水口船闸计算机监控系统技术浅析.doc

水口船闸计算机监控系统技术浅析陈锋（福建水口发电集团有限公司，福州 350004）摘要：阐述了水口船闸原电气控制系统自身所存在的固有缺陷与不足，新监控系统解决方案的可行性与程序优化措施及其技术特点。关键词：船闸；监控系统；上位机；PLC 1 前言水口船闸是水口电站工程主要建筑物之一，位于大坝右岸，与毗邻的升船机一道承担闽江永久通航任务。1996年对船闸进行首次技术改造，将原液压启闭设备更换为德国力士乐产品，电气控制系统更换为美国AB的SLC500系列PLC产品。2005年继续对电气控制系统进行第二次全面改造。首次技术改造采用的电气控制系统为总线式主-从站式网络结构（DH-485网），主要设备包括集控台和分设在I-IV闸首的4台现地PLC子站。集控台设有分别与4个闸首对应的4台PanelView550触摸屏式独立操作员终端，通过单一双铰线与各闸首现地PLC子站组成DH-485网络，I闸首现地PLC子站为DH-485网络的初始激励器。各闸首的运行控制、工况信息分别送到PV550操作员终端上显示。2 原电气控制系统存在的问题原电气控制系统并非真正意义上的分层分布式监控网络结构。集控台上各闸首的PanelView550操作员终端仅与对应闸首PLC进行通讯，只能用于监视和控制本闸首的运行工况与动作。通过DH-485网络读取相邻闸首有关的闭锁判断条件，无法实现上位机的监视、控制、管理、仿真等功能，无法将工业电视、广播、水位检测子系统进行资源整合与集中监视、控制。尤其是受原网络结构的限制，无法彻底解决下述几个关键性问题。2.1 固定航次限制问题原系统程序按最大连续3次过闸设定航序的全过程顺序控制流程编程。通过顺序控制器的步进移位实现每个设备的对应动作控制，上行3次共15步，下行3次共21步，程序逻辑关系复杂难懂，系统功能拓展困难、运行方式固定呆板，航向更换设置困难,无法满足实际过闸的需要，降低了通航效率和造成水资源的浪费。实际运行需增加航次时，只能采用中断集控运行流程后切换至现地手动操作，增加了运行人员工作强度，且现地子站无法显示相邻闸首的工况参数，自动判定闭锁条件有限，存在较多的运行安全隐患。2.2 无法实现自动补水功能由于闸门水封磨损的影响，各闸室均存在不同程度的漏水。尤其是二闸首反弧门的水位落差高达41m，一闸室的漏水十分明显。受原系统硬件条件限制,在程序开发上根本无法实现自动补水功能。已发生多起闸室内因漏水造成水位不足、船只触底的不安全事件。为确保安全运行，现场运行人员需时刻关注闸室内的低水位变化，造成运行人员工作负荷较重、精神压力大等不安全因素。2.3 同步纠偏功能有待完善船闸首次技术改造主要是针对原液压启闭设备无法满足设计指标要求，其核心在于解决双吊点下沉门两侧的同步问题。当时所选用的液压启闭设备技术性能先进，配套的PLC设备基本上可以满足伺服变量泵的同步纠偏闭环控制要求。投入运行5年来，下沉门的同步纠偏功能基本满足运行要求。由于伺服变量泵的制造固有因素以及运行时间的不同，每台泵的工作效率随着时间的推移，呈现出较为明显的效率差异。当给定相同的参数设定，会出现明显的速度不同结果。主要原因在于原同步纠偏功能尚不够完善，未考虑伺服变量泵因自身性能下降所引起的效率不同对同步纠偏性能的影响。由于下沉门两侧的同步纠偏性能好坏直接决定了船闸能否安全可靠运行，因此下沉门每侧油缸均采用双CIMS行程传感器的冗余配置方式，但由于受原CPU模块数据处理能力和所采用编程方式的限制，无法对故障 CIMS行程传感器自动判定和切除。当有一行程传感器发生故障时，原程序自动选用A行程传感器检测值，既使发生故障的是A行程传感器检测值。究其行程传感器的冗余配置，不过是备用配置而已。通过近几年运行情况的故障统计分析表明,一至三闸首下沉门因上述原因发生异步停机保护的故障呈现逐年增大趋势，直接影响了船闸的通航效率。2.4 各子系统无法有效整合，功能有待完善原系统中的工业电视、广播、水位检测功能均为独立的子系统，各有独自的控制设备，采用手工操作控制方式。工业电视探头数量偏少，某此重要设备如下沉门锁锭进、退到位情况无法监视，只能采用人工目测确认。监视画面只能人工选择调用，无法根据运行流程自动调用相关动作画图。广播系统只能采用人工呼叫喊话，无法实现根据运行流程自动播叫相关提示语音内容。水位检测仅在集控室内独立显示实时数值和提供水平开关量信号给PanelView550操作员终端，现地子站无法显示闸室的实时水位数值。原系统不具有数据库管理功能，通航运行的各种日、周、月等各种统计报表只能采用人工统计方式。不具有自动记录设备的各种运行参数、操作指令等功能，未能对设备故障判定、原因分析提供必要的辅助与判定帮助等。3 新监控系统技术特点3.1新监控系统结构新监控系统采用两层分布式控制系统结构。第一层为分布在4个闸首的现地PLC子站，包括控制下沉门（人字门）、反弧门的液压启闭机设备，PLC控制设备、触摸屏及现场检测仪表，实现现地启闭控制、状态监视和故障保护功能。