基于M580濛浬枢纽二线船闸自动控制应用设计

魏小星

（中船重工中南装备有限责任公司，湖北宜昌 443005）

0 引言

濛浬枢纽二线船闸是北江航道扩能升级项目中北江韶关至乌石段的最下一级枢纽，是沟通北江中下游地区与珠江三角洲地区水上运输的唯一通道，二线船闸工程新建1 000 t级单线单级船闸一座，船闸有效尺度为220 m×23 m×4.5 m。船闸包括闸室系统与输水系统2个部分，在闸室系统的上、下闸首均设有人字工作闸门，工作闸门采用卧式直联液压启闭机操作，上下闸首闸室充泄水廊道左右侧各设有工作阀门，采用立式直接液压启闭机操作。

1 控制系统总体设计

濛浬枢纽二线船闸的主要控制对象是人字工作闸门和充泄水阀门油缸，为保证船闸投入运营期操作便利、安全，提高过船效率[1]，增加系统网络自动化程度及扩展性，船闸电气设计采用了施耐德M580系列PLC进行控制。

1.1 系统拓朴结构

为提高系统网络可靠性及稳定性，现地主站与从站远程I/O模块及上下闸首主站控制器与中控室均采用了环形网络拓朴结构，其中现地主站PLC的CPU、光电转换模块与远程I/O扫描模块通过多模光纤连接构成底层环形网络，上下闸首交换机与监控室交换机通过单模光纤构成上层环形网络，这样环形线路上任何一处光纤断开，也不会造成网络传输中断，保证了系统的可靠性[2-3]。现地主站扩展机架和主机架通过X-BUS连接电缆连接，现地触摸屏和远程SCADA监控计算机通过网线分别与现地和中控室的管理型交换机连接，系统拓朴结构如图1所示。

1.2 硬件选型配置

系统上下闸首采用了相同的PLC硬件配置，上下闸首右侧定义为现地主站，包括CPU主机架和扩展I/O机架，左侧定义为从站仅包括远程I/O机架。根据系统控制要求及备用点数要求，每个闸首系统主要硬件配置如表1所示[4-5]。

2 控制程序设计

M580系列PLC编程是基于施耐德Unity Pro软件平台，该软件支持FBD、LD、SFC、ST等编程语言。每种编程各有特点，LD梯形图适用于逻辑控制，SFC特别适用于顺序流程控制，ST语言类似高级编程语言适用于实现复杂的算法，系统可针对不同的控制要求分别灵活选择相应的编程语言[6]。

图1 系统拓朴结构

表1 系统主要硬件配置

2.1 硬件组态

在Unity Pro软件中进行正确的硬件组态是PLC和各模块正常工作的必要条件，软件中硬件组态必须与实际硬件的型号、安装槽位完全对应，主机架与扩展机架连接模块侧方的地址拨码开关、远程I/O机架地址与CRA模块面板上的拨码开关实际位置也要与软件中硬件组态配置完全一致[6]。本系统具体硬件组态如图2所示。

图2 PLC硬件组态

2.2 PLC程序设计

船闸控制对象多，程序相对复杂，主要涉及液压泵站模拟量和各状态点信号采集处理及控制点输出、上下闸首间通信交互控制、人字门油缸的变速调节、同步控制、船舶上下行船闸单步控制、船舶上下行船闸自动流程控制、远方SCADA显示及控制接口、现地人机交互界面HIM显示及控制接口等。

一般较大型项目的PLC控制程序，实际I/O点及中间变量多，程序编写需尽量不用拓朴地址，而应采用关联地址的变量[7]。同时变量的命名应尽量遵循一定的命名规则，这样不仅可以提高编程效率而且便于程序调试维护。根据长期积累的项目经验和编程习惯，本项目变量主要命名规则如表2所示。

表2 程序变量命名规则

程序按不同的控制功能根据Unity Pro几种编程语言特点将程序划分多个逻辑段，项目主要程序结构如图3所示。其中INIT程序段完成程序的初始化任务；MAIN程序段完成人字闸门及阀门动作逻辑判断、电机和电磁阀控制；Speed程序段实现闸门按照“慢-快-慢”的速度曲线运行并保证主从侧油缸同步运行；Limit_Signal完成闸阀门开终、关终、极限位信号检测及处理；Light程序段实现交通信号灯控制；Communication及comm_check程序段完成上下闸首交互通信、主从站通信“心跳”检测和异常判断；Alarm程序段完成报警检测及输出，SFC和UpDownC-trl实现船舶上下行船闸自动流程控制；定时器事件Timer0和Timer1分别针对不同的模拟量采集精度要求完成模拟量采集和转化处理，及闸阀门油缸运行速度计算处理，系统部分程序段的实现过程简述如下。

