船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)探討

祝 福，肖彥直

（1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 4300502；中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○九研究所，武漢 430074）

船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)探討

祝 福1，肖彥直2

（1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 4300502；中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○九研究所，武漢 430074）

通過(guò)介紹船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)發(fā)展，對(duì)基于高性能PLC、PC工作站和網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)，探討了分布式監(jiān)控系統(tǒng)中與計(jì)算機(jī)、控制、網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)工程解決方案，提出了采用融計(jì)算機(jī)控制、分布式數(shù)據(jù)管理、大型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)為一體，在關(guān)鍵部位采用冗余設(shè)計(jì)的分層分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，是船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)發(fā)展方向。

船閘監(jiān)控技術(shù)；計(jì)算機(jī)監(jiān)控；冗余容錯(cuò)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)水電工程建設(shè)事業(yè)取得了飛速發(fā)展，其中配套使用的水利樞紐船閘、升船機(jī)等通航設(shè)施機(jī)電設(shè)備制造處于世界先進(jìn)水平，直接推動(dòng)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)船閘整體的操作、運(yùn)行、維護(hù)和管理，建立具有部分冗余容錯(cuò)功能的高可靠分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，代表船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的主流。

1 船閘特點(diǎn)及分類

船閘特點(diǎn)是設(shè)備布置分散、安全可靠性要求高，存在本地和遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)視、控制、管理、調(diào)度、通信等需求，對(duì)系統(tǒng)先進(jìn)性、可操作性和易維護(hù)性有較高的要求。特別需要可靠的閘、閥門啟閉速度曲線控制和閘門同步運(yùn)行控制，及檢修橋機(jī)、防撞裝置控制；并且設(shè)置相鄰閘首開(kāi)門閉鎖、水位平壓開(kāi)門、合攏失敗自動(dòng)關(guān)閥、誤操作保護(hù)、程序“多一”保護(hù)、緊急關(guān)閥保護(hù)和其它電氣和液壓系統(tǒng)保護(hù)等。

從控制角度來(lái)講，船閘包括單級(jí)船閘和多級(jí)船閘，多級(jí)船閘中典型的是3級(jí)船閘和5級(jí)船閘，一般連續(xù)布置。級(jí)數(shù)越多，閘首間閉鎖關(guān)系越復(fù)雜，水位配合關(guān)系越復(fù)雜，監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)管理、調(diào)度控制、通信服務(wù)等方面逐步擴(kuò)展，系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大，越來(lái)越復(fù)雜。

2 船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[1-5]

2.1 基于PLC+IPC控制的簡(jiǎn)單系統(tǒng)

一般為2層DCS系統(tǒng)，包括現(xiàn)地控制層和集中操作、監(jiān)視、管理層，工業(yè)控制主干網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)（見(jiàn)圖1）。

圖1 基于PLC+IPC控制的簡(jiǎn)單系統(tǒng)圖

2.2 基于PLC+IPC控制的復(fù)雜系統(tǒng)

一般為3層DCS系統(tǒng)，包括現(xiàn)地控制層、集中操作監(jiān)視層、運(yùn)行調(diào)度管理層，管理以太網(wǎng)、工業(yè)控制主干網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)，關(guān)鍵設(shè)備冗余（電源、主控設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、傳感器、執(zhí)行器等），必要時(shí)設(shè)置遠(yuǎn)程操作、管理終端，或通過(guò)路由器、網(wǎng)絡(luò)隔離設(shè)備與上層信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，構(gòu)成大型異構(gòu)分層分布式網(wǎng)絡(luò)（見(jiàn)圖2）。

2.3 冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)

2.3.1 電源冗余設(shè)計(jì)

主電源：交流電源互投（雙回輸入）；

UPS：冗余供電（雙回輸入，可穩(wěn)壓輸出、可旁路輸出）；直流電源：并聯(lián)冗余供電；PLC電源：并行冗余供電。

2.3.2 控制器冗余配置

一般有冷備、溫備、熱備、雙工4種模式，以溫備（操作站）、熱備（控制器）系統(tǒng)居多（見(jiàn)圖3）。

2.3.3 網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)

