西津二線船閘調(diào)度及控制系統(tǒng)設(shè)計特點

蒙平

摘要：文章介紹了西津水利樞紐二線船閘調(diào)度及控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、運行控制工藝設(shè)計，可為類似工程的實施提供有益的經(jīng)驗借鑒。

關(guān)鍵詞：船閘;調(diào)度;控制;工藝

This article introduces the structural design and operation control process design of the ship lock dispatching and control system of Xijin Water Control Hub second line，which can provide useful experience for the implementation of similar projects.

Ship lock;Scheduling;Control;Process

0 引言

西津水利樞紐工程為季調(diào)節(jié)低水頭河床式電站，主要開發(fā)任務(wù)是以發(fā)電、通航為主，兼顧灌溉效益的水利水電綜合利用樞紐工程。該樞紐已建主要建筑物有攔河壩、泄洪閘、廠房、開關(guān)站及2×1 000 t單線雙級船閘一座。西津水利樞紐二線船閘工程建設(shè)規(guī)模為3 000 t級（Ⅰ級船閘），工程位于原水利樞紐右岸臺地上，兩線船閘中心距為120 m，上閘首齊平，兩線船閘引航道及口門分開。該工程于1958年開工建設(shè)，1964年10月投運。

西津水利樞紐二線船閘工程從前期設(shè)計階段開始，就對航運過壩瓶頸問題、多線船閘聯(lián)合高效運行問題、同流域航運樞紐協(xié)同運行問題、船閘安全運行問題作了深入的分析研究，相關(guān)的研究成果對各專業(yè)的設(shè)計都起到了重要的指導作用。本文將對本工程的聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計、船閘控制系統(tǒng)設(shè)計及控制工藝設(shè)計進行分析。

1 聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計

廣西西江開發(fā)投資集團已經(jīng)建成西江航道長洲調(diào)度中心和南寧調(diào)度中心，調(diào)度系統(tǒng)具備了西江航運地圖、船舶到閘預(yù)測、船舶過閘申報、過閘船舶登記、過閘船舶收費、計劃編制與發(fā)布、閘室自動排擋、船籍數(shù)據(jù)管理、違章船舶管理、錨地管理、船閘運行設(shè)備狀態(tài)和航道狀態(tài)管理等功能。

船舶的過閘是一個非常復(fù)雜的過程，由船舶過閘申報和登記、計劃編制、錨地停泊、船舶發(fā)航、閘室排擋以及船舶過閘等眾多環(huán)節(jié)構(gòu)成。同時，這些環(huán)節(jié)還受到地質(zhì)、水文、氣象、橋梁、運行設(shè)備和航道內(nèi)的通行船舶的影響。西津二線船閘工程建成后西津水利樞紐的船閘數(shù)量達到2座，過閘能力大幅增加，船閘的調(diào)度管理更加復(fù)雜。因此，為了保證船舶安全、高效、有序地通航，西津兩線船閘一同接受長洲調(diào)度中心和南寧調(diào)度中心聯(lián)合調(diào)度運行，實現(xiàn)兩線船閘統(tǒng)一運行、統(tǒng)一管理和統(tǒng)一調(diào)度，根據(jù)統(tǒng)一制定的調(diào)度計劃，各船閘獨立控制過閘流程。

但目前西津一線船閘現(xiàn)有的控制系統(tǒng)仍為繼電器硬布線邏輯回路，自動化程度低，操作運行過程均需人工操作，暫時不能滿足兩線船閘統(tǒng)一調(diào)度自動化運行的要求，需要另立工程改造。另外，西津一線船閘目前沒有裝設(shè)工業(yè)電視系統(tǒng)，廣播指揮設(shè)備也相對簡單，不能滿足兩線船閘統(tǒng)一調(diào)度指揮的要求。本期工程在一線船閘增加廣播指揮前端設(shè)備、工業(yè)電視前端設(shè)備及語音用戶設(shè)備，在一定程度上滿足當前兩線船閘運行的需要。在一線船閘控制系統(tǒng)改造為計算機監(jiān)控之前，調(diào)度指揮中心可通過視頻監(jiān)控、廣播、語音通信等手段對一線船閘進行人工調(diào)度;在一線船閘控制系統(tǒng)改造為計算機監(jiān)控之后，兩線船閘的計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)建立交互和協(xié)同關(guān)系。

西江集團的長洲調(diào)度中心和南寧調(diào)度中心為配合西津二線船閘工程需對其相應(yīng)的各運行系統(tǒng)進行硬件設(shè)備擴充及軟件系統(tǒng)改造開發(fā)：