第二层为集中操作监控层，布置在集中控制室内，包括2台操作员工作站、1台多媒体工作站、1台数据通讯服务器，8台工业电视监视器幕墙，广播控制器外设组成，共同实现船闸的操作、监视、控制功能。二套操作员终端、网络光纤冗余配置，无扰自动切换，上位机与现地PLC子站通过以太工控网络进行通讯，网络结构形式为星型结构。新系统网络结构参见图1。图1 新监控系统网络结构将原独立的工业电视、广播子系统整合至多媒体工作站中，增加和调整工业探头与广播喇叭的数量与安装位置，采用自动、手工二种控制模块。自动模式可根据运行流程调用相关设备的动作画图和播叫相关设备动作的提示语音内容，或手工选择所关心的监视画面和进行直接广播。利用数据通讯服务器强大数据处理管理功能，实现对各种运行参数、操作指令、报表打印等数据库管理功能。3.2 现地PLC子站配置现地PLC子站选用施耐德Premium系列PLC为核心，控制柜面板设置同品牌触摸屏。触摸屏与CPU模块直接进行通讯，触摸屏可显示本闸首相邻的上下游闸首闸门、反弧门、锁定解锁的位置信息，动态显示闸门开度，实时监测液压系统油压及相关电磁阀动作情况，并提供故障报警及故障信息查询等。同时，当处于现地自动控制方式时，触摸屏还具有相关设置，如补水设置、开度仪投入/切除设置、开度仪数值强置设置、电磁阀单动、上下行令的发送等监测、控制功能。取消集控室内的水位检测处理设备，通过模拟输入模块直接采集各闸首现地水位检测传感器的检测值，程序进行数据换算与处理后，通过双向通讯方式分别送至上位机和接收其它闸室的水位值；同时在触摸屏上显示各闸室实时水位值。3.3 系统功能特点（1）任意航次设定。自动控制程序采用“模块式”编程结构，采用对象分析方法，将一个完整的过闸流程进行模块化分解，实现了任意航次、换向控制的灵活组态。系统的过闸逻辑模型采用逐级过闸模式。以下行为例，船只从上游进入一闸室为第一级，依次类推至船只从三闸室出闸共有四级。将每级对应的闸首设备的控制逻辑作为一个子模块，再将每个子模块中每个设备的具体控制要求作为一个对象进行编程。以上游船只进入一闸室为例，其控制流程如图示2所示。首先调用下行恢复状态运行子程序，一闸首阀门开启对一闸室充水至高水位，一闸首下沉门开启到位，一闸首阀门关闭到位后完成下行恢复运行状态。下行程序启动运行，发“允许船只进入一闸室令”，船只进闸完成后，关闭一闸首下沉门，开启二闸首阀门对二闸室充水至水位水平后，开启二闸首下沉门，二闸首阀门关闭到位后完成本流程的全部动作步骤；其它闸室均以此类推。上位机的自动连续过闸流程仅对某闸首的操作闭锁条件进行判定，只要满足了闭锁条件时即通过通讯网络向对应的现场LCU子站发出相关的操作指令，现场LCU子站则执行现地实际设备的操作流程。这彻底地解决了原程序的流水式顺序编程所无法克服的弊病，可以根据上下游的实际过闸船只数量进行任意航次的控制，在设备正常的情况下，全部采用集控自动运行方式过闸，全面提高了通航效率和过闸安全。图2 上游船只进入一闸室流程（2）自动补水功能。通航过程中，为防止因闸、阀门的漏水而造成闸室内的船舶搁浅，在开启反弧门对下一闸室充水前，程序自动计算充水水平后的下一闸室水位，若无法满足最低通航水位时，程序自动发出报警信号，自动弹出补水功能界面并禁止本闸首阀门的开启操作；自动计算所需的补水厚度并计算阀门的建议开启值，经运行人员确认后开启相关的阀门进行补水。为方便运行操作，在发出报警信号后，也可选用手动补水控制方式。由人工输入补水值和阀门开启值,进行人工补水控制。（3）同步纠偏性能的优化与完善。原同步纠偏程序的编程与调试均是在新油泵工况进行的。在设备投运的最初几年，伺服变量泵之间的效率偏差很小，尚不存在因伺服变量泵的效率不同所引发同步纠偏的“欠调”问题。随着运行时间的增加，每台伺服变量泵的效率出现了明显的不同，频频发生因同步纠偏 “欠调”所引发的异步现象。虽然伺服变量泵尚未达到使用寿命，但随着设备运行时间的延长，伺服变量泵之间效率偏差将越来越大，成为直接影响设备能否安全可靠运行的因素。根据现地启闭实验的数据比对分析，找出各台油泵的效率曲线，在原同步纠偏程序基础上，根据每台油泵偏差情况，在PLC输出控制值中增设了不同的效率补偿因数-“效率因数”，用于克服油泵之间的偏差所造成的速度偏差。通过对闸门的大量启闭动作试验，闸门两侧偏差值最大为10mm 左右，大大优于设计指标规定的30mm，全行程具有良好的同步性，说明采用这一措施十分有效。今后在每年的岁修期间，可根据每台油泵的效率对原设定的效率因数进行修正调试，十分便捷。在新程序编写过程中，充分考虑了CIMS行程传感器的冗余配置目的，实现对故障CIMS行程传感器自动判定和切除。在下沉门单侧发生任一只行程传感器发生故障时，均可实现船闸不停机的连续运行，并同时进行故障报警。4 结语水口船闸监控系统完成技术改造后总体运行情况良好。系统功能完善、运行稳定、安全可靠性较高，显著降低了运行人员的工作强度与现场人数要求。船闸的航序设定简单灵活，设备检修维护较为直观方便，显著提高了船闸的过闸效率，为实现“少人值守”的运行模式打下了坚实的基础。