船闸自动控制系统技术及运用

吴春英

（南京洛普股份有限公司，江苏 南京 210000）

南通某船闸为人字闸门套闸，长175 m，有效长度150 m，闸室宽12 m，门槛水深3.3 m，最大设计船型为300 000 kg级，级别V级；双向水头承受设计，正向最大设计为2.14 m，反向最大设计为-0.63 m。工作闸门采用钢质三角闸门，闸门启闭机采用滚珠丝杆式，由于上下游水位差小，所以输水利用三角门门缝即可。

该船闸自动控制系统是利用上位机监控软件结合PLC（可编程逻辑控制器）、现地LCU控制柜、LCU动力柜、现地操作台等设备实现对船闸设备的控制，同时结合数据库软件实现数据的存储和管理。

1 控制对象及控制层组成

1.1 控制对象

控制对象：船闸各闸首机房室内室外配套的机电设备。主要有电磁阀、接触器、变频器、电机、传感器、闸门限位开关、闸门开度仪、水位计、进出闸信号灯以及闸室外照明等设备[1]。

1.2 控制层组成

船闸的控制层由现地设备、现地控制、集中控制三个层次组成。

（1）现地设备层由船闸闸内闸外的机电设备组成。主要包括闸门限位开关、闸门开度仪、电机、水位计、进出闸信号灯以及闸室外照明等设备。

（2）现地控制层由船闸闸室机房内的控制及显示设备组成。主要包括现地上位机监控主机、现地LCU控制柜、现地LCU动力柜、现地操作控制台、现地监控主机等。现地控制层的作用是实现机房监控设备的现地控制。

（3）集中控制层：由船闸监控中心上位机监控主机、数据库服务器及打印机等组成，实现对船闸的集中控制及管理。管理人员在中控室就可以了解船闸现场的操作情况、运行情况以及故障报警状态，同时也可配合视频监控实现对船闸现场的控制操作。

2 控制系统设计

2.1 控制系统组成

本船闸控制系统采用集中控制和分散控制相结合结构，由监控中心上位机监控主机（服务端）及监控中心数据库服务器、现地闸首机房内上位机监控主机（客户端）、打印机等共同组成，从而实现对船闸的控制以及船闸相关数据的管理[2]。

2.2 控制系统网络结构及协议

控制系统利用以太网交换机、工业以太网交换机、光缆构成环网，采用TCP/IP以太网协议，通过100 Mbps光纤环网实现船闸监控中心上位机监控主机和上下闸首机房现地上位机监控主机以及现地PLC之间的网络通信。

该光纤环网是完全工业级别的网络产品，具有线路冗余、电源冗余、切换时间快（≤500 ms）等多项优点，保证了控制系统信息传输的实时性和可靠性。

图1 船闸控制系统

2.3 控制系统模式

系统控制模式分为常规控制和应急控制两种。

（1）常规控制又分为两种控制方式——现地控制和集中控制。其中现地控制又可分为现地操作台控制、现地上位机控制；而集中控制仅适用于监控中心上位机控制。考虑到紧急情况下网络可能会存在通信故障等状况，所以要保证现地控制优先级最高。

（2）应急控制是一种应急补救措施，当PLC出现故障，常规操作不可控时，采用这种方式，可无须经过PLC，直接通过按钮控制相关电磁阀，从而实现闸门的启闭，保证船舶进出闸，防止造成事故。

2.4 控制系统运行工艺

关闸条件：对侧闸首闸门关终；本闸首闸门未关终；无急停操作；无停机操作；无停机故障；无其他开关闸动作。

开闸条件：对侧闸首闸门关终；本闸首闸门未开终；本闸首水位水平；无急停操作；无停机操作；无停机故障；无其他开关闸动作。

闸门运行方式：利用PLC通过控制变频器输出的方式实现“慢—快—慢”的变速形式运行，一般在3分钟内运行到位。

（1）按下关上闸按钮，上游闸门开始关闭运行。闸门关终后，自动发信号到下游，下游机柜上“上游闭锁”操作灯亮，提醒下游操作人员上游闸门已关终。

（2）当上游闸门关终后，判断下游闸室内外水位是否水平，水位水平后，按下开下闸按钮，

下游闸门开启运行。闸门开终后，下游出闸信号灯变绿，下游进闸信号灯变红。船只可以从下游驶出。当船只全部从下游驶出后，操作人员按下“进闸绿灯”，此时下游进闸信号灯绿灯变亮，下游闸室外船只才能允许进入船闸闸室。

（3）当船只进入到闸室内安全位置时，按下关下闸，下游进闸信号灯红灯变亮，下游闸室外船只禁止进入船闸闸室，下游闸门关终。

（4）当下游闸门关终后，自动发信号到上游，上游机柜上“下游闭锁”操作灯亮，提醒上游操作人员下游闸门已关终。上游操作人员先判断上游闸室内外水位是否水平，水位水平后，按下开上闸按钮，上游闸门开始开启运行。闸门开终后，上游出闸信号灯变绿，上游进闸信号灯变红。船只可以从上游驶出。当船只全部从上游驶出后，操作人员按下“进闸绿灯”，此时上游进闸信号灯绿灯变亮，上游闸室外船只才能允许进入船闸闸室。