（1）升級北斗智能報閘系統(tǒng)，實現(xiàn)裝設(shè)北斗智能報閘設(shè)備的船舶在通過西津船閘時能不上岸報到、不停船繳費;

（2）開發(fā)西津船閘收費模塊及電子發(fā)票系統(tǒng)接口，實現(xiàn)兩線船閘收費電子化;

（3）開發(fā)西津船閘一次報閘全線通過模塊，實現(xiàn)其與流域其它船閘一次報閘全線通過;

（4）開發(fā)西津雙線船閘智能排擋系統(tǒng)，實現(xiàn)樞紐內(nèi)兩線船閘聯(lián)合調(diào)度;

（5）開發(fā)西津船閘與其它梯級船閘聯(lián)合調(diào)度接口，實現(xiàn)船閘數(shù)據(jù)共享;

（6）開發(fā)西津船閘生產(chǎn)統(tǒng)計報表，實現(xiàn)西津船閘數(shù)據(jù)匯入西江集團船閘統(tǒng)計系統(tǒng)。

2 船閘控制系統(tǒng)設(shè)計

為滿足兩線船閘統(tǒng)一運行、統(tǒng)一管理和統(tǒng)一調(diào)度的要求，西津二線船閘控制系統(tǒng)按計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，采用全分布開放式結(jié)構(gòu)，由集中控制級和現(xiàn)地控制級組成。

集中控制級由互為冗余的操作員工作站、集中控制單元及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全防護設(shè)備、外圍設(shè)備組成。集中控制級設(shè)備通過對現(xiàn)地控制級設(shè)備、廣播指揮設(shè)備和通航指揮信號燈進行控制，實現(xiàn)對船舶過閘過程的集中自動程序控制。二線船閘集中控制級設(shè)備通過租用通信服務(wù)商公網(wǎng)專線或自建專用光纖連接上下游錨地遠調(diào)站、長洲調(diào)度中心和南寧調(diào)度中心。西津兩線船閘相關(guān)信息數(shù)據(jù)將上送長洲調(diào)度中心和南寧調(diào)度中心，并接受其調(diào)度控制指令。集中控制級設(shè)備設(shè)置在二線船閘主控樓內(nèi)，作為二線船閘的控制中樞。

現(xiàn)地控制級按控制對象地理位置及控制數(shù)量設(shè)置，船閘上下閘首設(shè)置4套現(xiàn)地控制單元。現(xiàn)地控制單元配置工業(yè)可編程邏輯控制器（PLC）及電力拖動控制設(shè)備，完成船閘運行的實時數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理及船舶過閘控制（包括分步控制和自動順序控制操作）?，F(xiàn)地控制單元PLC采用雙機熱備方案，即雙機架、雙CPU、雙電源模板、雙EIO網(wǎng)絡(luò)模板、雙以太網(wǎng)通信模板，保證系統(tǒng)的高度可靠性?，F(xiàn)地控制單元主站與自身IO模件或現(xiàn)地控制單元從站采用EIO方式連接，EIO網(wǎng)絡(luò)采用冗余光纖以太網(wǎng)方式，單一故障點不會造成通信中斷。

船閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，集中控制級及現(xiàn)地控制級設(shè)備之間通過傳輸速率為100 Mbps的光纖自愈環(huán)型以太網(wǎng)通信。當通信網(wǎng)絡(luò)主用鏈路出現(xiàn)斷點時，在10 ms之內(nèi)切換到備用鏈路。傳輸介質(zhì)采用無金屬多模光纖，傳輸協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議，遵循IEEE802.3標準。

上下游錨地遠調(diào)站配置相應(yīng)的報閘登記、收費開票系統(tǒng)設(shè)備，通過租用通信服務(wù)商公網(wǎng)專線或自建專用光纖連接二線船閘集中控制系統(tǒng)及長洲調(diào)度中心、南寧調(diào)度中心，上傳相關(guān)的過閘船舶申報、登記、收費及錨地狀態(tài)信息，并接收過閘計劃、排檔、船閘運行設(shè)備狀態(tài)和航道狀態(tài)等信息。

