亭子口水利樞紐升船機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪，628400)

1 亭子口升船機計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡

亭子口水利工程升船機布置在樞紐工程右岸，位于表孔泄洪壩段和右岸非溢流壩段之間，由上游引航道、上閘首、升船機本體段及主體設備、主機房機構(gòu)、下閘首、下游引航道及供電系統(tǒng)等部分組成，各部分又由多個不同類型的機電設備組成。亭子口水利工程升船機采用鋼絲繩卷揚全平衡垂直提升型式，通航規(guī)模2×500t級，是由多個運行機構(gòu)組成的聯(lián)合體，升船機設備主要包括主體設備、上下閘首設備和上游鋼結(jié)構(gòu)浮箱等，各種設備按照一定的程序準確、可靠、靈活、協(xié)調(diào)地運轉(zhuǎn)，由上位機計算機自動控制系統(tǒng)承擔升船機運行流程的監(jiān)視控制和運行管理。

亭子口升船機計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式雙層結(jié)構(gòu)，主要由主控級和現(xiàn)地控制級組成，集中控制功能和現(xiàn)地控制功能通過網(wǎng)絡信息交換。計算機監(jiān)控系統(tǒng)主控級由兩臺操作員工作站、一臺網(wǎng)絡服務器、一臺工程師工作站、一臺圖像監(jiān)控工作站、多媒體服務器(廣播、工業(yè)電視監(jiān)視、消防安保)、兩臺打印機、一套工業(yè)以太網(wǎng)局域網(wǎng)絡成套設備、一套并聯(lián)冗余在線式不間斷電源裝置等組成。主控級雙操作員工作站、工程師工作站和圖像監(jiān)控工作站、網(wǎng)絡服務器之間采用1000Mbps工業(yè)以太網(wǎng)連接，組成主控級信息網(wǎng)絡，實現(xiàn)主控級各計算機之間的數(shù)據(jù)交換和資源共享。計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 亭子口升船機計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

2 監(jiān)控控制功能

2.1 上位機集控功能

升船機上位機是升船機的樞紐中心，負責整個升船機的實時監(jiān)視、流程控制、單機構(gòu)調(diào)試及通航指揮，具有自動控制、人機對話、實時數(shù)據(jù)處理、升船機系統(tǒng)時鐘同步、故障報警及應對處理、歷史數(shù)據(jù)管理、多媒體管理、本地網(wǎng)絡和網(wǎng)際通信等功能。上位機監(jiān)控系統(tǒng)能迅速有效地對升船機被控對象實時安全監(jiān)視、實時流程控制和單機構(gòu)調(diào)試控制。

主控級監(jiān)控系統(tǒng)能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理、升船機實時動態(tài)運行屏幕顯示、事件順序記錄、事故處理及恢復操作指導、數(shù)據(jù)通信、鍵盤和鼠標操作、系統(tǒng)狀態(tài)自診斷、實時數(shù)據(jù)庫管理、歷史數(shù)據(jù)庫管理、記錄及歷史報表打印、通航指揮、工業(yè)電視監(jiān)視、系統(tǒng)設備運行維護管理、軟件開發(fā)及培訓的功能。

主控級監(jiān)控系統(tǒng)功能分以下幾大類：

(1)運行控制功能；

(2)數(shù)據(jù)采集功能；

(3)數(shù)據(jù)處理功能；

(4)人機接口與畫面顯示功能；

(5)OA文檔與報表打印功能；

(6)系統(tǒng)診斷與報警功能；

(7)運行管理與操作指導功能；

(8)系統(tǒng)通信接口功能。

2.2 現(xiàn)地級LCU功能

現(xiàn)地控制子站能實現(xiàn)對現(xiàn)地傳感器的數(shù)據(jù)采集和處理、控制對象狀態(tài)的現(xiàn)地實時指示燈顯示和數(shù)碼顯示、專業(yè)鍵盤及按鈕開關操作、事件順序記錄、事故報警及應對處理、故障確認及恢復操作、現(xiàn)地網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信、現(xiàn)地設備狀態(tài)診斷和系統(tǒng)狀態(tài)自診斷、通航信號燈控制等功能。

3 上位集控系統(tǒng)軟件

3.1 上位機監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)

