水口船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)淺析.doc

水口船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)淺析陳鋒（福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司，福州 350004）摘要：闡述了水口船閘原電氣控制系統(tǒng)自身所存在的固有缺陷與不足，新監(jiān)控系統(tǒng)解決方案的可行性與程序優(yōu)化措施及其技術(shù)特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：船閘；監(jiān)控系統(tǒng)；上位機(jī)；PLC 1 前言水口船閘是水口電站工程主要建筑物之一，位于大壩右岸，與毗鄰的升船機(jī)一道承擔(dān)閩江永久通航任務(wù)。1996年對(duì)船閘進(jìn)行首次技術(shù)改造，將原液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備更換為德國(guó)力士樂產(chǎn)品，電氣控制系統(tǒng)更換為美國(guó)AB的SLC500系列PLC產(chǎn)品。2005年繼續(xù)對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行第二次全面改造。首次技術(shù)改造采用的電氣控制系統(tǒng)為總線式主-從站式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（DH-485網(wǎng)），主要設(shè)備包括集控臺(tái)和分設(shè)在I-IV閘首的4臺(tái)現(xiàn)地PLC子站。集控臺(tái)設(shè)有分別與4個(gè)閘首對(duì)應(yīng)的4臺(tái)PanelView550觸摸屏式獨(dú)立操作員終端，通過單一雙鉸線與各閘首現(xiàn)地PLC子站組成DH-485網(wǎng)絡(luò)，I閘首現(xiàn)地PLC子站為DH-485網(wǎng)絡(luò)的初始激勵(lì)器。各閘首的運(yùn)行控制、工況信息分別送到PV550操作員終端上顯示。2 原電氣控制系統(tǒng)存在的問題原電氣控制系統(tǒng)并非真正意義上的分層分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。集控臺(tái)上各閘首的PanelView550操作員終端僅與對(duì)應(yīng)閘首PLC進(jìn)行通訊，只能用于監(jiān)視和控制本閘首的運(yùn)行工況與動(dòng)作。通過DH-485網(wǎng)絡(luò)讀取相鄰閘首有關(guān)的閉鎖判斷條件，無法實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的監(jiān)視、控制、管理、仿真等功能，無法將工業(yè)電視、廣播、水位檢測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)行資源整合與集中監(jiān)視、控制。尤其是受原網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的限制，無法徹底解決下述幾個(gè)關(guān)鍵性問題。2.1 固定航次限制問題原系統(tǒng)程序按最大連續(xù)3次過閘設(shè)定航序的全過程順序控制流程編程。通過順序控制器的步進(jìn)移位實(shí)現(xiàn)每個(gè)設(shè)備的對(duì)應(yīng)動(dòng)作控制，上行3次共15步，下行3次共21步，程序邏輯關(guān)系復(fù)雜難懂，系統(tǒng)功能拓展困難、運(yùn)行方式固定呆板，航向更換設(shè)置困難,無法滿足實(shí)際過閘的需要，降低了通航效率和造成水資源的浪費(fèi)。實(shí)際運(yùn)行需增加航次時(shí)，只能采用中斷集控運(yùn)行流程后切換至現(xiàn)地手動(dòng)操作，增加了運(yùn)行人員工作強(qiáng)度，且現(xiàn)地子站無法顯示相鄰閘首的工況參數(shù)，自動(dòng)判定閉鎖條件有限，存在較多的運(yùn)行安全隱患。2.2 無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水功能由于閘門水封磨損的影響，各閘室均存在不同程度的漏水。