大頂子山船閘控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

苑清敏　安小剛

摘 要：為改善船閘控制方式和增強(qiáng)船閘控制信息與管理信息的聯(lián)通性，本文利用環(huán)形容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、冗余技術(shù)、船閘人字門和閘門開度數(shù)字檢測(cè)技術(shù)、變頻器控制人字閘門技術(shù)等對(duì)內(nèi)河船閘控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化研究，提高船閘控制技術(shù)水平，提高船閘運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：船閘;控制系統(tǒng);優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U641? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）01-0026-02

近年來，西部?jī)?nèi)河管理部門十分重視河流渠化建設(shè)，船閘的作用也越顯重要，控制水平也在日漸提高。船閘建設(shè)已經(jīng)成為西部?jī)?nèi)河流域發(fā)展的重點(diǎn)。大頂船閘的基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)得到了有效的改變。但是船閘控制操作方式相對(duì)落后，技術(shù)水平參差不齊，人工進(jìn)行手動(dòng)控制為主，計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(duì)于整個(gè)閘門監(jiān)控系統(tǒng)的安全度不高。因此，為了改善船閘控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，保證控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，且控制信息有效采集與傳輸，本文利用環(huán)形容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、冗余技術(shù)、船閘人字門和閘門開度數(shù)字檢測(cè)技術(shù)、變頻器控制人字閘門技術(shù)等對(duì)內(nèi)河船閘控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化研究，提高船閘控制技術(shù)水平，提高船閘運(yùn)行效率。

1 船閘控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

1.1 船閘控制系統(tǒng)環(huán)形容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在大頂子山船閘控制系統(tǒng)中，利用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)能力，選用支持環(huán)網(wǎng)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，按照環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)搭建成網(wǎng)絡(luò)，并將其中一臺(tái)交換機(jī)設(shè)置成冗余管理器。一旦某個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了故障，臨近的網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備會(huì)馬上通知其他交換機(jī)，作為冗余管理器的交換機(jī)就會(huì)實(shí)行切換，恢復(fù)原來沒有傳輸數(shù)據(jù)鏈路的功能，達(dá)到從另外一個(gè)方向連接故障點(diǎn)設(shè)備的功能，整個(gè)切換時(shí)間小于500毫秒。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)這時(shí)變成了總線型以太網(wǎng)、沒有冗余。當(dāng)損壞的部分修復(fù)完成后網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)恢復(fù)到初始的冗余工作狀態(tài)。

1.2 船閘控制系統(tǒng)PLC冗余技術(shù)應(yīng)用

在船閘中，PLC主機(jī)并沒有采用熱備系統(tǒng)。一旦PLC主機(jī)機(jī)架中有模塊出現(xiàn)故障，會(huì)造成整個(gè)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則不能對(duì)船閘實(shí)施自動(dòng)控制操作，尤其是在船閘人字閘門開閉時(shí)，會(huì)造成嚴(yán)重的后果。為了提高整個(gè)船閘控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在大頂子山船閘控制系統(tǒng)中均采用了雙機(jī)熱備系統(tǒng)。這樣使得整個(gè)系統(tǒng)的性能得到了提升，系統(tǒng)在運(yùn)行穩(wěn)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(shù)字檢測(cè)技術(shù)

采用了數(shù)字旋轉(zhuǎn)編碼器來測(cè)量閘門旋轉(zhuǎn)的角度，編碼采用格雷碼技術(shù)，它是一種絕對(duì)位置式編碼器。

絕對(duì)位置編碼器是直接輸出數(shù)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(qū)域相間組成，相鄰碼道內(nèi)的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)編碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)設(shè)置有光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)的每一碼道有一光敏元件;當(dāng)碼盤處于不同的位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成一組二進(jìn)制數(shù)，這種編碼器的特點(diǎn)是不需要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字編碼。

1.4變頻控制人字閘門技術(shù)

變頻調(diào)速很容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。閘門的打開和關(guān)閉動(dòng)作只需要輸出兩個(gè)常開觸點(diǎn)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(dāng)而燒毀電動(dòng)機(jī)的問題。閘門在打開和關(guān)閉啟動(dòng)瞬間，可以從低速開始啟動(dòng)，頻率較低。減少瞬間的沖擊，保護(hù)閘門的機(jī)械元件。另外，兩扇閘門在關(guān)閉時(shí)可以按照需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)兩臺(tái)閘門電機(jī)的轉(zhuǎn)速差，非常方便實(shí)現(xiàn)閘門關(guān)閉的同步控制。如果采用工頻電機(jī)，是很難實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)然，使用變頻器也有需要注意的問題：主要是變頻器產(chǎn)生的諧波干擾對(duì)控制系統(tǒng)影響較大。

2 船閘控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1船閘作業(yè)流程研究?jī)?yōu)化

