng)

2.5.1 軟件簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目系統(tǒng)監(jiān)控軟件選用研華的WebAccess軟件。該軟件100%基于Web瀏覽器，所有的工程開(kāi)發(fā)和實(shí)時(shí)監(jiān)控都是在標(biāo)準(zhǔn)的IE瀏覽器上完成；具有優(yōu)異、穩(wěn)定的系統(tǒng)架構(gòu)，包括工程節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、Web客戶端，無(wú)論是幾百點(diǎn)的小工程還是十萬(wàn)點(diǎn)以上的大型工程都可從容應(yīng)對(duì)；利用基于矢量的圖形技術(shù)，監(jiān)控畫面可動(dòng)態(tài)無(wú)級(jí)縮放，同時(shí)能導(dǎo)出AutoCAD DXF文件、BMP、GIF、JPEG等圖形文件，方便監(jiān)控畫面的制作；內(nèi)嵌的報(bào)警、實(shí)時(shí)趨勢(shì)、歷史趨勢(shì)、數(shù)據(jù)記錄、網(wǎng)絡(luò)視頻等功能可提升開(kāi)發(fā)人員工作效率；豐富的驅(qū)動(dòng)庫(kù)，包含對(duì)50多個(gè)系列上千種自動(dòng)化設(shè)備的支持；通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的IE瀏覽器，只要連通Internet，通過(guò)Webaccess，就可以掌握網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)行情況[3]。

采用WebAccess 8.2 HMI網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件作為開(kāi)發(fā)及運(yùn)行平臺(tái)，船閘上位機(jī)監(jiān)控應(yīng)用軟件具備監(jiān)控和管理兩大特點(diǎn)：展示船閘整體模擬的監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)對(duì)船閘閘門的相應(yīng)控制操作；實(shí)時(shí)進(jìn)行相關(guān)重要數(shù)據(jù)的采集，比如各種操作動(dòng)作、運(yùn)行狀況等，將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，以便管理人員查詢、統(tǒng)計(jì)。

船閘上位機(jī)監(jiān)控軟件通過(guò)與下位機(jī)PLC之間的通信，實(shí)時(shí)采集各個(gè)機(jī)房輸出的相關(guān)數(shù)據(jù)，例如，當(dāng)前運(yùn)行工步，上下行狀態(tài)；閘門開(kāi)終、閘門關(guān)終、閘門開(kāi)度、水位顯示；當(dāng)前報(bào)警顯示；上下游進(jìn)出閘通航燈顯示。提供船閘總貌圖、船閘閘門運(yùn)行圖、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線、歷史數(shù)據(jù)曲線、實(shí)時(shí)報(bào)警等查詢功能。同時(shí)，每次運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)記錄閘門的開(kāi)關(guān)時(shí)間、上下游水位以及運(yùn)行時(shí)發(fā)生的故障報(bào)警，形成相關(guān)報(bào)表，從而動(dòng)態(tài)地跟蹤船閘運(yùn)行的全過(guò)程。

上位機(jī)顯示器上的畫面均使用漢字顯示，每步運(yùn)行有運(yùn)行指標(biāo)。采用多媒體技術(shù)用于畫面圖形顯示，使其更直觀、形象逼真。

2.5.2 主要功能

（1）系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視：對(duì)船閘控制方式（包括現(xiàn)地、集中、應(yīng)急）、閘門運(yùn)行狀態(tài)（包括開(kāi)啟、關(guān)閉）、運(yùn)行參數(shù)（閘門開(kāi)度、電機(jī)電流與電壓等）進(jìn)行監(jiān)視，并能夠根據(jù)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行畫面的動(dòng)作模擬，如閘門旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫或水位顏色變化情況，讓操作人員能夠清晰地掌握整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。該功能主要由主視畫面、照明畫面、拖動(dòng)畫面、參數(shù)設(shè)置、趨勢(shì)查詢、故障查詢、報(bào)表查詢、系統(tǒng)幫助等軟件界面來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能圖