層間通信采用冗余的快速工業(yè)以太網(wǎng)，例如ProfibusonTCP/IP，或ModbusonTCP/IP等；現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)冗余總線（Profibus、ModbusPlus等）網(wǎng)絡(luò)連接I/O。

圖2 基于PLC+IPC控制的復(fù)雜系統(tǒng)圖

圖3 控制器冗余模式

2.3.4 數(shù)據(jù)冗余

適當(dāng)增加數(shù)據(jù)冗余度，可以提高系統(tǒng)可靠性。每個(gè)功能單元可以對(duì)自己的數(shù)據(jù)獨(dú)立操作，同時(shí)操作員站對(duì)服務(wù)器數(shù)據(jù)部分冗余，操作員站間數(shù)據(jù)冗余，現(xiàn)地站對(duì)操作員站數(shù)據(jù)部分冗余。這樣即使通信故障，記錄數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)出問(wèn)題時(shí)，可以及時(shí)恢復(fù)數(shù)據(jù)。但在增加數(shù)據(jù)冗余的同時(shí)，應(yīng)考慮好數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題，數(shù)據(jù)庫(kù)并發(fā)操作問(wèn)題。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用結(jié)構(gòu)化、模塊化、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法；增強(qiáng)系統(tǒng)的分級(jí)容錯(cuò)設(shè)計(jì)，保證重要傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障時(shí)系統(tǒng)可以容錯(cuò)運(yùn)行，例如水位計(jì)、開(kāi)度儀、電機(jī)、電磁閥等。加強(qiáng)故障檢測(cè)報(bào)警及應(yīng)急處理功能，閉鎖條件的判斷處理；增強(qiáng)操作控制指令校驗(yàn)，提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)查詢和信息提示功能，同時(shí)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等部分故障時(shí)，系統(tǒng)可以降級(jí)運(yùn)行，防止系統(tǒng)進(jìn)入被動(dòng)性失控狀態(tài)。

2.5 故障保護(hù)設(shè)計(jì)

由于船閘運(yùn)行的特殊要求，即運(yùn)行高可靠性、高安全性，其監(jiān)控系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)一套完整的操作控制、運(yùn)行監(jiān)視流程和故障保護(hù)流程，主要故障保護(hù)涉及控制設(shè)備故障、檢測(cè)設(shè)備故障、供電設(shè)備故障、液壓系統(tǒng)故障、執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障等。

3 船閘監(jiān)控技術(shù)展望

3.1 船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)

（1）采用“冗余、容錯(cuò)、集散”等先進(jìn)技術(shù)措施，構(gòu)架船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性和信息化管理技術(shù)水平；

（2）研究的船閘連續(xù)運(yùn)行水位配合、控制及保護(hù)算法，確保船舶航行安全；

（3）根據(jù)運(yùn)行工藝要求，研究船閘控制邏輯流程，解決船閘連續(xù)運(yùn)行中存在的控制耦合、并發(fā)操作控制等技術(shù)問(wèn)題，提高船閘運(yùn)行可靠性、可操作性；

（4）采用各種協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)和安全保護(hù)措施，使連續(xù)布置的各閘首的閘/閥門得以安全可靠地協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，能使船舶可以安全快速地通過(guò)船閘；

（5）采用圖像自動(dòng)跟蹤與自動(dòng)廣播控制技術(shù)，可以提高船閘監(jiān)控的自動(dòng)化水平；

（6）研究船閘設(shè)備故障安全保護(hù)措施，提高設(shè)備的可維護(hù)性。

3.2 國(guó)內(nèi)外典型船閘監(jiān)控技術(shù)對(duì)比[2-4]

表1列出了國(guó)內(nèi)外典型的單級(jí)、3級(jí)、5級(jí)船閘，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制器、網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)配置、操作方式、運(yùn)行方式上進(jìn)行了比較，可見(jiàn)采用集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、光纖網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵設(shè)備冗余、集中與現(xiàn)地操作相結(jié)合、運(yùn)行方式靈活得到認(rèn)同。

3.3 計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展：DDC→SCC→DCS→FCS，集散型控制系統(tǒng)分散控制，集中管理，具有較高的可靠性和實(shí)用性，集計(jì)算機(jī)、通信、控制、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)為一體的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)成為了工業(yè)控制領(lǐng)域最為熱門的話題，由于本身所固有的一些技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