在本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)時(shí)，對(duì)可能損害船閘設(shè)施及船只、人身安全的危險(xiǎn)操作與動(dòng)作進(jìn)行了優(yōu)化。在PLC控制程序和現(xiàn)地操作站中增加了設(shè)備操作連鎖、互鎖等保護(hù)功能，在原有控制方案基礎(chǔ)上提高了船閘操作的準(zhǔn)確性和安全性，減少了人為誤操作引發(fā)事故的發(fā)生。同時(shí)，對(duì)控制系統(tǒng)流程進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化，通過增加在某一側(cè)輸水閥門處于檢修狀態(tài)下，可利用對(duì)側(cè)的單獨(dú)輸水閥門實(shí)現(xiàn)閘室沖泄水自動(dòng)操作的流程功能，從而縮短了輸水閥門檢修時(shí)船只的等待時(shí)間，提高了船閘的可運(yùn)行效率。

2.2船閘控制系統(tǒng)功能優(yōu)化

（1）增加電力監(jiān)控的功能。采用智能儀表網(wǎng)絡(luò)通訊方式，增加對(duì)電力的監(jiān)控，主要監(jiān)控內(nèi)容有：①低壓進(jìn)線柜和母聯(lián)柜（主開關(guān)為框架式斷路器，有遙測(cè)、遙調(diào)、遙控、遙信等“四遙”功能）的故障監(jiān)測(cè)、開關(guān)分合狀態(tài)、電流、電壓等參量的監(jiān)測(cè)及開關(guān)分合控制功能。②低壓出線主要回路（主開關(guān)為有通訊功能的塑殼斷路器）的開關(guān)分合狀態(tài)的監(jiān)測(cè)及開關(guān)分合控制功能。③變壓器三相繞組及鐵心溫度監(jiān)測(cè)及超溫的報(bào)警功能。

（2）引入變頻器來控制液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的油泵電機(jī)。本文采用變頻器設(shè)備通過調(diào)速來控制閘門電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了閘門在運(yùn)行過程中能夠做到“慢啟-快行-慢?！睙o級(jí)變速運(yùn)行，很大程度上增加了閘門開關(guān)的平穩(wěn)性，減少了沖擊，保護(hù)了設(shè)備，延長(zhǎng)了設(shè)備維修周期和船閘運(yùn)行時(shí)間。

2.3船閘控制和管理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

一般控制和管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)單的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)設(shè)備采用單鏈路連接，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容錯(cuò)能力不高，如果發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致船閘運(yùn)行發(fā)生事故的隱患。本文采用光線環(huán)形容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成控制和管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)控制系統(tǒng)主機(jī)PLC采用雙機(jī)冗余熱備系統(tǒng)，通過兩種技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，優(yōu)化船閘控制和管理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（1）通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)網(wǎng)冗余。控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)變成總線結(jié)構(gòu)，從而提高控制系統(tǒng)通信的可靠性?？刂葡到y(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)把控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成冗錯(cuò)光纖環(huán)型結(jié)構(gòu)， 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用Modbus TCP/IP以太網(wǎng)協(xié)議，通過100Mbps全雙工交換式多模光纖環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)中控室監(jiān)控主機(jī)和上、下閘首機(jī)房現(xiàn)地PLC之間，以及上、下閘首機(jī)房現(xiàn)地觸摸屏之間的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。由于光纖環(huán)網(wǎng)具有線路冗錯(cuò)功能，而且采用工業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，具有電源冗余和環(huán)網(wǎng)切換時(shí)間≤500ms等優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃裕瑫r(shí)也保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

（2）PLC主機(jī)熱備冗余。上、下閘首機(jī)房現(xiàn)地下位機(jī)由兩套熱備PLC組成，完成對(duì)上、下閘首閘門和閥門等機(jī)械設(shè)備的現(xiàn)地監(jiān)測(cè)與控制。每套PLC系統(tǒng)由1個(gè)主站（雙機(jī)熱備：2電源+2CPU+2RIO模塊+2Ethernet模塊+2熱備模塊）和2個(gè)遠(yuǎn)程站組成。并且，三者之間通過專用RIO電纜相連，閘首機(jī)房就地可通過一體化工控機(jī)的觸摸屏或就地控制操作臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。當(dāng)系統(tǒng)中一套主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以自動(dòng)切換到另外一套主機(jī)進(jìn)行控制，可以大大提高控制系統(tǒng)的安全可靠性，從而保證通航的效率。

2.4控制方式設(shè)計(jì)

船閘控制分現(xiàn)地控制和集中控制兩種?，F(xiàn)地控制是指運(yùn)行人員在上下閘首操作臺(tái)上實(shí)現(xiàn)左右閘、閥門的運(yùn)行和手動(dòng)控制運(yùn)行及左右閘、閥門的單機(jī)手動(dòng)運(yùn)行。集中控制是在集中控制室實(shí)現(xiàn)的程序運(yùn)行和單項(xiàng)運(yùn)行。這兩種都是由可編程控制器（PLC）完成的。現(xiàn)地控制與集中控制之間應(yīng)設(shè)置相互閉鎖，并可在兩處實(shí)現(xiàn)船閘運(yùn)行的緊急中斷。

船閘控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)船閘控制系統(tǒng)進(jìn)行了完善和優(yōu)化，針對(duì)大頂子山船閘應(yīng)用的特點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)備、結(jié)構(gòu)和功能上的調(diào)整和補(bǔ)充，運(yùn)用環(huán)網(wǎng)冗余、變頻控制等技術(shù)整體提升了船閘控制水平，對(duì)其他船閘控制系統(tǒng)的建設(shè)工作具有參考、借鑒和推廣作用。

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