（5）当船只进入到闸室内安全位置时，按下关上闸，上游进闸信号灯红灯变亮，上游闸室外船只禁止进入船闸闸室，上游闸门关终。至此继续循环。

2.5 上位机控制系统

2.5.1 软件简介

本项目系统监控软件选用研华的WebAccess软件。该软件100%基于Web浏览器，所有的工程开发和实时监控都是在标准的IE浏览器上完成；具有优异、稳定的系统架构，包括工程节点、监控节点、Web客户端，无论是几百点的小工程还是十万点以上的大型工程都可从容应对；利用基于矢量的图形技术，监控画面可动态无级缩放，同时能导出AutoCAD DXF文件、BMP、GIF、JPEG等图形文件，方便监控画面的制作；内嵌的报警、实时趋势、历史趋势、数据记录、网络视频等功能可提升开发人员工作效率；丰富的驱动库，包含对50多个系列上千种自动化设备的支持；通过标准的IE浏览器，只要连通Internet，通过Webaccess，就可以掌握网络内所有自动化设备的运行情况[3]。

采用WebAccess 8.2 HMI网络组态软件作为开发及运行平台，船闸上位机监控应用软件具备监控和管理两大特点：展示船闸整体模拟的监控画面，实现对船闸闸门的相应控制操作；实时进行相关重要数据的采集，比如各种操作动作、运行状况等，将其存入数据库服务器，以便管理人员查询、统计。

船闸上位机监控软件通过与下位机PLC之间的通信，实时采集各个机房输出的相关数据，例如，当前运行工步，上下行状态；闸门开终、闸门关终、闸门开度、水位显示；当前报警显示；上下游进出闸通航灯显示。提供船闸总貌图、船闸闸门运行图、实时数据曲线、历史数据曲线、实时报警等查询功能。同时，每次运行时，自动记录闸门的开关时间、上下游水位以及运行时发生的故障报警，形成相关报表，从而动态地跟踪船闸运行的全过程。

上位机显示器上的画面均使用汉字显示，每步运行有运行指标。采用多媒体技术用于画面图形显示，使其更直观、形象逼真。

2.5.2 主要功能

（1）系统运行监视：对船闸控制方式（包括现地、集中、应急）、闸门运行状态（包括开启、关闭）、运行参数（闸门开度、电机电流与电压等）进行监视，并能够根据采集的实时数据进行运行画面的动作模拟，如闸门旋转动画或水位颜色变化情况，让操作人员能够清晰地掌握整个系统的运行情况。该功能主要由主视画面、照明画面、拖动画面、参数设置、趋势查询、故障查询、报表查询、系统帮助等软件界面来实现。

图2 上位机监控系统功能图

①主视画面：实时显示操作方式、闭锁状态、闸门开度、闸门开终、闸门关终、实时水位、上下游水位水平、进出闸通航灯、电源电压、电机电流、空开、电机保护状态等信息；实现开闸、关闸、水平、允许进闸、禁止进闸、急停等操作。

②照明控制画面：展示控制闸室、靠船墩照明灯及界限灯等照明设备的开关状态并实现对其的操作控制。

③拖动画面：实时显示动力回路塑壳开关、接触器的状态、动力回路电压和电机电流。

④趋势查询画面：动态监视运行过程中的重点模拟量参数的变化趋势，比如，全天24小时的水位及电源电压的实时变化和历史趋势；闸门开启关闭过程中的电机电流实时变化和历史趋势。

⑤参数设置：显示闸门开终限位、关终限位状态；展示当前累计运行闸次以及当次开闸关闸时间；进行水位、计水位值的校正；完成闸室、靠船墩照明灯及界限灯等照明设备的定时开关；实现润滑油泵加油时间以及开关控制等。

⑥故障查询：根据现地PLC采集的故障点，自动弹出故障报警对话框，进行故障定位，显示故障名称、故障位置等，快速地帮助现场人员解决相关故障问题。

⑦数据记录及查询：通过建立与数据库服务器上SQL SERVER数据库的连接，将重要的数据信息进行存储。再配合visual studio开发的数据库管理软件进行查询、导出、打印等管理。记录的内容主要包括系统运行记录、故障记录、操作记录、水位记录、水位最值记录、运行闸次时间记录：

⊙ 运行记录表中的记录一条记录反映了运行日期、起始时间、结束时间、运行信息、上游水位、下游水位等信息。

⊙ 故障记录表中的记录反映了发生日期、发生时间、故障信息、故障等级等信息。

⊙ 操作记录表中反映了发生日期、发生时间、操作人员、操作内容等信息。

⊙ 水位记录表中的记录反映了每日特定时间里上下游水位等信息。

⊙ 水位最值记录中统计了每日水位的最大值和最小值。

⊙ 运行时间记录统计了每次开关闸发生的日期、时间、闸次及运行的时间等。

（2）系统运行注册管理：对系统用户的操作权限进行分级管理，即系统管理员级、系统检修员级、操作员级，不同的操作级别对应着不同的权限。

3 结束语

采用上位机监控软件配合下位机PLC方式开发的船闸自动化监控系统，充分利用了上位机和下位机各自的特点，真正达到了操作简单、控制精度高、抗干扰能力强等要求，很好地实现了船闸设备自动化管理。随着微处理器、计算机和数字通信技术的迅猛发展，这种形式的自动化监控将会得到更加广泛的应用。■