表1 國(guó)內(nèi)外船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)照表

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)：以單計(jì)算機(jī)為中心的聯(lián)機(jī)終端系統(tǒng)→以通信子網(wǎng)為中心的主機(jī)互聯(lián)→計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化。

數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展趨勢(shì)：網(wǎng)狀、層次數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)→關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)→以面向?qū)ο竽Ｐ蜑橹饕卣鞯臄?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)訪問(wèn)模式的發(fā)展：C/S（客戶/服務(wù)器）模式→B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式。瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，是對(duì)C/S結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)化了客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)的成本和工作量，能實(shí)現(xiàn)不同的人員，從不同的地點(diǎn)，以不同的接入方式（比如LAN，WAN，Internet/Intranet等）訪問(wèn)和操作共同的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.4 船閘視頻監(jiān)控技術(shù)

為滿足船閘全方位、全天候、自動(dòng)跟蹤視頻監(jiān)控的目的設(shè)置工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)，有模擬視頻及數(shù)字視頻兩種方案。采用全天候低照度模擬攝像機(jī)、光電轉(zhuǎn)換、光纖傳輸、矩陣切換控制、計(jì)算機(jī)圖像采集卡、監(jiān)視器監(jiān)控等構(gòu)成的模擬視頻系統(tǒng)一度占據(jù)主導(dǎo)地位；現(xiàn)階段被數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、視頻服務(wù)器、光纖傳輸、硬盤錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)圖像采集、DLP大屏監(jiān)控等構(gòu)成全數(shù)字流媒體視頻系統(tǒng)逐漸取代。關(guān)鍵在于后者開(kāi)放性好、圖像瀏覽、自動(dòng)切換控制方便，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像采集、網(wǎng)絡(luò)集成，實(shí)現(xiàn)視頻網(wǎng)絡(luò)共享，即通過(guò)Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)視頻存儲(chǔ)和視頻信息發(fā)布。

4 結(jié)語(yǔ)

盡管在船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)制造上，我國(guó)目前處于世界先進(jìn)水平，遺憾的是系統(tǒng)中大量使用國(guó)外控制產(chǎn)品，而且在“自動(dòng)化、信息化、無(wú)人值守”發(fā)展方向上還有潛力可挖，寄希望于國(guó)內(nèi)同行奮起直追，大力發(fā)展民族工業(yè)，開(kāi)拓船閘監(jiān)控技術(shù)新局面。

[1] 王德吉.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2] 羅 飛.三峽船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)，2013（4）：40-41.

[3] 趙勇飛，王 淼，田茂剛，等.浯溪船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].水電廠自動(dòng)化，2011（3）：62-63.

[4] 劉雪芹，劉新泉，姚懷柱.三河船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].江蘇水利，2012（8）：30-31.

[5] 劉曙明，張復(fù)全.船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].交通科技，2012（6）：72-75.

（責(zé)任編輯：周 群）

Discussion on shiplock computer supervision and control technology

ZHU Fu1,XIAO Yan-zhi2
（1.Wuhan Institute of Shipbuilding Technology,Wuhan 430050,China;2.709 Institute of China Shipbuilding Industry Corporation,Wuhan 430074,China）

An introduction was made on the development of shiplock computer supervision and control technology.The authors present a brief design of supervision and control system based on PLC and PC workstations with high performance as well as network,discuss the technical solutions related to computer,control and network for a dis?tributed system,put forward the development direction of shiplock computer monitoring system,i.e.an integrated hi?erarchical distributed computer monitoring system incorporating computer control with distributed data manage?ment,large-scale heterogeneous network,and with redundancy at key positions.

Shiplock monitoring technology;computer supervision and control;redundancy and fault-tolerance

TP31；U641.7

B

1003-1510（2016）02-0076-03

2016-01-18

湖北省教育廳科研項(xiàng)目（B20128507）

祝 福（1970-），男，湖北云夢(mèng)人，武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣學(xué)院副教授，碩士，主要從事電氣自動(dòng)化及控制工程的教學(xué)及研究開(kāi)發(fā)工作。