大顶子山船闸控制系统的优化设计研究

    苑清敏　安小刚

    摘 要：为改善船闸控制方式和增强船闸控制信息与管理信息的联通性，本文利用环形容错网络技术、冗余技术、船闸人字门和闸门开度数字检测技术、变频器控制人字闸门技术等对内河船闸控制系统的设计进行优化研究，提高船闸控制技术水平，提高船闸运行效率。

    关键词：船闸;控制系统;优化设计

    中图分类号：U641? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? 文章编号：1006—7973（2019）01-0026-02

    近年来，西部内河管理部门十分重视河流渠化建设，船闸的作用也越显重要，控制水平也在日渐提高。船闸建设已经成为西部内河流域发展的重点。大顶船闸的基础设施已经得到了有效的改变。但是船闸控制操作方式相对落后，技术水平参差不齐，人工进行手动控制为主，计算机自动控制为辅，在控制过程中存在一定的安全隐患，并且有些控制在信息采集过程中能获取有用的信息比较少，所以对于整个闸门监控系统的安全度不高。因此，为了改善船闸控制系统的自动化程度，保证控制系统安全稳定运行，且控制信息有效采集与传输，本文利用环形容错网络技术、冗余技术、船闸人字门和闸门开度数字检测技术、变频器控制人字闸门技术等对内河船闸控制系统的设计进行优化研究，提高船闸控制技术水平，提高船闸运行效率。

    1 船闸控制系统关键技术应用

    1.1 船闸控制系统环形容错网络技术

    在大顶子山船闸控制系统中，利用环形网络的容错能力，选用支持环网的工业以太网交换机，按照环形网络结构搭建成网络，并将其中一台交换机设置成冗余管理器。一旦某个网络发生了故障，临近的网络通讯设备会马上通知其他交换机，作为冗余管理器的交换机就会实行切换，恢复原来没有传输数据链路的功能，达到从另外一个方向连接故障点设备的功能，整个切换时间小于500毫秒。整个网络这时变成了总线型以太网、没有冗余。当损坏的部分修复完成后网络将自动恢复到初始的冗余工作状态。

    1.2 船闸控制系统PLC冗余技术应用

    在船闸中，PLC主机并没有采用热备系统。一旦PLC主机机架中有模块出现故障，会造成整个控制系统出现故障，则不能对船闸实施自动控制操作，尤其是在船闸人字闸门开闭时，会造成严重的后果。为了提高整个船闸控制系统的稳定性，在大顶子山船闸控制系统中均采用了双机热备系统。这样使得整个系统的性能得到了提升，系统在运行稳定性、安全性和可靠性方面也得到了有力的保证。

    1.3船闸人字门和闸门开度数字检测技术

    采用了数字旋转编码器来测量闸门旋转的角度，编码采用格雷码技术，它是一种绝对位置式编码器。

    绝对位置编码器是直接输出数字量的位置传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干条同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区域相间组成，相邻码道内的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数编码的位数，在码盘的一侧设置有光源，另一侧对应的每一码道有一光敏元件;当码盘处于不同的位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成一组二进制数，这种编码器的特点是不需要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字编码。

    1.4变频控制人字闸门技术

    变频调速很容易实现电动机的正、反转。闸门的打开和关闭动作只需要输出两个常开触点指令给变频器即可，不需要换向接触器。也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。闸门在打开和关闭启动瞬间，可以从低速开始启动，频率较低。减少瞬间的冲击，保护闸门的机械元件。另外，两扇闸门在关闭时可以按照需要实时调节两台闸门电机的转速差，非常方便实现闸门关闭的同步控制。如果采用工频电机，是很难实现的。当然，使用变频器也有需要注意的问题：主要是变频器产生的谐波干扰对控制系统影响较大。

    2 船闸控制系统优化设计

    2.1船闸作业流程研究优化

    在本控制系统设计、开发时，对可能损害船闸设施及船只、人身安全的危险操作与动作进行了优化。在PLC控制程序和现地操作站中增加了设备操作连锁、互锁等保护功能，在原有控制方案基础上提高了船闸操作的准确性和安全性，减少了人为误操作引发事故的发生。同时，对控制系统流程进行了调整和优化，通过增加在某一侧输水阀门处于检修状态下，可利用对侧的单独输水阀门实现闸室冲泄水自动操作的流程功能，从而缩短了输水阀门检修时船只的等待时间，提高了船闸的可运行效率。