尤其是二閘首反弧門的水位落差高達(dá)41m，一閘室的漏水十分明顯。受原系統(tǒng)硬件條件限制,在程序開發(fā)上根本無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水功能。已發(fā)生多起閘室內(nèi)因漏水造成水位不足、船只觸底的不安全事件。為確保安全運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員需時(shí)刻關(guān)注閘室內(nèi)的低水位變化，造成運(yùn)行人員工作負(fù)荷較重、精神壓力大等不安全因素。2.3 同步糾偏功能有待完善船閘首次技術(shù)改造主要是針對(duì)原液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備無法滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，其核心在于解決雙吊點(diǎn)下沉門兩側(cè)的同步問題。當(dāng)時(shí)所選用的液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備技術(shù)性能先進(jìn)，配套的PLC設(shè)備基本上可以滿足伺服變量泵的同步糾偏閉環(huán)控制要求。投入運(yùn)行5年來，下沉門的同步糾偏功能基本滿足運(yùn)行要求。由于伺服變量泵的制造固有因素以及運(yùn)行時(shí)間的不同，每臺(tái)泵的工作效率隨著時(shí)間的推移，呈現(xiàn)出較為明顯的效率差異。當(dāng)給定相同的參數(shù)設(shè)定，會(huì)出現(xiàn)明顯的速度不同結(jié)果。主要原因在于原同步糾偏功能尚不夠完善，未考慮伺服變量泵因自身性能下降所引起的效率不同對(duì)同步糾偏性能的影響。由于下沉門兩側(cè)的同步糾偏性能好壞直接決定了船閘能否安全可靠運(yùn)行，因此下沉門每側(cè)油缸均采用雙CIMS行程傳感器的冗余配置方式，但由于受原CPU模塊數(shù)據(jù)處理能力和所采用編程方式的限制，無法對(duì)故障 CIMS行程傳感器自動(dòng)判定和切除。當(dāng)有一行程傳感器發(fā)生故障時(shí)，原程序自動(dòng)選用A行程傳感器檢測(cè)值，既使發(fā)生故障的是A行程傳感器檢測(cè)值。究其行程傳感器的冗余配置，不過是備用配置而已。通過近幾年運(yùn)行情況的故障統(tǒng)計(jì)分析表明,一至三閘首下沉門因上述原因發(fā)生異步停機(jī)保護(hù)的故障呈現(xiàn)逐年增大趨勢(shì)，直接影響了船閘的通航效率。2.4 各子系統(tǒng)無法有效整合，功能有待完善原系統(tǒng)中的工業(yè)電視、廣播、水位檢測(cè)功能均為獨(dú)立的子系統(tǒng)，各有獨(dú)自的控制設(shè)備，采用手工操作控制方式。工業(yè)電視探頭數(shù)量偏少，某此重要設(shè)備如下沉門鎖錠進(jìn)、退到位情況無法監(jiān)視，只能采用人工目測(cè)確認(rèn)。監(jiān)視畫面只能人工選擇調(diào)用，無法根據(jù)運(yùn)行流程自動(dòng)調(diào)用相關(guān)動(dòng)作畫圖。廣播系統(tǒng)只能采用人工呼叫喊話，無法實(shí)現(xiàn)根據(jù)運(yùn)行流程自動(dòng)播叫相關(guān)提示語(yǔ)音內(nèi)容。水位檢測(cè)僅在集控室內(nèi)獨(dú)立顯示實(shí)時(shí)數(shù)值和提供水平開關(guān)量信號(hào)給PanelView550操作員終端，現(xiàn)地子站無法顯示閘室的實(shí)時(shí)水位數(shù)值。原系統(tǒng)不具有數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，通航運(yùn)行的各種日、周、月等各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表只能采用人工統(tǒng)計(jì)方式。不具有自動(dòng)記錄設(shè)備的各種運(yùn)行參數(shù)、操作指令等功能，未能對(duì)設(shè)備故障判定、原因分析提供必要的輔助與判定幫助等。