大頂子山船閘控制系統的優化設計研究

苑清敏　安小剛

摘 要：為改善船閘控制方式和增強船閘控制信息與管理信息的聯通性，本文利用環形容錯網絡技術、冗余技術、船閘人字門和閘門開度數字檢測技術、變頻器控制人字閘門技術等對內河船閘控制系統的設計進行優化研究，提高船閘控制技術水平，提高船閘運行效率。

關鍵詞：船閘;控制系統;優化設計

中圖分類號：U641? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）01-0026-02

近年來，西部內河管理部門十分重視河流渠化建設，船閘的作用也越顯重要，控制水平也在日漸提高。船閘建設已經成為西部內河流域發展的重點。大頂船閘的基礎設施已經得到了有效的改變。但是船閘控制操作方式相對落后，技術水平參差不齊，人工進行手動控制為主，計算機自動控制為輔，在控制過程中存在一定的安全隱患，并且有些控制在信息采集過程中能獲取有用的信息比較少，所以對于整個閘門監控系統的安全度不高。因此，為了改善船閘控制系統的自動化程度，保證控制系統安全穩定運行，且控制信息有效采集與傳輸，本文利用環形容錯網絡技術、冗余技術、船閘人字門和閘門開度數字檢測技術、變頻器控制人字閘門技術等對內河船閘控制系統的設計進行優化研究，提高船閘控制技術水平，提高船閘運行效率。

1 船閘控制系統關鍵技術應用

1.1 船閘控制系統環形容錯網絡技術

在大頂子山船閘控制系統中，利用環形網絡的容錯能力，選用支持環網的工業以太網交換機，按照環形網絡結構搭建成網絡，并將其中一臺交換機設置成冗余管理器。一旦某個網絡發生了故障，臨近的網絡通訊設備會馬上通知其他交換機，作為冗余管理器的交換機就會實行切換，恢復原來沒有傳輸數據鏈路的功能，達到從另外一個方向連接故障點設備的功能，整個切換時間小于500毫秒。整個網絡這時變成了總線型以太網、沒有冗余。當損壞的部分修復完成后網絡將自動恢復到初始的冗余工作狀態。

1.2 船閘控制系統PLC冗余技術應用

在船閘中，PLC主機并沒有采用熱備系統。一旦PLC主機機架中有模塊出現故障，會造成整個控制系統出現故障，則不能對船閘實施自動控制操作，尤其是在船閘人字閘門開閉時，會造成嚴重的后果。為了提高整個船閘控制系統的穩定性，在大頂子山船閘控制系統中均采用了雙機熱備系統。這樣使得整個系統的性能得到了提升，系統在運行穩定性、安全性和可靠性方面也得到了有力的保證。

1.3船閘人字門和閘門開度數字檢測技術

采用了數字旋轉編碼器來測量閘門旋轉的角度，編碼采用格雷碼技術，它是一種絕對位置式編碼器。

絕對位置編碼器是直接輸出數字量的位置傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干條同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區域相間組成，相鄰碼道內的扇區數目是雙倍關系，碼盤上的碼道數就是它的二進制數編碼的位數，在碼盤的一側設置有光源，另一側對應的每一碼道有一光敏元件;當碼盤處于不同的位置時，各光敏元件根據受光照與否轉換出相應的電平信號，形成一組二進制數，這種編碼器的特點是不需要計數器，在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數字編碼。

1.4變頻控制人字閘門技術

變頻調速很容易實現電動機的正、反轉。閘門的打開和關閉動作只需要輸出兩個常開觸點指令給變頻器即可，不需要換向接觸器。也不存在因換相不當而燒毀電動機的問題。閘門在打開和關閉啟動瞬間，可以從低速開始啟動，頻率較低。減少瞬間的沖擊，保護閘門的機械元件。另外，兩扇閘門在關閉時可以按照需要實時調節兩臺閘門電機的轉速差，非常方便實現閘門關閉的同步控制。如果采用工頻電機，是很難實現的。當然，使用變頻器也有需要注意的問題：主要是變頻器產生的諧波干擾對控制系統影響較大。

