水口船閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)淺析.doc

水口船閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)淺析陳鋒（福建水口發(fā)電集團有限公司，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。關(guān)鍵詞：船閘；監(jiān)控系統(tǒng)；上位機；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，與毗鄰的升船機一道承擔(dān)閩江永久通航任務(wù)。1996年對船閘進行首次技術(shù)改造，將原液壓啟閉設(shè)備更換為德國力士樂產(chǎn)品，電氣控制系統(tǒng)更換為美國AB的SLC500系列PLC產(chǎn)品。2005年繼續(xù)對電氣控制系統(tǒng)進行第二次全面改造。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)備包括集控臺和分設(shè)在I-IV閘首的4臺現(xiàn)地PLC子站。集控臺設(shè)有分別與4個閘首對應(yīng)的4臺PanelView550觸摸屏式獨立操作員終端，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)的初始激勵器。各閘首的運行控制、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)。集控臺上各閘首的PanelView550操作員終端僅與對應(yīng)閘首PLC進行通訊，只能用于監(jiān)視和控制本閘首的運行工況與動作。通過DH-485網(wǎng)絡(luò)讀取相鄰閘首有關(guān)的閉鎖判斷條件，無法實現(xiàn)上位機的監(jiān)視、控制、管理、仿真等功能，無法將工業(yè)電視、廣播、水位檢測子系統(tǒng)進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移位實現(xiàn)每個設(shè)備的對應(yīng)動作控制，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、運行方式固定呆板，航向更換設(shè)置困難,無法滿足實際過閘的需要，降低了通航效率和造成水資源的浪費。實際運行需增加航次時，只能采用中斷集控運行流程后切換至現(xiàn)地手動操作，增加了運行人員工作強度，且現(xiàn)地子站無法顯示相鄰閘首的工況參數(shù)，自動判定閉鎖條件有限，存在較多的運行安全隱患。2.2 無法實現(xiàn)自動補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)上根本無法實現(xiàn)自動補水功能。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。為確保安全運行，現(xiàn)場運行人員需時刻關(guān)注閘室內(nèi)的低水位變化，造成運行人員工作負荷較重、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)改造主要是針對原液壓啟閉設(shè)備無法滿足設(shè)計指標(biāo)要求，其核心在于解決雙吊點下沉門兩側(cè)的同步問題。當(dāng)時所選用的液壓啟閉設(shè)備技術(shù)性能先進，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。投入運行5年來，下沉門的同步糾偏功能基本滿足運行要求。由于伺服變量泵的制造固有因素以及運行時間的不同，每臺泵的工作效率隨著時間的推移，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，無法對故障 CIMS行程傳感器自動判定和切除。當(dāng)有一行程傳感器發(fā)生故障時，原程序自動選用A行程傳感器檢測值，既使發(fā)生故障的是A行程傳感器檢測值。究其行程傳感器的冗余配置，不過是備用配置而已。通過近幾年運行情況的故障統(tǒng)計分析表明,一至三閘首下沉門因上述原因發(fā)生異步停機保護的故障呈現(xiàn)逐年增大趨勢，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、水位檢測功能均為獨立的子系統(tǒng)，各有獨自的控制設(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、退到位情況無法監(jiān)視，只能采用人工目測確認。監(jiān)視畫面只能人工選擇調(diào)用，無法根據(jù)運行流程自動調(diào)用相關(guān)動作畫圖。廣播系統(tǒng)只能采用人工呼叫喊話，無法實現(xiàn)根據(jù)運行流程自動播叫相關(guān)提示語音內(nèi)容。水位檢測僅在集控室內(nèi)獨立顯示實時數(shù)值和提供水平開關(guān)量信號給PanelView550操作員終端，現(xiàn)地子站無法顯示閘室的實時水位數(shù)值。原系統(tǒng)不具有數(shù)據(jù)庫管理功能，通航運行的各種日、周、月等各種統(tǒng)計報表只能采用人工統(tǒng)計方式。不具有自動記錄設(shè)備的各種運行參數(shù)、操作指令等功能，未能對設(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）、反弧門的液壓啟閉機設(shè)備，PLC控制設(shè)備、觸摸屏及現(xiàn)場檢測儀表，實現(xiàn)現(xiàn)地啟閉控制、狀態(tài)監(jiān)視和故障保護功能。