長洲三四線船閘控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

肖湘婷

[摘 ? ?要]長洲三、四線船閘是整個(gè)西南水運(yùn)重要的運(yùn)輸通道，主要利用互灌互泄形式的雙線省水船閘，來確保整個(gè)水運(yùn)的正常運(yùn)行。以長洲三、四線船閘可靠性特殊控制工藝為基礎(chǔ)，對(duì)其控制系統(tǒng)方案進(jìn)行深入研究，來進(jìn)一步分析過閘流程和控制對(duì)象，設(shè)計(jì)兩套船閘控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案，使用專業(yè)方式得到一套滿足長洲三、四線船閘要求的控制系統(tǒng)方案，給船閘控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出一種全新的方向，為船閘后期健康運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]長洲三四線樞紐;省水船閘;可編程式邏輯控制器;沉余控制系統(tǒng)

[中圖分類號(hào)]TM73 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）05–00–03

Design of Third and Forth Line Lock Control in Changzhou

Xiao Xiang-ting

[Abstract]Changzhou third and fourth line locks is an important transportation channel for the whole southwest water transport. It mainly uses the double-line water lock in the form of mutual irrigation and drainage to ensure the normal operation of the whole water transport.This paper is based on the Changzhou three and four line lock reliability special control process， the control system scheme， to further analyze the lock process and control object， design two sets of lock control network structure， using professional way to meet the requirements of three and four line lock control system scheme， put forward a new direction， for the lock later healthy operation lay a solid foundation.

[Keywords]changzhou third and fourth line hub; provincial water lock; programmable logic controller; sink control system

長洲水利樞紐坐落在西江河段上游，是整個(gè)西江流域最重要環(huán)節(jié)，而三、四線船閘作為控制整個(gè)水上流域正常運(yùn)行的工具，對(duì)船閘而言具有至關(guān)重要的作用。尤其在信息化時(shí)代背景下，對(duì)船閘作用提出更高要求，傳統(tǒng)船閘功能已無法滿足水上需求[1]，為此那吉船閘應(yīng)運(yùn)而生，其通過能力超過1.36億t，是通過能力最高的內(nèi)河船閘。長洲三、四線船閘的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的特殊性，其控制系統(tǒng)與普通船閘具有一定差異性，在2007年長洲一、二線船閘就實(shí)現(xiàn)雙線通航，預(yù)期通過能力在3 920萬t，在后面一年時(shí)間里船閘實(shí)際通過運(yùn)量達(dá)到3 626萬t，滿足船閘設(shè)計(jì)能力的92%。隨著能力逐漸提高，出現(xiàn)嚴(yán)重的瓶頸效果。長洲一、二線船閘自從正式建設(shè)以來，由于受到發(fā)電、調(diào)水等方面因素影響，出現(xiàn)大量滯航、堵船等問題，而長洲船閘身處西南水運(yùn)最重要的運(yùn)輸渠道，其內(nèi)河運(yùn)輸量只低于長江，且船舶密度較大，對(duì)通航效率和可靠性提出更高要求[2]。本文以長洲三、四線船閘可靠性特殊控制工藝為基礎(chǔ)，對(duì)其控制系統(tǒng)方案進(jìn)行深入研究，來進(jìn)一步分析過閘流程和控制對(duì)象，設(shè)計(jì)兩套船閘控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案，使用專業(yè)方式得到一套滿足長洲三、四線船閘要求的控制系統(tǒng)方案，給船閘控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出一種全新的方向，為船閘后期健康運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 長洲四線上閘首防夾船技術(shù)

1.1 實(shí)現(xiàn)原理

安裝在四線上閘首閘室內(nèi)的攝像頭和閘室外的攝像頭檢測(cè)人字門區(qū)域內(nèi)是否有運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)出，信號(hào)輸入至PLC，PLC根據(jù)攝像頭的信號(hào)判別是否有船經(jīng)過人字門區(qū)域。安裝在四線上閘首閘室內(nèi)的雷達(dá)，通過檢測(cè)區(qū)域內(nèi)是否有運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)出，然后通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)送至PLC，PLC根據(jù)雷達(dá)傳來的信號(hào)判別是否有船經(jīng)過人字門區(qū)域。

1.2 攝像頭數(shù)據(jù)在PLC上的讀取

攝像頭發(fā)送的告警信號(hào)直接通過硬接線接入PLC的DI模塊中。在PLC中，程序如下：SY_DI2_13（閘室外攝像頭信號(hào)），SY_DI2_14（閘室內(nèi)攝像頭信號(hào)），如圖1所示。