3 新監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)3.1新監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新監(jiān)控系統(tǒng)采用兩層分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。第一層為分布在4個(gè)閘首的現(xiàn)地PLC子站，包括控制下沉門（人字門）、反弧門的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)備，PLC控制設(shè)備、觸摸屏及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地啟閉控制、狀態(tài)監(jiān)視和故障保護(hù)功能。第二層為集中操作監(jiān)控層，布置在集中控制室內(nèi)，包括2臺(tái)操作員工作站、1臺(tái)多媒體工作站、1臺(tái)數(shù)據(jù)通訊服務(wù)器，8臺(tái)工業(yè)電視監(jiān)視器幕墻，廣播控制器外設(shè)組成，共同實(shí)現(xiàn)船閘的操作、監(jiān)視、控制功能。二套操作員終端、網(wǎng)絡(luò)光纖冗余配置，無擾自動(dòng)切換，上位機(jī)與現(xiàn)地PLC子站通過以太工控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式為星型結(jié)構(gòu)。新系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參見圖1。圖1 新監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將原獨(dú)立的工業(yè)電視、廣播子系統(tǒng)整合至多媒體工作站中，增加和調(diào)整工業(yè)探頭與廣播喇叭的數(shù)量與安裝位置，采用自動(dòng)、手工二種控制模塊。自動(dòng)模式可根據(jù)運(yùn)行流程調(diào)用相關(guān)設(shè)備的動(dòng)作畫圖和播叫相關(guān)設(shè)備動(dòng)作的提示語(yǔ)音內(nèi)容，或手工選擇所關(guān)心的監(jiān)視畫面和進(jìn)行直接廣播。利用數(shù)據(jù)通訊服務(wù)器強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理管理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種運(yùn)行參數(shù)、操作指令、報(bào)表打印等數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能。3.2 現(xiàn)地PLC子站配置現(xiàn)地PLC子站選用施耐德Premium系列PLC為核心，控制柜面板設(shè)置同品牌觸摸屏。觸摸屏與CPU模塊直接進(jìn)行通訊，觸摸屏可顯示本閘首相鄰的上下游閘首閘門、反弧門、鎖定解鎖的位置信息，動(dòng)態(tài)顯示閘門開度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)油壓及相關(guān)電磁閥動(dòng)作情況，并提供故障報(bào)警及故障信息查詢等。同時(shí)，當(dāng)處于現(xiàn)地自動(dòng)控制方式時(shí)，觸摸屏還具有相關(guān)設(shè)置，如補(bǔ)水設(shè)置、開度儀投入/切除設(shè)置、開度儀數(shù)值強(qiáng)置設(shè)置、電磁閥單動(dòng)、上下行令的發(fā)送等監(jiān)測(cè)、控制功能。取消集控室內(nèi)的水位檢測(cè)處理設(shè)備，通過模擬輸入模塊直接采集各閘首現(xiàn)地水位檢測(cè)傳感器的檢測(cè)值，程序進(jìn)行數(shù)據(jù)換算與處理后，通過雙向通訊方式分別送至上位機(jī)和接收其它閘室的水位值；同時(shí)在觸摸屏上顯示各閘室實(shí)時(shí)水位值。3.3 系統(tǒng)功能特點(diǎn)（1）任意航次設(shè)定。自動(dòng)控制程序采用“模塊式”編程結(jié)構(gòu)，采用對(duì)象分析方法，將一個(gè)完整的過閘流程進(jìn)行模塊化分解，實(shí)現(xiàn)了任意航次、換向控制的靈活組態(tài)。系統(tǒng)的過閘邏輯模型采用逐級(jí)過閘模式。以下行為例，船只從上游進(jìn)入一閘室為第一級(jí)，依次類推至船只從三閘室出閘共有四級(jí)。