    2.2船闸控制系统功能优化

    （1）增加电力监控的功能。采用智能仪表网络通讯方式，增加对电力的监控，主要监控内容有：①低压进线柜和母联柜（主开关为框架式断路器，有遥测、遥调、遥控、遥信等“四遥”功能）的故障监测、开关分合状态、电流、电压等参量的监测及开关分合控制功能。②低压出线主要回路（主開关为有通讯功能的塑壳断路器）的开关分合状态的监测及开关分合控制功能。③变压器三相绕组及铁心温度监测及超温的报警功能。

    （2）引入变频器来控制液压启闭机的油泵电机。本文采用变频器设备通过调速来控制闸门电机的转速，实现了闸门在运行过程中能够做到“慢启-快行-慢停”无级变速运行，很大程度上增加了闸门开关的平稳性，减少了冲击，保护了设备，延长了设备维修周期和船闸运行时间。

    2.3船闸控制和管理网络结构优化

    一般控制和管理系统网络结构采用简单的星型网络结构，网络中节点设备采用单链路连接，网络系统容错能力不高，如果发生故障会导致船闸运行发生事故的隐患。本文采用光线环形容错网络构成控制和管理网络系统，对控制系统主机PLC采用双机冗余热备系统，通过两种技术的联合应用，优化船闸控制和管理网络结构。

    （1）通信网络环网冗余。控制系统网络采用光纤环网结构，环网结构出现断点时，自动变成总线结构，从而提高控制系统通信的可靠性。控制系统通过工业以太网交换机把控制系统网络组成冗错光纤环型结构， 网络通信协议采用Modbus TCP/IP以太网协议，通过100Mbps全双工交换式多模光纤环网实现中控室监控主机和上、下闸首机房现地PLC之间，以及上、下闸首机房现地触摸屏之间的数据通信网络。由于光纤环网具有线路冗错功能，而且采用工业级网络设备，具有电源冗余和环网切换时间≤500ms等优点，极大地提高了控制系统网络传输的可靠性，同时也保证了数据传输的实时性。

    （2）PLC主机热备冗余。上、下闸首机房现地下位机由两套热备PLC组成，完成对上、下闸首闸门和阀门等机械设备的现地监测与控制。每套PLC系统由1个主站（双机热备：2电源+2CPU+2RIO模块+2Ethernet模块+2热备模块）和2个远程站组成。并且，三者之间通过专用RIO电缆相连，闸首机房就地可通过一体化工控机的触摸屏或就地控制操作台对系统进行现场监控。当系统中一套主机出现故障时，可以自动切换到另外一套主机进行控制，可以大大提高控制系统的安全可靠性，从而保证通航的效率。

    2.4控制方式设计

    船闸控制分现地控制和集中控制两种。现地控制是指运行人员在上下闸首操作台上实现左右闸、阀门的运行和手动控制运行及左右闸、阀门的单机手动运行。集中控制是在集中控制室实现的程序运行和单项运行。这两种都是由可编程控制器（PLC）完成的。现地控制与集中控制之间应设置相互闭锁，并可在两处实现船闸运行的紧急中断。

    船闸控制系统网络结构图如图1所示。

    3 结语

    本文对船闸控制系统进行了完善和优化，针对大顶子山船闸应用的特点进行了设备、结构和功能上的调整和补充，运用环网冗余、变频控制等技术整体提升了船闸控制水平，对其他船闸控制系统的建设工作具有参考、借鉴和推广作用。

    参考文献：

    [1]孙凯明. 船闸液压启闭系统的状态监测及仿真研究[D].大连海事大学，2017.

    [2]杨武，何雄彬.船闸电力与控制系统设计应用[J].中国水运（下半月），2016，16（07）：88-90+92.

    [3]杜颖财，王希军，王树洁，卢新然，梁立辉.增量式编码器自动检测系统[J].电子测量与仪器学报，2012，26（11）：993-998.

    [4]Chao C T， Sutarna N， Chiou J S， et al. Equivalence between Fuzzy PID Controllers and Conventional PID Controllers[J]. Applied Sciences， 2017， 7（6）：513-518.

    [5]郭宗仁，林禮清，张树君.PLC在大型水电枢纽工程三级船闸控制系统中的应用[J].福州大学学报（自然科学版），2002（01）：59-62.