升船機運行監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展?

王婷婷 蘭 欽

（1.長江三峽通航管理局 宜昌 443133）

（2.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司 長沙 410014）

1 引言

升船機是當(dāng)今世界上克服航道上集中落差，解決船舶過壩問題的一種主要的通航建筑物型式，也是船廠建造新船和維修時的主要工作臺。這種型式的通航建筑物由于其形式多樣性、高水頭適應(yīng)性、船舶過閘快捷性、投資節(jié)約性、技術(shù)條件簡約性等優(yōu)點而得到廣泛的應(yīng)用。美國、俄羅斯、比利時、荷蘭等是世界上內(nèi)河航運網(wǎng)較發(fā)達(dá)的國家，在這些國家的內(nèi)河航運樞紐中已建有上千座升船機［1］。近年來，我國在大中型升船機的研究方面進(jìn)行了大量的工作［2］，并相繼興建湖北三峽升船機、清江隔河巖升船機、廣西巖灘升船機、福建水口升船機等大型升船機。

隨著升船機的廣泛應(yīng)用，其安全穩(wěn)定運行也成為日益關(guān)注的焦點［3～4］。由于升船機是一個多子系統(tǒng)之間相互結(jié)合在一起的龐大系統(tǒng)［5～6］，為了對系統(tǒng)運行的復(fù)雜工況進(jìn)行有效控制，必須具備良好的運行監(jiān)控系統(tǒng)。因此，分析升船機主體運行監(jiān)控系統(tǒng)方案，研究各設(shè)備運行狀態(tài)及運行特點，分析各設(shè)備、各環(huán)節(jié)故障種類及故障原因、數(shù)量，并在此基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化升船機運行工藝，開展升船機運行過程的仿真程序和故障應(yīng)對處理模擬程序，對于提高升船機運行保障能力具有十分重要的意義［7］。

基于以往的研究和工程應(yīng)用，本文試圖對我國升船機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程做簡要的梗概，并結(jié)合三峽升船機監(jiān)控系統(tǒng)運行管理中存在的若干問題，對目前升船機監(jiān)控系統(tǒng)可能存在的不足進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，對升船機監(jiān)控系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，為升船機監(jiān)控系統(tǒng)的研究工作提供參考。

2 監(jiān)控技術(shù)及其在升船機運行管理中的應(yīng)用

2.1 監(jiān)控技術(shù)簡介

監(jiān)控技術(shù)自誕生以來，在過去的二十多年里，大致經(jīng)歷了本地模擬監(jiān)控系統(tǒng)、多媒體數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)、分布式監(jiān)控系統(tǒng)共三代的發(fā)展［8］。它是多種技術(shù)綜合運用與結(jié)合的產(chǎn)物，綜合了計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)、多媒體技術(shù)，正朝著數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向繼續(xù)發(fā)展。

信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從現(xiàn)場設(shè)備層到控制、管理的各個層次，覆蓋從工裝、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場［8］。

2.2 升船機運行監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展歷程

升船機監(jiān)控系統(tǒng)由I/O設(shè)備（傳感器和執(zhí)行器）、控制硬件、控制軟件、人機接口及與信息系統(tǒng)的連接等組成。我國升船機運行自動化技術(shù)的發(fā)展是從20世紀(jì)80年代初開始的，迄今為止經(jīng)歷了以下四個階段：

1）單功能微機監(jiān)控裝置。每個微機監(jiān)控裝置具有不同的功能，有的專門采集開關(guān)量，有的專門采集模擬量，有的專門進(jìn)行控制操作。將這些功能分散的微機監(jiān)控裝置以串口的星形連接方式進(jìn)行集成，在分布方式上做了一些有益的嘗試，但從模式上看還不能算是很成熟的系統(tǒng)；

2）以設(shè)備單元分布的星形分層監(jiān)控系統(tǒng)，如丹江口［9］、高壩洲［10］等。為了檢修維護(hù)的方便，這種監(jiān)控系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集與控制集成到一臺微機或PLC裝置中，構(gòu)成了現(xiàn)地控制單元（LCU）［13］。LCU無法直接接入以太網(wǎng)，而且計算機非常昂貴，只能以微機作為前置機，構(gòu)成星形分層分布式結(jié)構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)布線簡單，但沒有冗余功能，任何一條線路發(fā)生故障均會導(dǎo)致通訊中斷。這在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上已跨出了一大步，但相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)還不完善，尚不能形成理想的開放系統(tǒng)環(huán)境；

3）基于開放系統(tǒng)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，如水口、隔河巖［11］、巖灘等。這種計算機監(jiān)控系統(tǒng)具有通用性和可移植性，監(jiān)控系統(tǒng)的軟件可以安裝在任何具有開放系統(tǒng)特點的計算機上，開放系統(tǒng)為升船機計算機監(jiān)控系統(tǒng)提供了新的發(fā)展空間；

