船閘自動化控制系統總體構架設計
——以蜀山船閘為例

廖　君，單　瀾

（浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231）

船閘自動化控制系統總體構架設計
——以蜀山船閘為例

廖君，單瀾

（浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231）

摘要：結合蜀山船閘工程實踐,介紹了船閘自動化控制系統總體構架設計，分析了系統設計原則、系統控制功能、系統總體結構和監控系統設計路線,完成了船閘自動化控制系統功能,實現了船閘管控一體化。

關鍵詞：船閘；自動化；控制系統；總體構架

0前言

蜀山船閘前身是上世紀60年代在候青江、最良江、中舜江及郁浪浦建造的4座節制閘，位于余姚境內，建筑標準較低，設施老化，也沒有自動化控制系統，嚴重影響余姚城市防洪和姚江流域的排澇能力與通航能力，制約了余姚城市的發展。新建蜀山船閘工程是余姚城市防洪工程的骨干項目，也是杭甬運河的組成部分，列為浙江省、寧波市的重點工程。

新建蜀山船閘更加關注內河水運的服務質量、通航的便捷、安全可靠性、運輸效率等問題，顯然船閘的自動化建設是解決這些問題的關鍵。

1自動化控制系統設計原則

為了使蜀山船閘自動化控制系統工程能可靠、高效、安全、經濟地運行，系統采用了先進的計算機技術、自動控制技術、網絡通訊技術、互聯網技術和圖形顯示技術于一體的分層分布式集散控制和管理系統。

1.1安全可靠和先進實用

按照“硬件冗余、軟件容錯”、“集中管理、分散控制”、“控制與管理功能分工”等原則，選擇成熟而且先進的分層分布式計算機控制系統。在控制過程信息集中管理和操作的前提下，使控制危險分散，提高系統的可靠性。船閘自動化控制系統工程將分散在現場的數據及信息由現地控制柜上PLC采集，直接傳至PLC控制機柜，再通過工業以太網和主控上位機進行集中監控和管理，同樣主控站操作員的操作命令也通過網絡傳送至PLC柜和現場設備，對各現場設備進行分散監測和控制。

1.2信息分層管理和控制權限分級

自動化控制系統采用全計算機控制及后備硬件手動控制的分級分層控制方式，即船閘集中控制層、現地自動控制層以及現地手動控制層。各層之間控制權限劃分明確，其中以現地手動控制優先級最高，各級之間通過集中控制/現地自動/現地手動轉換開關切換（同時切換電氣回路和信號控制回路，以保證各級之間互鎖）。

船閘集中控制層主要由中控室的主控上位機和現地LCU子站構成，它可提供交互人機監控界面，集中采集該船閘各閘、閥門的各項狀態信息以及水位等性能數據和開關狀態，發出各項主控指令，處理發生的故障信息并對緊急狀態進行控制，保持系統的整體協調。

現地控制層主要由PLC現地控制柜組成，負責在現場采集各閘、閥門的實時運行狀態、開度、荷重和限位等信息，并根據上位機發送來的主控指令對現場各閘、閥門進行自動控制，同時當自控系統出現故障時，可以啟動現地PLC柜的手動后備控制回路，讓操作員可在現場對各閘、閥門實現現地應急控制或進行設備維護和檢修。

1.3系統的開放性和可擴展性

整個系統采用分層分級的網絡結構，其網絡通訊協議是國際公認的、開放的，所以可以很方便地對系統進行擴展和連接。

系統的硬件資源也具有充足的余量和可擴展空間，其軟件采用模塊化、結構化設計，使控制系統更能適應功能的增加和規模的擴充。

1.4方便管理和便于維護

系統為閘室操作人員提供形象逼真，直觀的可視性人機交互監控界面，全中文菜單，漸開式多層窗口和全中文操作指導，不熟悉微機的操作人員也可很方便地根據操作工藝要求，發布主控指令和在一定權限下進行設備工作參數的設定與修改；系統除對監控設備工作狀況和檢測參數作出必要的報警提示、報警處理、故障記錄外，還具有系統本身軟硬件自我診斷功能，使操作人員對所有設備包括自控系統本身的運行狀況了如指掌。

系統硬件亦采用模塊化結構，可拆卸接線端子，管理機實現冗余，PLC模塊具有帶電熱插拔功能。這些給系統維護提供了極大的便利，大大縮短了維護時間。

2自動化控制系統功能分析

2.1集中控制單元功能

集中控制單元設備布置在船閘的集中控制室內。操作員工作站通過鼠標和鍵盤在屏幕上進行操作。集中控制單元主要功能如下：

1）向現地控制單元發送調度指令；

2）對故障、事故、越限告警等開關動作進行提示并記錄統計。事故報警信號具有最高的優先權，可以覆蓋正在顯示的任何畫面；

3）對現地控制單元發送的運行信息，進行處理、存儲、實時顯示船閘各類運行圖、表；

4）具有雙機熱備，故障自動切換功能；

5）提供人機界面，通過顯示器、鍵盤、鼠標，由運行人員就地實施對船閘的控制、調節、定值修改等；

6）建立實時數據庫、歷史數據庫；

7）能通過計算機聯網進行遠程數據通信，實現遠程瀏覽及查詢；

8）船閘運行過程自動記錄。

2.2現地控制單元功能

各現地控制單元分別布置在相應的控制對象旁，其監控對象為相應的閘門、輸水閥門、平板閘門鎖定裝置及其卷揚機、液壓啟閉機以及交通信號燈。主要功能如下：

（1）監視和控制

閘首現地控制單元通過開度傳感器對閘門、輸水閥門的開度及其偏差值進行監控；通過水位傳感器對各閘門上、下游側水位及水位差進行實時檢測；通過按鈕、開關、信號指示燈等對現場各電氣量和非電氣量進行監視和控制，對液壓系統的壓力、油位等重要信號量進行監視、對油泵運行狀態進行監視、對各電機電流電壓進行監視；將采集的數據量和過程控制狀態量、電氣保護報警量、機械保護報警量在現地控制單元上顯示和報警并上送集中控制級；在現地觸摸屏上動態顯示船閘運行狀況（見下頁圖1）。