1.3 雷達(dá)在PLC上的讀取

雷達(dá)數(shù)據(jù)是直接通過以太網(wǎng)傳送至控制A網(wǎng)上的，雷達(dá)的IP地址是192.168.52，所以PLC讀取數(shù)據(jù)的IP地址設(shè)置為192.168.52。PLC中，雷達(dá)數(shù)據(jù)的讀取設(shè)置在四線程序通訊-網(wǎng)絡(luò)-ETH-1的IO掃描中，設(shè)置如下：

①從192.168.52地址讀取數(shù)據(jù)，地址偏移量為256，讀取長度為2，讀取的第一個(gè)數(shù)據(jù)存入MW500地址中。對(duì)應(yīng)的就是雷達(dá)檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)物體數(shù)量。②從192.168.52地址讀取數(shù)據(jù)，地址偏移量為848，讀取長度為10，讀取的第一個(gè)數(shù)據(jù)存入MW510地址中。對(duì)應(yīng)的就是雷達(dá)檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)1的X方向速度。③從192.168.52地址讀取數(shù)據(jù)，地址偏移量為1 024，讀取長度為10，讀取的第一個(gè)數(shù)據(jù)存入MW520地址中。對(duì)應(yīng)的就是雷達(dá)檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)1的Y方向速度。④從192.168.52地址讀取數(shù)據(jù)，地址偏移量為1 280，讀取長度為10，讀取的第一個(gè)數(shù)據(jù)存入MW530地址中。對(duì)應(yīng)的就是雷達(dá)檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)1和雷達(dá)之間的距離。

1.4 長洲四線上閘首防夾船攝像頭

攝像頭功能：供調(diào)度人員檢查現(xiàn)場(chǎng)用，同時(shí)輸出信號(hào)參與控制。攝像頭通過運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)輸出告警信號(hào)，輸出信號(hào)通過硬接線方式接入PLC，運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)信號(hào)的輸出設(shè)置在攝像頭設(shè)置頁面的smart事件中。攝像頭型號(hào)：DS-2CD7A25EWD-IZS，常規(guī)電源供電。攝像頭電源：四線上右控制柜旁小網(wǎng)絡(luò)柜內(nèi)上排插座，現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)簽可查。攝像頭接入交換機(jī)：四線上右控制柜旁小網(wǎng)絡(luò)柜內(nèi)交換機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)標(biāo)簽可查。閘室外攝像頭IP：10.2.52.74，閘室外攝像頭IP：10.2.52.75，攝像頭用戶名：admin，攝像頭密碼：czcz123456;攝像頭密碼安全問題答案：全為1。攝像頭告警信號(hào)接入PLC DI模塊回路：該型號(hào)攝像頭有告警輸出線，告警接口中的接線為橙色接電源，藍(lán)色線接入PLC DI模塊。閘室外的攝像頭告警信號(hào)接入至四線上右控制柜的X4：12端子，通過X4：12接入到四線上右控制柜PLC 的第二塊DI輸入模塊的13號(hào)輸入孔，替代原先設(shè)計(jì)的“液位油溫度低極限”信號(hào)。閘室內(nèi)的攝像頭告警信號(hào)接入至四線上右控制柜的X4：13端子，通過X4：13接入到四線上右控制柜PLC的第二塊DI輸入模塊的14號(hào)輸入孔，替代原先設(shè)計(jì)的“液位油溫度高極限”信號(hào)。兩個(gè)告警信號(hào)在PLC程序中的名稱為：閘室外和閘室內(nèi)。

1.5 長洲四線上閘首防夾船雷達(dá)

