浯溪船閘計算機監控系統的設計與實現

趙勇飛,王 淼,田茂剛,顏現波,蘭聲華

(1.中國水利水電科學研究院中水科技公司,北京 100038；2.中國華水水電開發總公司，北京 100069；3.浯溪水電站，湖南 永州 426100；4.龍頭石電廠，四川 石棉 625409)

0 概述

浯溪水電站位于湘江干流，是一個以發電為主，兼有旅游、航運、交通、灌溉等綜合效益的水利水電樞紐工程。其船閘工程上下閘首各設人字門1套，及1套浮式檢修門，輸水廊道上閘首設2扇工作閥門和2扇檢修閥門，下閘首設2扇工作閥門，6扇閥門均為平面定輪門，船閘共設浮式系船柱14套；上閘首兩側輸水廊道進口設有攔污柵。船閘采用全計算機監控的方式，按“有人值班”設計。浯溪船閘監控系統集中控制層軟件采用北京中水科水電科技開發有限公司的H9000系列監控系統平臺。

浯溪船閘設置人字門液壓啟閉機用于啟閉船閘上、下閘首的人字工作閘門，油缸采用臥式安裝，人字門在水平面內旋轉67.5°，油缸本身擺動7.4°，每支油缸啟閉一扇人字閘門。人字門啟閉機設置緩慢啟閉防止沖擊的功能。油缸為鉸軸式，鉸軸位置在缸體的中前部，油缸鉸軸通過支座固定于閘首邊墩機房內。活塞桿行程控制裝置的測量精度為1 mm，最終顯示數據為閘門的開啟角度，行程控制裝置將數據傳送到現地控制單元。液壓系統設置超壓、欠壓、安全、卸荷和鎖緊等回路，滿足閘門從全開到全關任意位置的啟動和長期停留。人字門上下游水位差由設置在人字門上下游側的水位計監測，上、下閘首共設置4支水位計，自動、連續監測，數據顯示為上、下游水位值和閘門上、下游水位差。

1 系統設計原則

船閘系統對設備的可靠性和運行的安全性有很高的要求，因此總體設計，把安全性和可靠性放在第一位，對此采取相關安全保障措施。相應人字門、輸水門之間的設置聯鎖保護和控制，確保兩者開啟的先后順序與流程；人字門平壓保護，防止因水壓引起的損壞；人字門和輸水閥門的極限保護；人字門合攏位置檢測及保護；現地控制層設置關閉人字門、輸水門及停止人字門運行的按鈕。在任何狀態下，均能無條件關閉；常規電氣保護和控制，使控制系統具有完善的故障自動保護和控制功能；并且上、下閘首人字門，閥門動作間設置互鎖與水平開閘門連鎖。

浯溪船閘計算機監控系統采用開放、分層分布式計算機監控系統結構，以保證各子系統選用不同硬件時的兼容性，系統擴展和設備更新時的可移植性。網絡采用光纖以太網，傳輸速率100 Mb/s。系統遵循以下設計原則：

(1)計算機監控系統硬件設備冗余可靠。

(2)采用成熟的、可靠的、標準化的軟件、網絡結構和漢化操作系統。

(3)各LCU以可編程序控制器及觸摸顯示屏等構成，PLC直接上網。

(4)監控系統對外通訊應符合國家有關部門的自動化系統安全規范。

(5)人機接口功能強，操作控制簡潔、方便、靈活。

2 系統實施方案

浯溪船閘采用計算機監控系統控制方式，它是整個船閘設施的中心指揮系統，是安全可靠運行的保證。它由船閘控制系統、通航信號及廣播指揮設備、工業電視、船閘運營調度管理等模塊組成。

船閘控制分集中控制和現地控制兩種運行方式。現地控制單元設于每個閘首邊的泵房內，包括2個主站和2個擴展子站。現地PLC設于主站內，運行人員通過現地上、下閘首控制柜分散控制、調節。每站均能根據各現地設備之間的閉鎖條件，獨立操作相應的單、雙邊人字閘門和輸水閥門，并能通過網絡接受集中控制層的控制命令，實現船舶過閘過程的自動程序控制。集中控制層設于中央控制室，對船閘設備進行實現監視控制。現地控制與集中控制之間設置相互閉鎖，并均可實現船閘運行的緊急中斷。

