船闸自动化控制系统总体构架设计——以蜀山船闸为例

廖　君，单　澜

（浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231）

船闸自动化控制系统总体构架设计
——以蜀山船闸为例

廖君，单澜

（浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231）

摘要：结合蜀山船闸工程实践,介绍了船闸自动化控制系统总体构架设计，分析了系统设计原则、系统控制功能、系统总体结构和监控系统设计路线,完成了船闸自动化控制系统功能,实现了船闸管控一体化。

关键词：船闸；自动化；控制系统；总体构架

0前言

蜀山船闸前身是上世纪60年代在候青江、最良江、中舜江及郁浪浦建造的4座节制闸，位于余姚境内，建筑标准较低，设施老化，也没有自动化控制系统，严重影响余姚城市防洪和姚江流域的排涝能力与通航能力，制约了余姚城市的发展。新建蜀山船闸工程是余姚城市防洪工程的骨干项目，也是杭甬运河的组成部分，列为浙江省、宁波市的重点工程。

新建蜀山船闸更加关注内河水运的服务质量、通航的便捷、安全可靠性、运输效率等问题，显然船闸的自动化建设是解决这些问题的关键。

1自动化控制系统设计原则

为了使蜀山船闸自动化控制系统工程能可靠、高效、安全、经济地运行，系统采用了先进的计算机技术、自动控制技术、网络通讯技术、互联网技术和图形显示技术于一体的分层分布式集散控制和管理系统。

1.1安全可靠和先进实用

按照“硬件冗余、软件容错”、“集中管理、分散控制”、“控制与管理功能分工”等原则，选择成熟而且先进的分层分布式计算机控制系统。在控制过程信息集中管理和操作的前提下，使控制危险分散，提高系统的可靠性。船闸自动化控制系统工程将分散在现场的数据及信息由现地控制柜上PLC采集，直接传至PLC控制机柜，再通过工业以太网和主控上位机进行集中监控和管理，同样主控站操作员的操作命令也通过网络传送至PLC柜和现场设备，对各现场设备进行分散监测和控制。

1.2信息分层管理和控制权限分级

自动化控制系统采用全计算机控制及后备硬件手动控制的分级分层控制方式，即船闸集中控制层、现地自动控制层以及现地手动控制层。各层之间控制权限划分明确，其中以现地手动控制优先级最高，各级之间通过集中控制/现地自动/现地手动转换开关切换（同时切换电气回路和信号控制回路，以保证各级之间互锁）。

船闸集中控制层主要由中控室的主控上位机和现地LCU子站构成，它可提供交互人机监控界面，集中采集该船闸各闸、阀门的各项状态信息以及水位等性能数据和开关状态，发出各项主控指令，处理发生的故障信息并对紧急状态进行控制，保持系统的整体协调。

现地控制层主要由PLC现地控制柜组成，负责在现场采集各闸、阀门的实时运行状态、开度、荷重和限位等信息，并根据上位机发送来的主控指令对现场各闸、阀门进行自动控制，同时当自控系统出现故障时，可以启动现地PLC柜的手动后备控制回路，让操作员可在现场对各闸、阀门实现现地应急控制或进行设备维护和检修。

1.3系统的开放性和可扩展性

整个系统采用分层分级的网络结构，其网络通讯协议是国际公认的、开放的，所以可以很方便地对系统进行扩展和连接。

系统的硬件资源也具有充足的余量和可扩展空间，其软件采用模块化、结构化设计，使控制系统更能适应功能的增加和规模的扩充。

1.4方便管理和便于维护

系统为闸室操作人员提供形象逼真，直观的可视性人机交互监控界面，全中文菜单，渐开式多层窗口和全中文操作指导，不熟悉微机的操作人员也可很方便地根据操作工艺要求，发布主控指令和在一定权限下进行设备工作参数的设定与修改；系统除对监控设备工作状况和检测参数作出必要的报警提示、报警处理、故障记录外，还具有系统本身软硬件自我诊断功能，使操作人员对所有设备包括自控系统本身的运行状况了如指掌。

系统硬件亦采用模块化结构，可拆卸接线端子，管理机实现冗余，PLC模块具有带电热插拔功能。这些给系统维护提供了极大的便利，大大缩短了维护时间。

2自动化控制系统功能分析

2.1集中控制单元功能

集中控制单元设备布置在船闸的集中控制室内。操作员工作站通过鼠标和键盘在屏幕上进行操作。集中控制单元主要功能如下：

1）向现地控制单元发送调度指令；

2）对故障、事故、越限告警等开关动作进行提示并记录统计。事故报警信号具有最高的优先权，可以覆盖正在显示的任何画面；

3）对现地控制单元发送的运行信息，进行处理、存储、实时显示船闸各类运行图、表；

4）具有双机热备，故障自动切换功能；

5）提供人机界面，通过显示器、键盘、鼠标，由运行人员就地实施对船闸的控制、调节、定值修改等；

6）建立实时数据库、历史数据库；

7）能通过计算机联网进行远程数据通信，实现远程浏览及查询；

8）船闸运行过程自动记录。

2.2现地控制单元功能

各现地控制单元分别布置在相应的控制对象旁，其监控对象为相应的闸门、输水阀门、平板闸门锁定装置及其卷扬机、液压启闭机以及交通信号灯。主要功能如下：

（1）监视和控制

闸首现地控制单元通过开度传感器对闸门、输水阀门的开度及其偏差值进行监控；通过水位传感器对各闸门上、下游侧水位及水位差进行实时检测；通过按钮、开关、信号指示灯等对现场各电气量和非电气量进行监视和控制，对液压系统的压力、油位等重要信号量进行监视、对油泵运行状态进行监视、对各电机电流电压进行监视；将采集的数据量和过程控制状态量、电气保护报警量、机械保护报警量在现地控制单元上显示和报警并上送集中控制级；在现地触摸屏上动态显示船闸运行状况（见下页图1）。