雷達(dá)功能：通過檢測(cè)雷達(dá)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)物體來輸出信號(hào)，輸出的信號(hào)有詳細(xì)的列表[3]。雷達(dá)型號(hào)：該雷達(dá)為北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司委托其他廠家進(jìn)行研制，無具體型號(hào)，該雷達(dá)如何實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體識(shí)別亦無具體說明。雷達(dá)電源：四線上右控制柜旁小網(wǎng)絡(luò)柜內(nèi)上排插座，三頭電源插口，現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)簽可查。雷達(dá)信號(hào)接入交換機(jī)：雷達(dá)輸出的信號(hào)直接通過以太網(wǎng)接入四線上右控制柜內(nèi)的A網(wǎng)交機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)簽可查。雷達(dá)的IP地址：192.168.81.52;雷達(dá)用戶名：admin;雷達(dá)密碼：admin;設(shè)置雷達(dá)的參數(shù)：在網(wǎng)頁中輸入192.168.81.52，然后輸入用戶名和密碼，進(jìn)行設(shè)置，和攝像頭參數(shù)設(shè)置類似。雷達(dá)參數(shù)已由廠家固定好，在四線上閘首安裝時(shí)，未修改任何原始參數(shù)。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)長洲三、四線船閘特殊的控制要求和對(duì)象，長洲一、二線船閘自從正式建設(shè)以來，由于受到發(fā)電、調(diào)水等方面因素影響，出現(xiàn)大量滯航、堵船等問題，而長洲船閘身處西南水運(yùn)最重要的運(yùn)輸渠道，其內(nèi)河運(yùn)輸量只低于長江，且船舶密度較大，對(duì)通航效率和可靠性提出更高要求。因此，要利用多層分布式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。在正常情況下，控制系統(tǒng)主要包括現(xiàn)地控制層、現(xiàn)地設(shè)備層、信息管理層、集中控制層四個(gè)層次，通過對(duì)船閘電機(jī)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、控制設(shè)備等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船閘運(yùn)行的信息化和自動(dòng)化[4]。

（1）現(xiàn)地設(shè)備層?，F(xiàn)地設(shè)備層主要由船閘上、下閘、輸水廊道機(jī)房室內(nèi)等機(jī)電設(shè)備構(gòu)成，其所涉及范圍較廣，如傳感器、限位開關(guān)、交通信號(hào)燈、室外照明燈、液壓泵站電機(jī)等設(shè)備。

（2）集中控制層。集中控制層是由兩套IO服務(wù)器、監(jiān)控上位機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、打印機(jī)等構(gòu)成。其中兩套IO服務(wù)器都是亢余設(shè)備，主要用來提高數(shù)據(jù)采集的可靠性，這些設(shè)備通常設(shè)置在三、四線船閘共用的中控室內(nèi)，主要確保兩線船閘作業(yè)集中控制、故障報(bào)警、上位機(jī)組態(tài)、照明控制等功能。

（3）統(tǒng)一調(diào)度管理。建設(shè)統(tǒng)一調(diào)度系統(tǒng)是通過建設(shè)適合揚(yáng)州處區(qū)域船閘的排擋和調(diào)度功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)下轄六座船閘的統(tǒng)一協(xié)同管理。充分利用、借鑒已建設(shè)系統(tǒng)軟件及功能，通過數(shù)據(jù)接口將各軟件系統(tǒng)緊密聯(lián)系為一體。通過接口獲取省航道收費(fèi)系統(tǒng)軟件、便捷過閘APP進(jìn)行船舶登記繳費(fèi)，將船舶注冊(cè)、登記、繳費(fèi)、過閘的全部信息應(yīng)在省收費(fèi)系統(tǒng)和統(tǒng)一調(diào)度系統(tǒng)中保持同步和一致，同時(shí)通過省航道收費(fèi)系統(tǒng)獲取蘇北運(yùn)河智能過閘系統(tǒng)中船閘過閘數(shù)據(jù)，不再建設(shè)獨(dú)立直接的數(shù)據(jù)接口;通過接口將通知推送至省統(tǒng)一信息發(fā)布平臺(tái)進(jìn)行過閘通知的推送;通過接口獲取與船舶信用信息系統(tǒng)、交通部信息共享平臺(tái)等進(jìn)行信用數(shù)據(jù)的交換和發(fā)布;通過接口調(diào)用省電子航道圖系統(tǒng)和定位系統(tǒng)，提供更方便的過閘管理、信息溝通和直觀的數(shù)據(jù)展示。

3 現(xiàn)地控制層PLC組網(wǎng)方案比選

3.1 方案1

方案1是利用一套遠(yuǎn)程RIO控制柜進(jìn)行控制，主要目的是對(duì)現(xiàn)地設(shè)備層不同設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行控制。為確?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩?，且保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸?shí)性，3#和4#船閘CPU雙機(jī)熱設(shè)備和遠(yuǎn)程RIO站主要是利用S908雙環(huán)形網(wǎng)為載體進(jìn)行通信，而單模光纖作為整個(gè)通信的重要工具，向上通過雙環(huán)形工業(yè)是以中控室雙熱設(shè)備進(jìn)行通信。整個(gè)通信方式也是嚴(yán)格遵循工業(yè)EtherNet網(wǎng)協(xié)議，通信媒介依據(jù)利用單模光纖）。