通航信號及廣播指揮設備用于船舶過閘行駛的指揮、停位指示以及廣播調度。包括交通信號自動控制設備和顯示設備，以及電鈴、廣播等。根據船閘有關設備的工作狀況以及船只的通航情況，及時發出允許通過、準備通過和禁止通過的綠色、黃色、紅色燈光信號，以及電鈴協同指揮船舶進閘、出閘通行。

工業電視系統用于監視上、下游航道，船只過閘情況，各閘門的合攏狀態，船閘通航設施運行情況及各機房設備安全運行情況的監視，為操作人員提供可靠的監視信息。

3 系統硬件構成

浯溪船閘系統結構及設備配置上，為提高系統的實時性及可靠性，系統采用分層分布式系統結構。集中控制層按功能分布，配置以主/熱備方式并行工作的2臺操作員工作站，1臺通訊工作站，系統各項功能分布在相關節點上，每個節點嚴格執行指定的任務，通過系統網絡與其它節點進行通訊。系統數據采集處理與控制功能上，監控系統采集、管理各類實時數據，接收電站計算機監控系統以外的其它廠內外系統的數據信息，對采集的每種數據進行相應的處理，以支持系統完成控制和記錄功能。現地控制層按對象分散設置現地控制單元，各單元采集控制功能分布在本LCU中。相應加強各層和設備的處理能力，提高各層和整個系統的可靠性，響應速度快，合理分解與協調整個系統的功能。

系統時鐘接口上，上位機操作員工作站通過串口接收GPS裝置的時鐘信號，并在網絡上進行廣播，實現網絡上各個節點計算機的時鐘同步。

4 系統軟件設計

浯溪船閘計算機監控系統：負責完成對現地控制單元層的數據采集及控制、安全運行監視、事件順序記錄、打印記錄、屏幕顯示、事故處理指導和恢復操作指導、數據通信、運行和維護管理、語音報警、程序開發及模擬培訓。可實現與當前流行的開放標準工業級模塊化以太網交換機直接聯網。具有自診斷功能，即使主計算機發生故障，自動切換到備用計算機。

集中控制層與各現地控制柜PLC之間采用光纖以太網聯接。硬件診斷：可在線和離線對計算機、外圍設備、通訊接口、通道等自檢硬件故障，通過系統診斷程序，硬件故障能定位到各模塊；軟件診斷：可在線和離線自檢各種應用軟件和基本軟件故障，在線診斷時不影響計算機系統對各設備的監控功能。

系統針對操作人員、系統管理人員、調度員等設置相應的用戶與口令，并賦予相應的操作權限，保證安全船閘運行，并對操作過程進行記錄備查。

5 船閘控制功能實現

船閘監控系統，采取集中控制與現地控制兩種方式，現地控制層設置工作方式選擇開關，實現控制方式的切換，兩種方式之間相互閉鎖。船閘的控制流程采用船閘單步控制模式，船閘運行全過程控制模式等2種模式。

在船閘單步控制模式下，操作人員通過監控系統，按照船舶的過閘流程，對各設備進行單步控制，實現人字門、輸水門的啟、停、閉操作，信號燈、電鈴等的單步操作，實現船舶正常安全的通過。

在船閘運行全過程控制模式下，操作人員通過啟動船閘自動控制流程，對船閘相關設備進行自動控制。閘門的自動控制流程分為船舶上行流程和船舶下行流程，分別實現船舶上、下行通過船閘的全過程控制。

船舶下行流程分為4個子流程，下行上閘首開閘流程、下行上閘首關閘流程、下行下閘首開閘流程、下行下閘首關閘流程，船閘相關設備在流程中進行自動控制，完成船舶經船閘由上游到達下游的全過程控制與指揮，如圖1。

船舶上行流程分為4個子流程，上行下閘首開閘流程、上行下閘首關閘流程、上行上閘首開閘流程、上行上閘首關閘流程，船閘相關設備在流程中進行自動控制，完成船舶經船閘由下游到達上游的全過程控制與指揮，如圖2。

圖1 船舶下行流程

圖2 船舶上行流程

6 結束語

浯溪船閘監控系統遵循“安全可靠、功能完善、經濟適用、技術先進、操作簡單、維護方便、外形美觀”的原則進行設計，完全能滿足運行要求。目前的穩定運行表明系統情況良好。浯溪船閘計算機監控系統的成功經驗可為其他同類船閘提供經驗與借鑒。