3 控制工藝設(shè)計

3.1 人字門運行控制

西津二線船閘工作閘門門型為人字閘門。人字閘門啟閉機采用臥式液壓啟閉機。上閘首人字門液壓啟閉機選用1600 kN液壓啟閉機，共設(shè)2臺，裝設(shè)于船閘上閘首兩側(cè)的啟閉機機房內(nèi)。下閘首人字門液壓啟閉機選用2600 kN液壓啟閉機，共設(shè)2臺，裝設(shè)于船閘下閘首兩側(cè)的啟閉機機房內(nèi)。上下閘首人字門液壓啟閉機共設(shè)4座液壓泵站，每座泵站設(shè)有3臺油泵和3臺電機，其中2臺工作，1臺備用。液壓系統(tǒng)中設(shè)置獨立的人字門控制閥組控制人字門運行。液壓系統(tǒng)設(shè)3套比例變量泵組（2用1備），用于人字門液壓啟閉機的調(diào)速運行控制。

各閘首人字門液壓啟閉機的行程檢測裝置采用與活塞桿保護層結(jié)合在一起的行程檢測裝置，能給出閘門任意位置開度的指示信號，輸出信號為16位格雷碼，檢測誤差≤1.0 mm。各閘首人字門液壓啟閉機設(shè)全開、全關(guān)限位開關(guān)作為液壓啟閉機極限位置的安全保護。人字門的導卡上部設(shè)置關(guān)終限位開關(guān)和合攏限位開關(guān)，在人字門全開位置設(shè)全開限位開關(guān)，作為閘門極限位置的控制。人字門門頭設(shè)置門縫及錯位檢測裝置、門頭水平檢測裝置。

（1）操作條件：人字門啟閉機原則上應(yīng)在人字門前后水位齊平的情況下操作啟閉閘門，但允許在有一定水位差的情況下啟門，啟門水位差≤0.1 m。

（2）同步控制：同閘首兩側(cè)人字門采用電氣同步運行方式，兩套液壓系統(tǒng)驅(qū)動雙油缸同步啟閉兩扇人字閘門。在閘門啟閉過程中，閘門開度及行程控制裝置全程連續(xù)檢測2只油缸的行程偏差，當偏差值大于設(shè)計值時，比例調(diào)速閥自動調(diào)整相應(yīng)油缸進、出油量，使閘門同步。若偏差值繼續(xù)增大，大于設(shè)計值時，液壓系統(tǒng)自動停止同步功能并發(fā)出報警信號。閘首兩臺人字門液壓啟閉機經(jīng)電氣位置同步控制后同步運行誤差≤25 mm。

（3）變速控制：閘首現(xiàn)地控制單元PLC通過控制液壓系統(tǒng)比例變量泵來控制人字閘門開啟或關(guān)閉速度，使人字閘門按照慢-快-慢的v-t變速特性曲線運行，防止閘門運行到位時出現(xiàn)沖擊。v-t變速特性曲線可在現(xiàn)場進行調(diào)整修改。

（4）閉門控制：同閘首兩側(cè)的兩扇人字門在關(guān)閉運行時，設(shè)置同步等待位、關(guān)終位、合攏位。閘門關(guān)閉運行應(yīng)先到達同步等待位，并保證人字門在接近關(guān)終位置時能順利進入人字門導卡，準確地在規(guī)定的關(guān)終位置上停止，在關(guān)終位置上兩扇門葉斜接柱處應(yīng)留有約20 mm的間隙，以便在充泄水過程中此間隙將在水頭作用下逐漸減小并合攏。其中同步等待位為閘門關(guān)終位前100 mm處，等待位誤差≤10 mm。如同步等待位誤差值>10 mm，則啟閉機應(yīng)作同步等待調(diào)整至滿足要求為止。待兩門均到等待位后繼續(xù)運行，要求兩臺啟閉機能保證兩扇人字門在接近關(guān)終位置時順利進入人字門導卡，并準確地在關(guān)終位置上停止。雙側(cè)人字門關(guān)終位時，應(yīng)預(yù)留10～40 mm范圍的門縫（液壓啟閉機液壓系統(tǒng)停泵，但液壓系統(tǒng)連通），控制系統(tǒng)啟動船閘輸水運行程序，通過水頭使人字門完全關(guān)閉。在人字門錯位超過一定距離（10 mm）時，控制系統(tǒng)不啟動船閘輸水運行程序。輸水啟動后，控制系統(tǒng)具有人字門合攏信號延時檢測功能，延時時間應(yīng)在1～2 min范圍內(nèi)可調(diào)，或者為船閘輸水后人字門前、后水頭達到2 m左右的時間。到達延時時間后，門縫仍>10 mm或合攏信號未到時，控制系統(tǒng)停止船閘輸水運行。

