水口船閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術淺析

1、水口船閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術淺析陳鋒（福建水口發(fā)電集團有限公司，福州 350004）摘要：闡述了水口船閘原電氣控制系統(tǒng)自身所存在的固有缺陷與不足，新監(jiān)控系統(tǒng)解決方案的可行性與程序優(yōu)化措施及其技術特點。關鍵詞：船閘；監(jiān)控系統(tǒng)；上位機；PLC 1 前言水口船閘是水口電站工程主要建筑物之一，位于大壩右岸，與毗鄰的升船機一道承擔閩江永久通航任務。1996年對船閘進行首次技術改造，將原液壓啟閉設備更換為德國力士樂產品，電氣控制系統(tǒng)更換為美國AB的SLC500系列PLC產品。2005年繼續(xù)對電氣控制系統(tǒng)進行第二次全面改造。首次技術改造采用的電氣控制系統(tǒng)為總線式主-從站式網絡結構（DH-485網），主要設備包

2、括集控臺和分設在I-IV閘首的4臺現地PLC子站。集控臺設有分別與4個閘首對應的4臺PanelView550觸摸屏式獨立操作員終端，通過單一雙鉸線與各閘首現地PLC子站組成DH-485網絡，I閘首現地PLC子站為DH-485網絡的初始激勵器。各閘首的運行控制、工況信息分別送到PV550操作員終端上顯示。2 原電氣控制系統(tǒng)存在的問題原電氣控制系統(tǒng)并非真正意義上的分層分布式監(jiān)控網絡結構。集控臺上各閘首的PanelView550操作員終端僅與對應閘首PLC進行通訊，只能用于監(jiān)視和控制本閘首的運行工況與動作。通過DH-485網絡讀取相鄰閘首有關的閉鎖判斷條件，無法實現上位機的監(jiān)視、控制、管理、仿真等功

3、能，無法將工業(yè)電視、廣播、水位檢測子系統(tǒng)進行資源整合與集中監(jiān)視、控制。尤其是受原網絡結構的限制，無法徹底解決下述幾個關鍵性問題。2.1 固定航次限制問題原系統(tǒng)程序按最大連續(xù)3次過閘設定航序的全過程順序控制流程編程。通過順序控制器的步進移位實現每個設備的對應動作控制，上行3次共15步，下行3次共21步，程序邏輯關系復雜難懂，系統(tǒng)功能拓展困難、運行方式固定呆板，航向更換設置困難,無法滿足實際過閘的需要，降低了通航效率和造成水資源的浪費。實際運行需增加航次時，只能采用中斷集控運行流程后切換至現地手動操作，增加了運行人員工作強度，且現地子站無法顯示相鄰閘首的工況參數，自動判定閉鎖條件有限，存在較多的運

4、行安全隱患。2.2 無法實現自動補水功能由于閘門水封磨損的影響，各閘室均存在不同程度的漏水。尤其是二閘首反弧門的水位落差高達41m，一閘室的漏水十分明顯。受原系統(tǒng)硬件條件限制,在程序開發(fā)上根本無法實現自動補水功能。已發(fā)生多起閘室內因漏水造成水位不足、船只觸底的不安全事件。為確保安全運行，現場運行人員需時刻關注閘室內的低水位變化，造成運行人員工作負荷較重、精神壓力大等不安全因素。2.3 同步糾偏功能有待完善船閘首次技術改造主要是針對原液壓啟閉設備無法滿足設計指標要求，其核心在于解決雙吊點下沉門兩側的同步問題。當時所選用的液壓啟閉設備技術性能先進，配套的PLC設備基本上可以滿足伺服變量泵的同步糾偏

5、閉環(huán)控制要求。投入運行5年來，下沉門的同步糾偏功能基本滿足運行要求。由于伺服變量泵的制造固有因素以及運行時間的不同，每臺泵的工作效率隨著時間的推移，呈現出較為明顯的效率差異。當給定相同的參數設定，會出現明顯的速度不同結果。主要原因在于原同步糾偏功能尚不夠完善，未考慮伺服變量泵因自身性能下降所引起的效率不同對同步糾偏性能的影響。由于下沉門兩側的同步糾偏性能好壞直接決定了船閘能否安全可靠運行，因此下沉門每側油缸均采用雙CIMS行程傳感器的冗余配置方式，但由于受原CPU模塊數據處理能力和所采用編程方式的限制，無法對故障 CIMS行程傳感器自動判定和切除。當有一行程傳感器發(fā)生故障時，原程序自動選用A行