图3 项目程序结构

（1）闸门同步及变速控制

人字闸门开启和关闭过程需要按“慢-快-慢”的速度曲线运行，同时保证主从侧油缸运行同步。控制系统利用位移传感器检测油缸行程变化计算油缸运行速度和主从侧油缸行程差值，通过模拟量输出调节比例放大器控制电压改变液压泵站比例泵流量控制油缸运行速度，形成闭环调节，程序运用了PID算法控制器实现闸门变速和同步控制。

（2）上下闸首交互通信及异常检测

M580的“I/O扫描”功能可以通过以太网快速实现两个CPU之间的读写操作，系统将上闸首CPU作为现地主CPU，通过字读取并解析闸阀门全开、全关及水位平压等位状态信号，并向下闸首写入闸阀门开启、关闭、下闸首交通灯控制指令。两个CPU进行读写操作时将内部系统位%S6（时基1S）作为心跳检测位，当读取的状态在1S内不发生变化，即认为通信断开。

（3）自动流程控制

船闸每个闸首的闸门、阀门及交通信号灯单步控制是实现自动流程控制的底层接口，自动流程简化了操作指令，可基本实现“一健控制”，方便后期船闸运营工作人员操作，减少误操作的可能。自动流程控制程序采用了SFC编程语言，该语言与流程图比较相似，相对LD梯形图编程更容易实现流程控制，自动上行控制的流程图如图4所示，下行流程与上行类似，部分SFC控制程序如图5所示。

图4 自动上行流程

图5 自动上行SFC程序

3 触摸屏HMI设计

人机界面（HMI）是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，通过人机界面操作者不需要控制器程序即可完成系统控制和状态监控及数据记录等任务[8]。船闸上下闸首现地主站侧控制柜均配备1块15寸威纶通触摸屏，船闸运维工作人员在现地可通过触摸屏进行船闸人字闸门、廊道工作阀门、交通红绿信号灯、自动上下行流程控制等操作。现地人机界面主要画面如图6所示，其功能介绍如下。

图6 触摸屏主要画面

登录页面。开机后自动进入首页用户登录画面，在首页下拉框中选择相应的用户，输入正确登录密码后系统自动跳转至闸门操作画面，系统针对不同的操作人员进行了权限设置，从而保证系统的安全性，避免人员的误操作。

闸门控制。该画面是船闸控制的核心画面，主要由船闸模拟动画区、运行信息显示区、控制按钮区几个部分组成。模拟动画形象直观的反映了上下闸首人字闸门的实时状态，运行信息显示了主从站液压泵站的运行状态、电机状态和闸阀门油缸行程信息及运行速度，控制按钮区包括了船闸单步控制、交通红绿信号灯控制及自动流程控制的接口。

参数设置。用户须具有管理员权限登录后才可访问该画面，通过该画画可以修改所有模拟量传感器量程上下限值及零点修正值和投入切除控制，设置油温、油压、油位报警的高低阈值，选择闸阀门开终、关终限位信号来源，水位平压触发及复位值，使能或切除充泄水保护、上下闸首闭锁功能。

事件报表。事件报表画面可以实时显示主要操作运行记录和故障报警信息，也可以查看历史操作记录信息。

I/O状态。画面可查看主从站PLC的数字量输入、输出点和模拟量通道的工作状态，便于电气专业人员调试查看。

4 结束语

2019年4月28日，濛浬枢纽二线船闸进行1 000 t级货船实船实验，控制系统能够实在现地或远方进行船舶上下行船闸人字闸门、工作阀门、交通灯的单步控制和自动流程控制。运行过程闸门启闭平稳，同步良好，实船通航结果表明闸门运行工况、控制流程等技术指标均符号要求，相关单位对船闸试航情况也表示满意，一致认为具备通航条件，顺利实现了“4.30”节点目标，项目建成后将极大地缓解原一线船闸的通航压力，对加快广东省内河航道现代化建设也具有重要意义。