4）基于對象技術(shù)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，如彭水、三峽等。與傳統(tǒng)的程序設(shè)計方法不同，面向?qū)ο蠹夹g(shù)把數(shù)據(jù)與方法封裝在一起，統(tǒng)一描述對象的屬性和行為，升船機運行設(shè)備如承船廂、驅(qū)動系統(tǒng)、傳感檢測開關(guān)等均可抽象為對象，它直觀、方便，信息更加理性和實際。基于對象技術(shù)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，從系統(tǒng)設(shè)計、編程語言選擇到用戶界面等一系列過程，都依據(jù)面向?qū)ο蟮睦砟睢⒃瓌t和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，給用戶使用和維護(hù)帶來極大方便。

3 三峽升船機運行監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 運行監(jiān)控系統(tǒng)簡介

三峽升船機計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用兩層集散分布式結(jié)構(gòu)［12］，主要由集中控制系統(tǒng)、現(xiàn)地控制系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)設(shè)備組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1。其中，集中控制系統(tǒng)設(shè)備主要由I/O服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、圖像監(jiān)控工作站、廣播指揮工作站、冗余操作員站、圖像監(jiān)控工作站、廣播指揮工作站、以太網(wǎng)交換機及大屏幕顯示屏等組成。現(xiàn)地控制系統(tǒng)設(shè)備主要由流程控制站、船廂傳動控制站、船廂上廂頭控制站、船廂下廂頭控制站、上閘首控制站、下閘首控制站、低壓開關(guān)裝置控制站、變電控制站組成。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)軟件配置采用當(dāng)時國內(nèi)外最新的研究成果。監(jiān)控系統(tǒng)PLC選用Rockwell Al?len-Bradley公司的Control Logix產(chǎn)品。監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要由上位機組態(tài)軟件及PLC編程軟件組成，上位機組態(tài)軟件采用Rockwell Allen-Bradley公司FactoryTalkVIiew，PLC編程軟件采用Rockwell Al?len-Bradley公司RSLogix5000。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合了PLC和工控機各自的優(yōu)點，實現(xiàn)了管理、控制一體化。

3.2 運行監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足

雖然三峽升船機運行監(jiān)控系統(tǒng)采用了當(dāng)前國際最先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)，為項目運行管理帶來了極大的方便，但是目前仍存在以下不足之處：

1）傳感器網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。三峽升船機傳感器網(wǎng)絡(luò)信息采用的是傳統(tǒng)的有線傳輸，需要鋪設(shè)大量的傳遞介質(zhì)，耗時長，人工成本高；硬件線路易老化，容易導(dǎo)致通信異常，后期更換和維護(hù)成本更高；特別是升船機各設(shè)備緊密相聯(lián)，牽一發(fā)而動全身［14］，試通航的故障統(tǒng)計也表明了傳感檢測裝置的故障會極大影響升船機的運行效率。

2）監(jiān)控數(shù)據(jù)和指令的不完全共享性。目前，三峽升船機監(jiān)控系統(tǒng)是由上位機、現(xiàn)地控制站等計算機裝置組成，這些計算機只能獨立運行，完成各自的權(quán)限和控制功能，這必然導(dǎo)致運行管理的復(fù)雜性。

3）監(jiān)測信息的不完備性。三峽升船機的監(jiān)控系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地對電氣、液壓等設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，但是對機械結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷、機構(gòu)運行準(zhǔn)確位置目前仍然不能實行有效的監(jiān)控。

4）組態(tài)軟件的通用性差。三峽升船機監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件采用Rockwell Allen-Bradley公司Facto?ryTalkView。這種軟件雖然在功能完備性、產(chǎn)品包裝、市場推廣等方面具有一定的優(yōu)勢，但是存在軟件對應(yīng)配套設(shè)備價格昂貴、技術(shù)服務(wù)不方便、通用性不高等缺點。

5）組態(tài)過程的復(fù)雜性。三峽升船機的Facto?ryTalkView軟件是基于圖元的觸摸屏組態(tài)軟件，組態(tài)界面由各種基本圖形及由基本圖形組合的開關(guān)、儀表、閥門等大量部件組成，組態(tài)過程復(fù)雜，同時監(jiān)控信息量大。

4 升船機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，升船機計算機監(jiān)控技術(shù)同樣也在發(fā)展，新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制裝置、軟件等不斷涌現(xiàn)，使得我們進(jìn)一步思考升船機計算機監(jiān)控技術(shù)主要發(fā)展方向。

1）傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線化。與傳統(tǒng)的有限傳感器網(wǎng)絡(luò)不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有靈活性強、經(jīng)濟性好、精細(xì)度高等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應(yīng)用。在升船機監(jiān)控系統(tǒng)方面雷鳴、魏峻巖［13］提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三峽升船機監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合復(fù)合事件檢測技術(shù)實現(xiàn)了對升船機監(jiān)控數(shù)據(jù)的有效提取，并通過實驗驗證了負(fù)荷事件檢測方法在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的適用性。