6、程傳感器檢測值，既使發(fā)生故障的是A行程傳感器檢測值。究其行程傳感器的冗余配置，不過是備用配置而已。通過近幾年運行情況的故障統(tǒng)計分析表明,一至三閘首下沉門因上述原因發(fā)生異步停機保護的故障呈現逐年增大趨勢，直接影響了船閘的通航效率。2.4 各子系統(tǒng)無法有效整合，功能有待完善原系統(tǒng)中的工業(yè)電視、廣播、水位檢測功能均為獨立的子系統(tǒng)，各有獨自的控制設備，采用手工操作控制方式。工業(yè)電視探頭數量偏少，某此重要設備如下沉門鎖錠進、退到位情況無法監(jiān)視，只能采用人工目測確認。監(jiān)視畫面只能人工選擇調用，無法根據運行流程自動調用相關動作畫圖。廣播系統(tǒng)只能采用人工呼叫喊話，無法實現根據運行流程自動播叫相關提示語音內容。

7、水位檢測僅在集控室內獨立顯示實時數值和提供水平開關量信號給PanelView550操作員終端，現地子站無法顯示閘室的實時水位數值。原系統(tǒng)不具有數據庫管理功能，通航運行的各種日、周、月等各種統(tǒng)計報表只能采用人工統(tǒng)計方式。不具有自動記錄設備的各種運行參數、操作指令等功能，未能對設備故障判定、原因分析提供必要的輔助與判定幫助等。3 新監(jiān)控系統(tǒng)技術特點3.1新監(jiān)控系統(tǒng)結構新監(jiān)控系統(tǒng)采用兩層分布式控制系統(tǒng)結構。第一層為分布在4個閘首的現地PLC子站，包括控制下沉門（人字門）、反弧門的液壓啟閉機設備，PLC控制設備、觸摸屏及現場檢測儀表，實現現地啟閉控制、狀態(tài)監(jiān)視和故障保護功能。第二層為集中操作監(jiān)控層，布

8、置在集中控制室內，包括2臺操作員工作站、1臺多媒體工作站、1臺數據通訊服務器，8臺工業(yè)電視監(jiān)視器幕墻，廣播控制器外設組成，共同實現船閘的操作、監(jiān)視、控制功能。二套操作員終端、網絡光纖冗余配置，無擾自動切換，上位機與現地PLC子站通過以太工控網絡進行通訊，網絡結構形式為星型結構。新系統(tǒng)網絡結構參見圖1。圖1 新監(jiān)控系統(tǒng)網絡結構將原獨立的工業(yè)電視、廣播子系統(tǒng)整合至多媒體工作站中，增加和調整工業(yè)探頭與廣播喇叭的數量與安裝位置，采用自動、手工二種控制模塊。自動模式可根據運行流程調用相關設備的動作畫圖和播叫相關設備動作的提示語音內容，或手工選擇所關心的監(jiān)視畫面和進行直接廣播。利用數據通訊服務器強大數據處

9、理管理功能，實現對各種運行參數、操作指令、報表打印等數據庫管理功能。3.2 現地PLC子站配置現地PLC子站選用施耐德Premium系列PLC為核心，控制柜面板設置同品牌觸摸屏。觸摸屏與CPU模塊直接進行通訊，觸摸屏可顯示本閘首相鄰的上下游閘首閘門、反弧門、鎖定解鎖的位置信息，動態(tài)顯示閘門開度，實時監(jiān)測液壓系統(tǒng)油壓及相關電磁閥動作情況，并提供故障報警及故障信息查詢等。同時，當處于現地自動控制方式時，觸摸屏還具有相關設置，如補水設置、開度儀投入/切除設置、開度儀數值強置設置、電磁閥單動、上下行令的發(fā)送等監(jiān)測、控制功能。取消集控室內的水位檢測處理設備，通過模擬輸入模塊直接采集各閘首現地水位檢測傳感