將每級(jí)對(duì)應(yīng)的閘首設(shè)備的控制邏輯作為一個(gè)子模塊，再將每個(gè)子模塊中每個(gè)設(shè)備的具體控制要求作為一個(gè)對(duì)象進(jìn)行編程。以上游船只進(jìn)入一閘室為例，其控制流程如圖示2所示。首先調(diào)用下行恢復(fù)狀態(tài)運(yùn)行子程序，一閘首閥門開啟對(duì)一閘室充水至高水位，一閘首下沉門開啟到位，一閘首閥門關(guān)閉到位后完成下行恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)。下行程序啟動(dòng)運(yùn)行，發(fā)“允許船只進(jìn)入一閘室令”，船只進(jìn)閘完成后，關(guān)閉一閘首下沉門，開啟二閘首閥門對(duì)二閘室充水至水位水平后，開啟二閘首下沉門，二閘首閥門關(guān)閉到位后完成本流程的全部動(dòng)作步驟；其它閘室均以此類推。上位機(jī)的自動(dòng)連續(xù)過閘流程僅對(duì)某閘首的操作閉鎖條件進(jìn)行判定，只要滿足了閉鎖條件時(shí)即通過通訊網(wǎng)絡(luò)向?qū)?yīng)的現(xiàn)場(chǎng)LCU子站發(fā)出相關(guān)的操作指令，現(xiàn)場(chǎng)LCU子站則執(zhí)行現(xiàn)地實(shí)際設(shè)備的操作流程。這徹底地解決了原程序的流水式順序編程所無法克服的弊病，可以根據(jù)上下游的實(shí)際過閘船只數(shù)量進(jìn)行任意航次的控制，在設(shè)備正常的情況下，全部采用集控自動(dòng)運(yùn)行方式過閘，全面提高了通航效率和過閘安全。圖2 上游船只進(jìn)入一閘室流程（2）自動(dòng)補(bǔ)水功能。通航過程中，為防止因閘、閥門的漏水而造成閘室內(nèi)的船舶擱淺，在開啟反弧門對(duì)下一閘室充水前，程序自動(dòng)計(jì)算充水水平后的下一閘室水位，若無法滿足最低通航水位時(shí)，程序自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，自動(dòng)彈出補(bǔ)水功能界面并禁止本閘首閥門的開啟操作；自動(dòng)計(jì)算所需的補(bǔ)水厚度并計(jì)算閥門的建議開啟值，經(jīng)運(yùn)行人員確認(rèn)后開啟相關(guān)的閥門進(jìn)行補(bǔ)水。為方便運(yùn)行操作，在發(fā)出報(bào)警信號(hào)后，也可選用手動(dòng)補(bǔ)水控制方式。由人工輸入補(bǔ)水值和閥門開啟值,進(jìn)行人工補(bǔ)水控制。（3）同步糾偏性能的優(yōu)化與完善。原同步糾偏程序的編程與調(diào)試均是在新油泵工況進(jìn)行的。在設(shè)備投運(yùn)的最初幾年，伺服變量泵之間的效率偏差很小，尚不存在因伺服變量泵的效率不同所引發(fā)同步糾偏的“欠調(diào)”問題。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，每臺(tái)伺服變量泵的效率出現(xiàn)了明顯的不同，頻頻發(fā)生因同步糾偏 “欠調(diào)”所引發(fā)的異步現(xiàn)象。雖然伺服變量泵尚未達(dá)到使用壽命，但隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，伺服變量泵之間效率偏差將越來越大，成為直接影響設(shè)備能否安全可靠運(yùn)行的因素。根據(jù)現(xiàn)地啟閉實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)比對(duì)分析，找出各臺(tái)油泵的效率曲線，在原同步糾偏程序基礎(chǔ)上，根據(jù)每臺(tái)油泵偏差情況，在PLC輸出控制值中增設(shè)了不同的效率補(bǔ)償因數(shù)-“效率因數(shù)”，用于克服油泵之間的偏差所造成的速度偏差。通過對(duì)閘門的大量啟閉動(dòng)作試驗(yàn)，閘門兩側(cè)偏差值最大為10mm 左右，大大優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)規(guī)定的30mm，全行程具有良好的同步性，說明采用這一措施十分有效。今后在每年的歲修期間，可根據(jù)每臺(tái)油泵的效率對(duì)原設(shè)定的效率因數(shù)進(jìn)行修正調(diào)試，十分便捷。在新程序編寫過程中，充分考慮了CIMS行程