3.2 方案2

為實(shí)現(xiàn)運(yùn)調(diào)中心對(duì)船閘集中控制，工作人員需掌握遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)，從技術(shù)層面對(duì)下轄船閘自動(dòng)控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、甚高頻等系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造并集成整合方案，接入運(yùn)調(diào)中心集控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制。通過分析方案2可知，現(xiàn)地控制層是以單環(huán)網(wǎng)為基礎(chǔ)，將光纖利用環(huán)網(wǎng)的形式相互連接，采用同軸電纜通信作為主站核心，從而確保長洲雙向船閘的三線船閘，所有站點(diǎn)能一一對(duì)應(yīng)。主要的PLC站點(diǎn)和雙機(jī)亢余熱備服務(wù)器利用環(huán)網(wǎng)進(jìn)行相互連接，并由工程師進(jìn)行管理。因此，構(gòu)建控制層對(duì)過閘管理具有非常重要的作用。

3.3 現(xiàn)地控制層PLC組網(wǎng)方案功能對(duì)比

3.3.1 功能對(duì)比

船閘控制系統(tǒng)功能是利用專業(yè)工具對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、限位保護(hù)、液壓站狀態(tài)等輸入信號(hào)的實(shí)時(shí)分析，及船閘啟閉機(jī)的正常工作分析，來加強(qiáng)對(duì)船閘功能的保護(hù)。在面對(duì)長洲三、四線船閘要求，當(dāng)水位相差超過8m，就要利用雙向船閘保障其正常運(yùn)行。因此，不止要考慮滿足基本閥門要求和通航運(yùn)行，還考慮水位對(duì)運(yùn)行效果的影響。之所以能達(dá)到省水的主要原因是兩廂閘門同時(shí)運(yùn)行，通過兩個(gè)不同位置的閘室，讓船閘利用連通廊道的方式將下行位閘室的水引流到上行位閘室，達(dá)到省水的作用。與普通雙線雙向運(yùn)輸船閘相比，這種方式增加了平衡兩廂閘室水位的環(huán)節(jié)，合理利用水資源，通過安裝了連通閥機(jī)房的PLC站，利用大量邏輯編程和保護(hù)信號(hào)滿足船閘的基本流程，實(shí)現(xiàn)船閘的控制作用。

3.3.2 可靠性對(duì)比

船閘作為水上交通重要工具，與航區(qū)水運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有密切關(guān)系。智慧船閘建設(shè)不僅能確保資源可持續(xù)發(fā)展，還能提高水運(yùn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長。通過方案1進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其有結(jié)構(gòu)清晰的優(yōu)勢(shì)，能明確現(xiàn)場(chǎng)和中控的工作任務(wù)，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視管理、分散控制的重要理念，且單環(huán)網(wǎng)能讓現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有通信簡(jiǎn)單、建設(shè)費(fèi)用低廉等優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)上述方案進(jìn)行分析，確定將此作為實(shí)施方案，其最主要原因是由于長洲三、四線船閘在設(shè)計(jì)的初級(jí)階段，其主要目的是降低平均故障修復(fù)時(shí)間方面，而控制層作為船閘運(yùn)行過程中的核心管理環(huán)節(jié)，對(duì)安全性具有至關(guān)重要的作用。

4 結(jié)束語

隨著水運(yùn)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，對(duì)于實(shí)際通過能力提出了更高要求，船閘成為航區(qū)的通航限制，想要突破這一限制，降低交通壓力，提高過閘效率，要合理利用智慧船閘的理念，創(chuàng)新過閘管理方式，提高過閘效率。雙向互灌互泄省水船閘的控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)船閘控制系統(tǒng)相比，其具有較強(qiáng)的特殊性，在控制邏輯、現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備等方面具有較強(qiáng)的多樣化，需要工作人員結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)兩閘之間的輸水閥門進(jìn)行控制，從而確保兩閘門能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行。通過分析長洲三線、四線船閘，來分析目前省水船閘控制工業(yè)和控制系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其所采用的控制層是利用雙環(huán)網(wǎng)亢余為核心，能有效降低控制系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，給未來船閘建設(shè)提供豐富的數(shù)據(jù)資源。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證明，長洲三、四線船閘控制系統(tǒng)具有一定可行性，能確保船閘進(jìn)行連續(xù)性作業(yè)。

參考文獻(xiàn)

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