上位監(jiān)控軟件包括近一百幅畫面，完成對上閘首控制子站、主機房控制子站、傳動控制站、承船廂A泵站控制子站、承船廂B泵站控制子站和下閘首控制子站等PLC子站數(shù)據(jù)采集和控制。上位監(jiān)控軟件主要畫面構(gòu)成見圖2所示。輸入、輸出各類信號共3600多點。為了操作員監(jiān)視前端設備的狀況，程序?qū)⒏髡局匾男盘柧B續(xù)采集上來，并以圖形、文字、曲線、表格等形式實時顯示，其中需要的則可存入數(shù)據(jù)庫以供記錄和存檔。重要的報警和故障信號除自動啟動相應的保護動作，還以清晰的圖形閃爍和聲音信號提醒操作員以便作緊急處理。

圖2 亭子口升船機監(jiān)控軟件主要畫面構(gòu)成

3.2 上位集控系統(tǒng)軟件功能

集控系統(tǒng)軟件嚴格按照亭子口升船機主控級功能要求、自動運行流程和各現(xiàn)場設備間的閉鎖保護條件，完成對升船機現(xiàn)場設備狀態(tài)和運行過程的可靠和有效的監(jiān)控。軟件的主要功能有：

●數(shù)據(jù)采集與處理；

●升船機運行全過程自動流程控制；

●升船機運行分步流程控制；

●單機構(gòu)調(diào)試控制；

●升船機運行工藝的邏輯運算與處理；

●升船機狀態(tài)檢測和故障診斷；

●升船機實時動態(tài)運行屏幕顯示；

●雙機熱備；

●事故處理及恢復操作指導；

●系統(tǒng)狀態(tài)自診斷；

●系統(tǒng)時鐘同步；

●鍵盤和鼠標操作；

●系統(tǒng)設備運行維護管理；

●網(wǎng)絡通信；

●故障保護流程(緊急關門和船廂運行到安全位置)控制；

●數(shù)據(jù)庫管理；

●升船機數(shù)據(jù)報表處理與打??；

●記錄及歷史報表打?。?/p>

●各控制站的程序組態(tài)與開發(fā)維護；

●升船機運行全過程圖形模擬仿真顯示；

●升船機整體運行仿真；

●應用軟件開發(fā)；

●運行管理人員培訓等。

監(jiān)控主機的監(jiān)控程序?qū)崟r采集升船機現(xiàn)場的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，通過監(jiān)視器顯示和供數(shù)據(jù)庫存檔，操作員根據(jù)升船機運行流程在適當時刻發(fā)布控制命令，由PLC及現(xiàn)地模塊再配合檢測的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應的動作，完成升船機運行，在PLC接到命令后，給出反饋信號，若在預定時間內(nèi)收不到正確的反饋信號，監(jiān)控程序給出清晰的報警信號供操作員進行檢查和進一步?jīng)Q策。需要時經(jīng)操作站執(zhí)行暫停、恢復運行或?qū)蝹€設備進行操作。

3.3 上位集控系統(tǒng)監(jiān)控的內(nèi)容

上位集控采集升船機現(xiàn)地控制站的設備運行狀態(tài)等信息，主要監(jiān)控的內(nèi)容有：

●各子站故障、報警信號；

●各子站PLC運行狀態(tài)信號；

●上閘首工作門上、下極限位置信號、開度值；

●上閘首臥倒門上、下極限位置信號、開度值；

●上游水位值；

●上游渡槽船舶探測信號；

●安全制動器松閘到位信號、閘皮磨損信號；

●安全制動系統(tǒng)液壓泵站啟、停信號，壓力值；

●工作制動器松閘到位信號、閘皮磨損信號；

●工作制動系統(tǒng)液壓泵站啟、停信號，壓力值；

●潤滑油泵站啟、停信號；

●同步軸扭矩值；

●主拖動電機電源電壓、工作電流及轉(zhuǎn)速值；

●船廂上、下行程；

●船廂至主機房層底面距離；

●船廂各泵站啟、停信號；

●船廂上、下游端防撞裝置位置信號；

●船廂上、下游端防撞裝置行程；

●船廂上、下游端門開、關位置信號，開度值；

●船廂頂緊壓力值，前進到位和回退到位信號；

●船廂夾緊壓力值，前進到位和回退到位信號；

●船廂上、下游端密封框位置信號、壓力值；

●船廂船舶探測信號；

●船廂靜態(tài)調(diào)平水平量；

●船廂動態(tài)水平量；

●船廂上、下游端廂頭間隙水深值；

●船廂水深、水平值；

●船廂上、下游減速及?？课恢眯盘?；

●船廂上、下鎖定位置信號；

●下閘首工作大門上、下極限位置信號、開度值；

●下閘首臥倒門上、下極限位置信號、開度值；

●下游水位值；

●下游引航道船舶檢測信號；

●網(wǎng)絡診斷及雙網(wǎng)切換信號。

4 故障及分類處理

亭子口升船機監(jiān)控系統(tǒng)故障按照嚴重程度分為四個級別：一類故障、二類故障、三類故障和四類故障。其中，一類故障最嚴重，必須馬上緊急停機；二類故障次于一類故障，必須馬上快速停機；三類故障次于二類故障，需要立即采取正常速度停機；四類故障可以堅持運行完本次運船流程后再做維護處理。