2 船閘控制系統優化設計

2.1船閘作業流程研究優化

在本控制系統設計、開發時，對可能損害船閘設施及船只、人身安全的危險操作與動作進行了優化。在PLC控制程序和現地操作站中增加了設備操作連鎖、互鎖等保護功能，在原有控制方案基礎上提高了船閘操作的準確性和安全性，減少了人為誤操作引發事故的發生。同時，對控制系統流程進行了調整和優化，通過增加在某一側輸水閥門處于檢修狀態下，可利用對側的單獨輸水閥門實現閘室沖泄水自動操作的流程功能，從而縮短了輸水閥門檢修時船只的等待時間，提高了船閘的可運行效率。

2.2船閘控制系統功能優化

（1）增加電力監控的功能。采用智能儀表網絡通訊方式，增加對電力的監控，主要監控內容有：①低壓進線柜和母聯柜（主開關為框架式斷路器，有遙測、遙調、遙控、遙信等“四遙”功能）的故障監測、開關分合狀態、電流、電壓等參量的監測及開關分合控制功能。②低壓出線主要回路（主開關為有通訊功能的塑殼斷路器）的開關分合狀態的監測及開關分合控制功能。③變壓器三相繞組及鐵心溫度監測及超溫的報警功能。

（2）引入變頻器來控制液壓啟閉機的油泵電機。本文采用變頻器設備通過調速來控制閘門電機的轉速，實現了閘門在運行過程中能夠做到“慢啟-快行-慢?！睙o級變速運行，很大程度上增加了閘門開關的平穩性，減少了沖擊，保護了設備，延長了設備維修周期和船閘運行時間。

2.3船閘控制和管理網絡結構優化

一般控制和管理系統網絡結構采用簡單的星型網絡結構，網絡中節點設備采用單鏈路連接，網絡系統容錯能力不高，如果發生故障會導致船閘運行發生事故的隱患。本文采用光線環形容錯網絡構成控制和管理網絡系統，對控制系統主機PLC采用雙機冗余熱備系統，通過兩種技術的聯合應用，優化船閘控制和管理網絡結構。

（1）通信網絡環網冗余。控制系統網絡采用光纖環網結構，環網結構出現斷點時，自動變成總線結構，從而提高控制系統通信的可靠性?？刂葡到y通過工業以太網交換機把控制系統網絡組成冗錯光纖環型結構， 網絡通信協議采用Modbus TCP/IP以太網協議，通過100Mbps全雙工交換式多模光纖環網實現中控室監控主機和上、下閘首機房現地PLC之間，以及上、下閘首機房現地觸摸屏之間的數據通信網絡。由于光纖環網具有線路冗錯功能，而且采用工業級網絡設備，具有電源冗余和環網切換時間≤500ms等優點，極大地提高了控制系統網絡傳輸的可靠性，同時也保證了數據傳輸的實時性。

（2）PLC主機熱備冗余。上、下閘首機房現地下位機由兩套熱備PLC組成，完成對上、下閘首閘門和閥門等機械設備的現地監測與控制。每套PLC系統由1個主站（雙機熱備：2電源+2CPU+2RIO模塊+2Ethernet模塊+2熱備模塊）和2個遠程站組成。并且，三者之間通過專用RIO電纜相連，閘首機房就地可通過一體化工控機的觸摸屏或就地控制操作臺對系統進行現場監控。當系統中一套主機出現故障時，可以自動切換到另外一套主機進行控制，可以大大提高控制系統的安全可靠性，從而保證通航的效率。

2.4控制方式設計

船閘控制分現地控制和集中控制兩種?，F地控制是指運行人員在上下閘首操作臺上實現左右閘、閥門的運行和手動控制運行及左右閘、閥門的單機手動運行。集中控制是在集中控制室實現的程序運行和單項運行。這兩種都是由可編程控制器（PLC）完成的。現地控制與集中控制之間應設置相互閉鎖，并可在兩處實現船閘運行的緊急中斷。

船閘控制系統網絡結構圖如圖1所示。

3 結語

本文對船閘控制系統進行了完善和優化，針對大頂子山船閘應用的特點進行了設備、結構和功能上的調整和補充，運用環網冗余、變頻控制等技術整體提升了船閘控制水平，對其他船閘控制系統的建設工作具有參考、借鑒和推廣作用。

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