①主視畫面：實(shí)時(shí)顯示操作方式、閉鎖狀態(tài)、閘門開(kāi)度、閘門開(kāi)終、閘門關(guān)終、實(shí)時(shí)水位、上下游水位水平、進(jìn)出閘通航燈、電源電壓、電機(jī)電流、空開(kāi)、電機(jī)保護(hù)狀態(tài)等信息；實(shí)現(xiàn)開(kāi)閘、關(guān)閘、水平、允許進(jìn)閘、禁止進(jìn)閘、急停等操作。

②照明控制畫面：展示控制閘室、靠船墩照明燈及界限燈等照明設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)對(duì)其的操作控制。

③拖動(dòng)畫面：實(shí)時(shí)顯示動(dòng)力回路塑殼開(kāi)關(guān)、接觸器的狀態(tài)、動(dòng)力回路電壓和電機(jī)電流。

④趨勢(shì)查詢畫面：動(dòng)態(tài)監(jiān)視運(yùn)行過(guò)程中的重點(diǎn)模擬量參數(shù)的變化趨勢(shì)，比如，全天24小時(shí)的水位及電源電壓的實(shí)時(shí)變化和歷史趨勢(shì)；閘門開(kāi)啟關(guān)閉過(guò)程中的電機(jī)電流實(shí)時(shí)變化和歷史趨勢(shì)。

⑤參數(shù)設(shè)置：顯示閘門開(kāi)終限位、關(guān)終限位狀態(tài)；展示當(dāng)前累計(jì)運(yùn)行閘次以及當(dāng)次開(kāi)閘關(guān)閘時(shí)間；進(jìn)行水位、計(jì)水位值的校正；完成閘室、靠船墩照明燈及界限燈等照明設(shè)備的定時(shí)開(kāi)關(guān)；實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油泵加油時(shí)間以及開(kāi)關(guān)控制等。

⑥故障查詢：根據(jù)現(xiàn)地PLC采集的故障點(diǎn)，自動(dòng)彈出故障報(bào)警對(duì)話框，進(jìn)行故障定位，顯示故障名稱、故障位置等，快速地幫助現(xiàn)場(chǎng)人員解決相關(guān)故障問(wèn)題。

⑦數(shù)據(jù)記錄及查詢：通過(guò)建立與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上SQL SERVER數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，將重要的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)。再配合visual studio開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件進(jìn)行查詢、導(dǎo)出、打印等管理。記錄的內(nèi)容主要包括系統(tǒng)運(yùn)行記錄、故障記錄、操作記錄、水位記錄、水位最值記錄、運(yùn)行閘次時(shí)間記錄：

⊙ 運(yùn)行記錄表中的記錄一條記錄反映了運(yùn)行日期、起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、運(yùn)行信息、上游水位、下游水位等信息。

⊙ 故障記錄表中的記錄反映了發(fā)生日期、發(fā)生時(shí)間、故障信息、故障等級(jí)等信息。

⊙ 操作記錄表中反映了發(fā)生日期、發(fā)生時(shí)間、操作人員、操作內(nèi)容等信息。

⊙ 水位記錄表中的記錄反映了每日特定時(shí)間里上下游水位等信息。

⊙ 水位最值記錄中統(tǒng)計(jì)了每日水位的最大值和最小值。

⊙ 運(yùn)行時(shí)間記錄統(tǒng)計(jì)了每次開(kāi)關(guān)閘發(fā)生的日期、時(shí)間、閘次及運(yùn)行的時(shí)間等。

（2）系統(tǒng)運(yùn)行注冊(cè)管理：對(duì)系統(tǒng)用戶的操作權(quán)限進(jìn)行分級(jí)管理，即系統(tǒng)管理員級(jí)、系統(tǒng)檢修員級(jí)、操作員級(jí)，不同的操作級(jí)別對(duì)應(yīng)著不同的權(quán)限。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用上位機(jī)監(jiān)控軟件配合下位機(jī)PLC方式開(kāi)發(fā)的船閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，充分利用了上位機(jī)和下位機(jī)各自的特點(diǎn)，真正達(dá)到了操作簡(jiǎn)單、控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)等要求，很好地實(shí)現(xiàn)了船閘設(shè)備自動(dòng)化管理。隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，這種形式的自動(dòng)化監(jiān)控將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用?！?/p>