（2）數據采集與處理

可進行各類信息的查詢、統計和各類綜合報表生成；提供長期趨勢分析記錄；報表格式可根據用戶需要靈活實現；各控制參數能方便地進行修正。

故障情況下能自動采集故障發生時刻的有關數據，并按其發生的順序記錄故障的性質和發生的時間。根據集中控制級的要求上送全部數據。

（3）控制閉鎖功能

完善可靠的信號與閉鎖設計，防止誤操作，防止通閥、通閘。

（4）聲光報警

現地控制單元設有反映所監控對象故障、越限等狀態的聲音報警裝置和燈光報警裝置。

（5）通信功能

現地控制單元與集中控制級之間采用通信方式傳遞命令與信息，根據集中控制級的命令隨時傳送要求的信息；故障情況下，及時向集中控制級發送故障信息。

3自動化控制系統總體結構

將船閘自動化控制系統的網絡拓撲結構分為三層。最上層是中央監控和管理層，包括2套互為熱備的工控計算機 (含數據庫系統)，1套Web計算機，1套硬盤錄像機及網絡交換機，這些計算機通過以太網與因特網進行通信并連接。中間層是現地LCU控制層，LCU分布在上閘首、下閘首的左側機房內，通過以太網互相連接。底層是設備與器件層，各種設備與器件通過硬線電纜與PLC及繼電器、接觸器相連接。該系統還留有與其他船閘、上級主管部門的通訊接口，可以通信并連接到上級主管單位和其他船閘，便于上級主管單位對該船閘進行監控和管理船閘間的聯系。

自動化控制系統框架圖如圖1所示：

圖1自動化控制系統框架圖

船閘自動化控制系統主要用于監控上閘首的平板閘門、輸水工作閥門、平板閘門鎖定裝置及卷揚啟閉機和液壓啟閉機系統，下閘首的人字閘門、輸水工作閥門及液壓啟閉機系統、廣播、交通信號、視頻設備(CATV)、收費調度以及閘室內外的船舶。

船閘自動化控制系統采用分層分布式體系設計，采用以太網網絡結構，容錯設計，成熟的標準漢化系統，并保證不會因為任何一個器件發生故障而引起系統誤操作。

船閘各現地控制單元以SiemensS7-300系統可編程控制器（PLC）為基礎，具有自動控制和自診斷功能，即使主控制級計算機發生故障，仍可通過現地的觸摸屏、控制開關、按鈕、信號燈、表計等設備對各現地設備進行操作和監視。

船閘自動化控制系統采用現地手動控制運行，現地自動（觸摸屏）控制運行和遠程集中自動化控制運行三種控制方案。現地手動的優先級最高，現地自動（觸摸屏）控制次之，集中自動化控制更次之。

4監控系統設計路線

1）首先根據船閘的實際情況和自動化控制系統的設計原則，確定整個系統的類型為分層分布式集散控制和管理系統。

2）其次通過對整個系統進行功能和性能分析，確定系統實現的功能有控制、監測、監視、管理等。

3）然后根據系統所要實現的功能和性能，確定系統的總體結構分為三層，整個系統由監控系統與工業電視子系統、廣播通訊子系統、交通指揮子系統、收費調度管理子系統組成。

4）根據系統的結構列出所需的硬件設備，根據功能和性能要求選擇主控計算機、服務器、視頻監視主機、可編程控制器、硬盤錄像機等的型號與數量、設計控制柜、操作臺等的結構。根據系統的功能、性能、結構，設計PLC的配置并對PLC的I/O進行統計。

5）上位機軟件設計：根據系統的功能、性能，依據組態軟件確定主菜單，主畫面，子菜單、子畫面。

6）下位機軟件設計：根據系統某項操作（動作）的功能與性能，設計操作（動作）流程圖，定義PLC的輸入輸出點和中間變量，編制相應的一段程序，以實現該項操作（動作）。

5結語

船閘自動化控制系統是在綜合了計算機網絡技術、自動控制技術和通信技術基礎上發展起來的一種通用工業自動控制裝置，具有功能強、程序設計簡單、靈活通用、維護方便等優點，特別是它的高可靠性和具有很強的適應惡劣工作環境的能力，應用相當廣泛。蜀山船閘自動化控制系統的使用，縮短了上下行流程的平均流程時間，提高了船閘的運行效率。由于運行效率的提高，水運優勢體現得更加明顯，從而改變了杭、甬、紹的產業布局與運輸格局，為浙江經濟的可持續發展提供了基礎保障。

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中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）10-0004-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.10.002

收稿日期：2015-03-10

作者簡介：廖君（1965-），男，教授，從事閘門和汽車自動化技術研究工作。