（5）漂移控制：在反向水頭或涌浪大于啟閉機承受能力時，啟閉機能自動退讓，防止人字閘門及啟閉機受損。當人字門反向水頭小于一定范圍時，控制系統(tǒng)不開啟人字門，通過啟閉機持住力應(yīng)對反向水頭產(chǎn)生的作用力;當人字門反向水頭大于某一設(shè)定值時，控制系統(tǒng)啟動迅速開門程序。船閘充水時，應(yīng)允許下閘首人字門向關(guān)閉方向漂移，待充水至上閘首接近水平時，應(yīng)允許上閘首人字門向開啟方向漂移;船閘泄水時上閘首人字門向關(guān)閉方向漂移，待泄水至下閘首接近水平時，應(yīng)允許下閘首人字門向開啟方向漂移。人字門在全關(guān)位時，啟閉機能適應(yīng)閘室泄水過程中閘門上下游水位差造成的人字門塌拱變形。長期運行后，雙側(cè)人字閘門抗涌浪、防漂移能力會出現(xiàn)差異，閘門淹沒水深、金屬結(jié)構(gòu)溫度變形會對雙側(cè)人字閘門的關(guān)終準確停位和門縫合攏錯位大小產(chǎn)生影響?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)能充分考慮以上因素，確保閘門長期安全穩(wěn)定運行。

（6）初始啟門：利用閘室超灌超泄所產(chǎn)生的人字門反向水頭，配合液壓系統(tǒng)的聯(lián)動操作控制實現(xiàn)人字門的初始開啟。

3.2 輸水閥門運行控制

西津二線船閘輸水廊道工作閥門門型為反向弧形鋼閥門。工作閥門啟閉機選用2 200 kN液壓啟閉機，共設(shè)4臺。上下閘首人字門液壓啟閉機分別與閘首同側(cè)的工作閥門液壓啟閉機共用1座液壓泵站。液壓系統(tǒng)中輸水廊道工作閥門控制閥組能獨立控制工作閥門運行。

各閘首工作閥門液壓啟閉機的行程檢測裝置采用與活塞桿保護層結(jié)合在一起的行程檢測裝置，能給出閥門任意位置開度的指示信號，輸出信號為16位格雷碼，檢測誤差≤1.0 mm。各閘首工作閥門液壓啟閉機設(shè)全開、全關(guān)限位開關(guān)作為液壓啟閉機極限位置的安全保護。

（1）操作條件：正常運行條件下，高水頭動水啟門，低水頭動水閉門;事故條件下，高水頭動水閉門和單邊啟閉閥門。

（2）同步控制：同閘首兩側(cè)輸水閥門正常情況下要求同時運行，控制系統(tǒng)根據(jù)輸水控制工藝要求對輸水閥門可進行分段開啟和間歇開啟控制。當單邊閥門或啟閉機出現(xiàn)故障時，輸水閥門液壓啟閉機可實現(xiàn)單邊充泄水。

（3）防超灌超泄控制：為避免過量的超灌或超泄產(chǎn)生的反向推力損傷閘門及啟閉機機械結(jié)構(gòu)，甚至危及過閘船舶，控制系統(tǒng)應(yīng)具有防超灌超泄保護控制功能，對閥門的開度和開關(guān)閥時間作提前控制，實現(xiàn)在一定水位差時動水關(guān)閥。通過控制輸水閥門控制閥塊，輸水工作閥門能靠自重閉門。閥門在提起后，隨時都可將其迅速關(guān)閉。緊急強迫落閥按鈕應(yīng)同時設(shè)置在各閘首現(xiàn)地控制單元控制柜和主控室主控臺上，并有明顯的標志。

（4）下滑自恢復(fù)控制：因液壓系統(tǒng)泄漏，閥門自開啟位置下滑100 mm時，控制系統(tǒng)指令液壓泵電動機組啟動，將輸水閥門提升恢復(fù)原位。若輸水閥門繼續(xù)下滑至150 mm，行程控制裝置指令備用液壓泵電動機組啟動，將輸水閥門提升恢復(fù)原位，同時發(fā)出聲光報警信號。

3.3 防撞警戒裝置運行控制

西津二線船閘下閘首工作閘門的上游邊墩各設(shè)1套防撞警戒裝置，其主要作用是提醒船舶駕駛員在船舶進入閘室后謹慎操作，按規(guī)定的航速駛近人字閘門;同時，如一旦發(fā)生船舶失控，防撞裝置將起一定的阻擋作用，使船舶減速，減少由于碰撞可能造成的損壞。