10、器的檢測值，程序進行數據換算與處理后，通過雙向通訊方式分別送至上位機和接收其它閘室的水位值；同時在觸摸屏上顯示各閘室實時水位值。3.3 系統(tǒng)功能特點（1）任意航次設定。自動控制程序采用“模塊式”編程結構，采用對象分析方法，將一個完整的過閘流程進行模塊化分解，實現了任意航次、換向控制的靈活組態(tài)。系統(tǒng)的過閘邏輯模型采用逐級過閘模式。以下行為例，船只從上游進入一閘室為第一級，依次類推至船只從三閘室出閘共有四級。將每級對應的閘首設備的控制邏輯作為一個子模塊，再將每個子模塊中每個設備的具體控制要求作為一個對象進行編程。以上游船只進入一閘室為例，其控制流程如圖示2所示。首先調用下行恢復狀態(tài)運行子程序，一閘

11、首閥門開啟對一閘室充水至高水位，一閘首下沉門開啟到位，一閘首閥門關閉到位后完成下行恢復運行狀態(tài)。下行程序啟動運行，發(fā)“允許船只進入一閘室令”，船只進閘完成后，關閉一閘首下沉門，開啟二閘首閥門對二閘室充水至水位水平后，開啟二閘首下沉門，二閘首閥門關閉到位后完成本流程的全部動作步驟；其它閘室均以此類推。上位機的自動連續(xù)過閘流程僅對某閘首的操作閉鎖條件進行判定，只要滿足了閉鎖條件時即通過通訊網絡向對應的現場LCU子站發(fā)出相關的操作指令，現場LCU子站則執(zhí)行現地實際設備的操作流程。這徹底地解決了原程序的流水式順序編程所無法克服的弊病，可以根據上下游的實際過閘船只數量進行任意航次的控制，在設備正常的情況

12、下，全部采用集控自動運行方式過閘，全面提高了通航效率和過閘安全。圖2 上游船只進入一閘室流程（2）自動補水功能。通航過程中，為防止因閘、閥門的漏水而造成閘室內的船舶擱淺，在開啟反弧門對下一閘室充水前，程序自動計算充水水平后的下一閘室水位，若無法滿足最低通航水位時，程序自動發(fā)出報警信號，自動彈出補水功能界面并禁止本閘首閥門的開啟操作；自動計算所需的補水厚度并計算閥門的建議開啟值，經運行人員確認后開啟相關的閥門進行補水。為方便運行操作，在發(fā)出報警信號后，也可選用手動補水控制方式。由人工輸入補水值和閥門開啟值,進行人工補水控制。（3）同步糾偏性能的優(yōu)化與完善。原同步糾偏程序的編程與調試均是在新油泵工

13、況進行的。在設備投運的最初幾年，伺服變量泵之間的效率偏差很小，尚不存在因伺服變量泵的效率不同所引發(fā)同步糾偏的“欠調”問題。隨著運行時間的增加，每臺伺服變量泵的效率出現了明顯的不同，頻頻發(fā)生因同步糾偏 “欠調”所引發(fā)的異步現象。雖然伺服變量泵尚未達到使用壽命，但隨著設備運行時間的延長，伺服變量泵之間效率偏差將越來越大，成為直接影響設備能否安全可靠運行的因素。根據現地啟閉實驗的數據比對分析，找出各臺油泵的效率曲線，在原同步糾偏程序基礎上，根據每臺油泵偏差情況，在PLC輸出控制值中增設了不同的效率補償因數-“效率因數”，用于克服油泵之間的偏差所造成的速度偏差。通過對閘門的大量啟閉動作試驗，閘門兩側偏差值最大為10mm 左右，大大優(yōu)于設計指標規(guī)定的30mm，全行程具有良好的同步性，說明采用這一措施十分有效。今后在每年的歲修期間，可根據每臺油泵的效率對原設定的效率因數進行修正調試，十分便捷。在新程序編寫過程中，充分考慮了CIMS行程