2）網(wǎng)絡(luò)共享化。升船機計算機監(jiān)控系統(tǒng)是由上位機、現(xiàn)地控制單元等計算機裝置組成，這些計算機均能獨立運行，完成各自的控制功能，但要讓這些計算機協(xié)調(diào)工作，充分挖掘出計算機監(jiān)控系統(tǒng)的潛能，就必須通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，更好地對整個系統(tǒng)各個設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化運行。網(wǎng)絡(luò)共享的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，可以共享計算機硬件設(shè)備、裝置，以減少控制系統(tǒng)的設(shè)備投資，和維護(hù)工作量。

除升船機內(nèi)部計算機及裝置組成網(wǎng)絡(luò)外，升船機計算機監(jiān)控系統(tǒng)可與調(diào)度自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過網(wǎng)絡(luò)通信，調(diào)度計算機將調(diào)度命令送至計算機監(jiān)控系統(tǒng)，升船機計算機監(jiān)控系統(tǒng)將各設(shè)備運行參數(shù)、狀態(tài)傳輸?shù)秸{(diào)度計算機，調(diào)度系統(tǒng)可以對升船機進(jìn)行自動調(diào)度，并根據(jù)設(shè)備狀態(tài)判斷是否允許發(fā)布調(diào)度命令。網(wǎng)絡(luò)化是實現(xiàn)升船機調(diào)度自動化的必要前提。

3）人工智能化。升船機計算機監(jiān)控系統(tǒng)智能化，主要體現(xiàn)在對監(jiān)控系統(tǒng)的人工智能診斷，對運行人員進(jìn)行操作指導(dǎo)，對事故、故障處理進(jìn)行指導(dǎo)。人工智能監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)被引入到工程監(jiān)控系統(tǒng)的各個領(lǐng)域，不僅可以快速的查找出故障，還可以對自動化控制流程進(jìn)行優(yōu)化。曾飛、張琪等［15］設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的散貨碼頭大型帶式輸送機智能監(jiān)控系統(tǒng)，在散料輸送過程中，該系統(tǒng)可全程對帶式輸送機物料輸送狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，實現(xiàn)了運行過程中物料瞬時流量、帶速、功率等狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)控，還可以根據(jù)帶式輸送機物料瞬時流量遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)帶速，從而實現(xiàn)了大型帶式輸送機系統(tǒng)最佳節(jié)能效果。

4）組態(tài)軟件的國產(chǎn)化和通用化。組態(tài)軟件的強大功能早已受到工程技術(shù)人員的青睞，而國外的組態(tài)軟件價格昂貴且通用性差，其國產(chǎn)化和通用化是必然的發(fā)展趨勢。目前，國內(nèi)已經(jīng)有人對組態(tài)軟件進(jìn)行了研究，肖兒良、石紀(jì)奎等［16］針對目前觸摸屏組態(tài)軟件存在的組態(tài)過程復(fù)雜及通用性較差的問題，提出了基于界面組態(tài)的觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計方法；利用Visual c#開發(fā)平臺，實現(xiàn)觸摸屏通用組態(tài)軟件的設(shè)計。在上位機進(jìn)行組態(tài)軟件界面編輯、組態(tài)文件編譯以及與下位機數(shù)據(jù)的交互的基礎(chǔ)上，基于PC機實現(xiàn)了觸摸屏工作狀態(tài)的模擬仿真。在STM32F103硬件平臺上驗證了組態(tài)軟件設(shè)計的曲線顯示控件。實驗與仿真結(jié)果表明，基于界面的組態(tài)軟件設(shè)計方法的正確性和便捷性，為觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計提供了一種新的思路。

雖然我們在升船機計算機監(jiān)控領(lǐng)域采用的是目前較先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)，但距離升船機真正的無人值班、“關(guān)門升船機”目標(biāo)還有差距，在技術(shù)和管理方面都還有許多工作要做，以計算機應(yīng)用為特征的信息化技術(shù)、通訊技術(shù)、智能技術(shù)日新月異，有待我們繼續(xù)努力，為升船機自動化事業(yè)的不斷進(jìn)步做出新貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語

1）本文總結(jié)了國內(nèi)升船機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程，綜合分析了基于對象技術(shù)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)具備直觀、方便、信息準(zhǔn)確等優(yōu)點；

2）結(jié)合三峽升船機監(jiān)控系統(tǒng)，指出了我國升船機監(jiān)控系統(tǒng)存在傳感器網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性、數(shù)據(jù)不可共享性、信息不完備性、組態(tài)軟件通用性差等缺點，為監(jiān)控系統(tǒng)科研人員提供參考；

3）基于目前監(jiān)控技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，對升船機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢做了預(yù)測，指出傳感器網(wǎng)絡(luò)無線化、網(wǎng)絡(luò)共享化、人工智能化、組態(tài)軟件的國產(chǎn)化和通用化是其今后的發(fā)展方向。

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