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臺操作員工作站、1臺多媒體工作站、1臺數(shù)據(jù)通訊服務(wù)器，8臺工業(yè)電視監(jiān)視器幕墻，廣播控制器外設(shè)組成，共同實現(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，無擾自動切換，上位機與現(xiàn)地PLC子站通過以太工控網(wǎng)絡(luò)進行通訊，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、手工二種控制模塊。自動模式可根據(jù)運行流程調(diào)用相關(guān)設(shè)備的動作畫圖和播叫相關(guān)設(shè)備動作的提示語音內(nèi)容，或手工選擇所關(guān)心的監(jiān)視畫面和進行直接廣播。利用數(shù)據(jù)通訊服務(wù)器強大數(shù)據(jù)處理管理功能，實現(xiàn)對各種運行參數(shù)、操作指令、報表打印等數(shù)據(jù)庫管理功能。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，動態(tài)顯示閘門開度，實時監(jiān)測液壓系統(tǒng)油壓及相關(guān)電磁閥動作情況，并提供故障報警及故障信息查詢等。同時，當(dāng)處于現(xiàn)地自動控制方式時，觸摸屏還具有相關(guān)設(shè)置，如補水設(shè)置、開度儀投入/切除設(shè)置、開度儀數(shù)值強置設(shè)置、電磁閥單動、上下行令的發(fā)送等監(jiān)測、控制功能。取消集控室內(nèi)的水位檢測處理設(shè)備，通過模擬輸入模塊直接采集各閘首現(xiàn)地水位檢測傳感器的檢測值，程序進行數(shù)據(jù)換算與處理后，通過雙向通訊方式分別送至上位機和接收其它閘室的水位值；同時在觸摸屏上顯示各閘室實時水位值。3.3 系統(tǒng)功能特點（1）任意航次設(shè)定。自動控制程序采用“模塊式”編程結(jié)構(gòu)，采用對象分析方法，將一個完整的過閘流程進行模塊化分解，實現(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過閘模式。以下行為例，船只從上游進入一閘室為第一級，依次類推至船只從三閘室出閘共有四級。將每級對應(yīng)的閘首設(shè)備的控制邏輯作為一個子模塊，再將每個子模塊中每個設(shè)備的具體控制要求作為一個對象進行編程。以上游船只進入一閘室為例，其控制流程如圖示2所示。首先調(diào)用下行恢復(fù)狀態(tài)運行子程序，一閘首閥門開啟對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)運行狀態(tài)。下行程序啟動運行，發(fā)“允許船只進入一閘室令”，船只進閘完成后，關(guān)閉一閘首下沉門，開啟二閘首閥門對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作步驟；其它閘室均以此類推。上位機的自動連續(xù)過閘流程僅對某閘首的操作閉鎖條件進行判定，只要滿足了閉鎖條件時即通過通訊網(wǎng)絡(luò)向?qū)?yīng)的現(xiàn)場LCU子站發(fā)出相關(guān)的操作指令，現(xiàn)場LCU子站則執(zhí)行現(xiàn)地實際設(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)上下游的實際過閘船只數(shù)量進行任意航次的控制，在設(shè)備正常的情況下，全部采用集控自動運行方式過閘，全面提高了通航效率和過閘安全。圖2 上游船只進入一閘室流程（2）自動補水功能。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，在開啟反弧門對下一閘室充水前，程序自動計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，程序自動發(fā)出報警信號，自動彈出補水功能界面并禁止本閘首閥門的開啟操作；自動計算所需的補水厚度并計算閥門的建議開啟值，經(jīng)運行人員確認后開啟相關(guān)的閥門進行補水。為方便運行操作，在發(fā)出報警信號后，也可選用手動補水控制方式。由人工輸入補水值和閥門開啟值,進行人工補水控制。（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行的。在設(shè)備投運的最初幾年，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。隨著運行時間的增加，每臺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到使用壽命，但隨著設(shè)備運行時間的延長，伺服變量泵之間效率偏差將越來越大，成為直接影響設(shè)備能否安全可靠運行的因素。根據(jù)現(xiàn)地啟閉實驗的數(shù)據(jù)比對分析，找出各臺油泵的效率曲線，在原同步糾偏程序基礎(chǔ)上，根據(jù)每臺油泵偏差情況，在PLC輸出控制值中增設(shè)了不同的效率補償因數(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。通過對閘門的大量啟閉動作試驗，閘門兩側(cè)偏差值最大為10mm 左右，大大優(yōu)于設(shè)計指標(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)每臺油泵的效率對原設(shè)定的效率因數(shù)進行修正調(diào)試，十分便捷。在新程序編寫過程中，充分考慮了CIMS行程