防撞警戒裝置由擋船鋼絲繩、警示牌、升降機架、固定卷揚機及埋件等組成。擋船鋼絲繩橫跨于下閘首人字閘門上游前，鋼絲繩兩端與升降機架相連，升降機架設(shè)置在閘墻的導槽內(nèi)，升降機架通過拉桿與布置在導槽上方的固定卷揚機相連。固定卷揚機操作升降機架上下移動，使其適應(yīng)閘室水位變化的要求。下閘首人字門防撞警戒裝置起升設(shè)備為100 kN固定卷揚式啟閉機，共2臺。

防撞警戒裝置啟閉機操作控制系統(tǒng)接收船閘閘首現(xiàn)地控制單元發(fā)送的上升、下降、停止開關(guān)量信號命令。閘首現(xiàn)地控制單元在運行控制過程中接收兩側(cè)固定卷揚機起升高度的模擬量信號及上升到位、下降到位、停止等開關(guān)量信號，對兩側(cè)固定卷揚機作電氣同步啟升控制。防撞警戒裝置在同步允許范圍內(nèi)可以進行單、雙邊點動操作。

3.4 保護及閉鎖

由于船舶通航密度日益增長，船閘安全運行問題不僅涉及到個體的人身財產(chǎn)安全，還將涉及到社會穩(wěn)定。船閘控制系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)在多層面上保證人身及設(shè)備運行安全。

（1）設(shè)置人字門的開終極限保護、關(guān)終極限保護、水平及合攏位置保護。

（2）設(shè)置輸水閥門的開終極限保護、關(guān)終極限保護。

（3）設(shè)置防撞警戒裝置上下極限保護、啟閉機過載欠載保護、兩側(cè)高差越限保護。

（4）設(shè)置閘室過量超灌、超泄的開門保護。當人字門兩側(cè)出現(xiàn)反向水頭大于限值時，閘門應(yīng)作開門保護，避免啟閉機和閘門承受過大的反向荷載。但當人字門兩側(cè)正向水位差超過允許值時不能開啟閘門。

（5）設(shè)置上下閘首人字門、閥門、下閘首人字門防撞警戒裝置之間的聯(lián)鎖控制，以確保上、下閘首的工作閘門、閥門不能同時開啟，禁止“開通閘”。設(shè)置人字門鎖定鉤與人字門閉門運行聯(lián)鎖控制。各閉鎖邏輯必須在電氣接線回路和軟件網(wǎng)絡(luò)中同時實現(xiàn)。

（6）設(shè)置關(guān)閉充、泄水閥門及停止人字門運行的獨立的繼電器硬布線邏輯控制回路，無論在何種狀態(tài)下，輸水閥門都應(yīng)能無條件關(guān)閉。當船閘運行出現(xiàn)緊急事故時，可在外部命令作用下和在現(xiàn)地控制柜上操作動水中應(yīng)急關(guān)閉充、泄水閥門及停止人字門運行。

（7）液壓系統(tǒng)具備油路過壓、失壓、濾油器堵塞及油溫保護功能。液壓系統(tǒng)配備應(yīng)急操作器，在電氣控制系統(tǒng)損壞的情況下，可完成緊急手動啟閉人字門和輸水閥門的操作。但考慮到電氣控制系統(tǒng)可靠性較高，且手動完成船只過壩的工作量太大，因此緊急手動功能不考慮完整的過壩控制過程，僅考慮在緊急情況下保護關(guān)門的情況。而且西津船閘為雙線船閘，當其中有一線船閘故障時，可由另一線船閘通航過壩。

（8）控制系統(tǒng)具備軟硬件自診斷、軟硬件自恢復(fù)、掉電保護和冗余熱備保護功能。動力系統(tǒng)具備電源短路、斷相保護、電機過流、過載保護、防雷保護等常規(guī)電氣量保護功能。

4 結(jié)語

西津水利樞紐的一線船閘和二線船閘分屬不同的管理運行單位，且建設(shè)投運時間跨度大，過閘能力、自動化水平、定員編制、運行習慣均有不同程度的差異。

二線船閘工程建成后，西津水利樞紐兩線船閘將一同接受遠方調(diào)度中心的統(tǒng)一運行、統(tǒng)一管理和統(tǒng)一調(diào)度，并實現(xiàn)了與同流域航運樞紐的信息交互、協(xié)同運行和流量管理，打通了西江航運上游段的“瓶頸”。船閘聯(lián)合調(diào)度及控制系統(tǒng)的成功實施將作為兩線船閘高效協(xié)同運行的必要基礎(chǔ)，成為保證船舶安全、高效、有序通航的技術(shù)手段，同時也為今后通航工程提供有益的經(jīng)驗借鑒。

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