一類故障——緊急停機，卷揚傳動系統(tǒng)整流切除，工作制動器調(diào)壓上閘，安全制動器延時上閘；信號傳輸與處理采用硬接線與PLC控制并行進行；同時聲光報警；

二類故障——快速停機，卷揚傳動系統(tǒng)以0.04m/s2減速，接近零速時工作制動器先上閘，安全制動器延時上閘；同時聲光報警；

三類故障——正常停機，卷揚傳動系統(tǒng)以0.01m/s2減速，接近零速時工作制動器先上閘，安全制動器延時上閘；同時聲光報警；

四類故障——只聲光報警。

上位集控系統(tǒng)故障分類如表1所示。

表1 亭子口上位集控系統(tǒng)故障分類

5 控制方式

(1)計算機監(jiān)控系統(tǒng)正常時，升船機可自動完成上行或下行運行過程，亦可進行分步流程控制和單步操作運行；

(2)計算機監(jiān)控系統(tǒng)的主控級有故障，但至少有一臺微機正常工作時，系統(tǒng)仍能繼續(xù)維持正常運行過程和單步運行操作；

(3)主控級檢修時，可在各系統(tǒng)的現(xiàn)場控制子站人工按規(guī)定順序進行單機操作。此時順序閉鎖仍能維持升船機安全運行。

升船機電氣系統(tǒng)控制方式定義為：集控、現(xiàn)地自動、現(xiàn)地手動控制方式。

(1)集控控制方式：上位機和所有子站控制方式選擇為自動控制，整個升船機受控于上位機集控，各子站接受上位命令，經(jīng)校核后響應，根據(jù)升船機流程，自動完成升船機的全過程控制。升船機上位集中控制系統(tǒng)負責對升船機設備進行遠方監(jiān)測與控制，控制方式分為上位全自動控制、上位單步控制和上位單機構(gòu)控制三種方式。其中，上位全自動控制和上位單步控制方式為升船機正常運行控制方式，當升船機發(fā)生故障不能按照流程正常運行時，可以切換到上位單機構(gòu)控制方式，實現(xiàn)遠方手動控制升船機設備，同時，上位單機構(gòu)控制方式也可以用于調(diào)試階段；

(2)現(xiàn)地自動控制方式：各系統(tǒng)子站在現(xiàn)地方式運行時，各子站可以通過人機界面或控制面板上的操作組件，完成升船機的流程控制；

(3)現(xiàn)地手動控制方式：在子站調(diào)試或檢修階段，方式選擇開關設為手動控制，在不影響升船機系統(tǒng)安全和符合設備工藝要求的情況下，控制單一設備，實現(xiàn)單步檢修、調(diào)試過程。

急停按鈕優(yōu)先現(xiàn)地子站，具有最高控制權(quán)限，不受控制方式限制。

6 復雜的流程控制、傳動技術(shù)

亭子口升船機系統(tǒng)運行涉及設備數(shù)量、檢測信號類型及數(shù)量繁多，正常運行流程及故障保護流程復雜。根據(jù)亭子口升船機工況，設計了升船機初始化流程、自動上行流程、自動下行流程、單步上行流程、單步下行流程、下班停運流程和故障保護流程，保證了系統(tǒng)運行的流暢性、靈活性，同時為系統(tǒng)的安全運行提供了保障。亭子口升船機的通航運行工藝流程是一個典型的工業(yè)過程控制流程，具有控制流程的邏輯性強、機構(gòu)動作的步序特性突出、各種動作閉鎖條件結(jié)合緊密等特點。

在船廂升降時，工作制動器松閘前，8臺主電機會先預加力矩，根據(jù)船廂均衡缸上腔壓力以及船廂水深、船廂入水深度，判定不平衡力方向，動態(tài)力矩控制，協(xié)調(diào)制動器松閘時機，解決船廂啟動平穩(wěn)性問題。

7 結(jié)語

目前亭子口升船機已進入調(diào)試階段，各項控制功能齊備，安全保障機構(gòu)可靠；作為嘉陵江高等級航道中的控制性工程，運行條件要求高、技術(shù)復雜，因此升船機系統(tǒng)、尤其是檢測系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性及可靠性需不斷進行現(xiàn)場跟進、完善，滿足安全通航需求。