（2）数据采集与处理

可进行各类信息的查询、统计和各类综合报表生成；提供长期趋势分析记录；报表格式可根据用户需要灵活实现；各控制参数能方便地进行修正。

故障情况下能自动采集故障发生时刻的有关数据，并按其发生的顺序记录故障的性质和发生的时间。根据集中控制级的要求上送全部数据。

（3）控制闭锁功能

完善可靠的信号与闭锁设计，防止误操作，防止通阀、通闸。

（4）声光报警

现地控制单元设有反映所监控对象故障、越限等状态的声音报警装置和灯光报警装置。

（5）通信功能

现地控制单元与集中控制级之间采用通信方式传递命令与信息，根据集中控制级的命令随时传送要求的信息；故障情况下，及时向集中控制级发送故障信息。

3自动化控制系统总体结构

将船闸自动化控制系统的网络拓扑结构分为三层。最上层是中央监控和管理层，包括2套互为热备的工控计算机 (含数据库系统)，1套Web计算机，1套硬盘录像机及网络交换机，这些计算机通过以太网与因特网进行通信并连接。中间层是现地LCU控制层，LCU分布在上闸首、下闸首的左侧机房内，通过以太网互相连接。底层是设备与器件层，各种设备与器件通过硬线电缆与PLC及继电器、接触器相连接。该系统还留有与其他船闸、上级主管部门的通讯接口，可以通信并连接到上级主管单位和其他船闸，便于上级主管单位对该船闸进行监控和管理船闸间的联系。

自动化控制系统框架图如图1所示：

图1自动化控制系统框架图

船闸自动化控制系统主要用于监控上闸首的平板闸门、输水工作阀门、平板闸门锁定装置及卷扬启闭机和液压启闭机系统，下闸首的人字闸门、输水工作阀门及液压启闭机系统、广播、交通信号、视频设备(CATV)、收费调度以及闸室内外的船舶。

船闸自动化控制系统采用分层分布式体系设计，采用以太网网络结构，容错设计，成熟的标准汉化系统，并保证不会因为任何一个器件发生故障而引起系统误操作。

船闸各现地控制单元以SiemensS7-300系统可编程控制器（PLC）为基础，具有自动控制和自诊断功能，即使主控制级计算机发生故障，仍可通过现地的触摸屏、控制开关、按钮、信号灯、表计等设备对各现地设备进行操作和监视。

船闸自动化控制系统采用现地手动控制运行，现地自动（触摸屏）控制运行和远程集中自动化控制运行三种控制方案。现地手动的优先级最高，现地自动（触摸屏）控制次之，集中自动化控制更次之。

4监控系统设计路线

1）首先根据船闸的实际情况和自动化控制系统的设计原则，确定整个系统的类型为分层分布式集散控制和管理系统。

2）其次通过对整个系统进行功能和性能分析，确定系统实现的功能有控制、监测、监视、管理等。

3）然后根据系统所要实现的功能和性能，确定系统的总体结构分为三层，整个系统由监控系统与工业电视子系统、广播通讯子系统、交通指挥子系统、收费调度管理子系统组成。

4）根据系统的结构列出所需的硬件设备，根据功能和性能要求选择主控计算机、服务器、视频监视主机、可编程控制器、硬盘录像机等的型号与数量、设计控制柜、操作台等的结构。根据系统的功能、性能、结构，设计PLC的配置并对PLC的I/O进行统计。

5）上位机软件设计：根据系统的功能、性能，依据组态软件确定主菜单，主画面，子菜单、子画面。

6）下位机软件设计：根据系统某项操作（动作）的功能与性能，设计操作（动作）流程图，定义PLC的输入输出点和中间变量，编制相应的一段程序，以实现该项操作（动作）。

5结语

船闸自动化控制系统是在综合了计算机网络技术、自动控制技术和通信技术基础上发展起来的一种通用工业自动控制装置，具有功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，特别是它的高可靠性和具有很强的适应恶劣工作环境的能力，应用相当广泛。蜀山船闸自动化控制系统的使用，缩短了上下行流程的平均流程时间，提高了船闸的运行效率。由于运行效率的提高，水运优势体现得更加明显，从而改变了杭、甬、绍的产业布局与运输格局，为浙江经济的可持续发展提供了基础保障。

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中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）10-0004-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.10.002

收稿日期：2015-03-10

作者简介：廖君（1965-），男，教授，从事闸门和汽车自动化技术研究工作。