船闸机电控制系统的设计与应用

1 概 述 本机电控制系统，设计用于某四级航道的船闸中。设计满足500吨级船舶通航要求设计，也可满足1000吨级船舶通航要求。 本系统为船闸营运管理控制提供保证，包括机电、调度、收费三大内容。 1、 船闸运行自动控制系统，包括： 1) 集中控制室程序运行控制 2) 闸首就地站单闸首集控及单侧闸（阀）控制 3) 通行信号灯程序控制 4) 通航照明控制（包括闸室、靠船墩、引航道） 5) 广播指挥系统 2、 船闸运行视频监控系统 3、 船闸过闸调度与收费系统，包括； 1) 船舶登记、收费及调度 2) LED可变信息图文显示板 2 自动控制系统 2.1 主要控制对象技术参数及控制要求 2.1.1 通航闸门及启闭机 1、 技术参数 全闸共设4扇三角闸门，上、下游各2扇，每个闸首由左右2扇三角门组成。钢结构三角门面板为园弧形，朝向引航道。上游闸门高8.6m，下游闸门高10.8m，单扇闸门宽17.357m（按弧长）。 闸门启闭机可以在一定水位差条件下动水启闭，均采用液压直推式启闭机，全闸共布置4台，上、下闸首各2台，同一闸首同侧闸门启闭机与阀门启闭机共用1套油泵泵站。 2、 控制要求 同一闸首通过电液控制，完成2扇闸门的同步开启、关闭。 1) 关门 按下关门按纽，两扇门叶同时朝关门方向运行，当门叶旋转到离全关位置5°（关前位）时均自动暂停，然后两扇门同时运行至全关位置，当门叶到达全关位置后，电磁阀复位，然后油泵电机自动停止工作。 2) 开门 当闸门前后水位差小于5cm时给出指示信号，按下开门按纽，启动油泵电动机，控制相应的阀组，使左右两扇门叶朝开门方向运转，到达全开位置后自动停止。 2.1.2 输水阀门及启闭机 1、 技术参数 全闸共设4扇阀门，上、下闸首各2扇，采用单吊点潜孔式平面钢闸门。 阀门启闭机为动水启闭，均采用具有强落阀功能的液压直推式启闭机。在正常运行情况下（门前后平压状态）靠自重关阀，紧急情况下（门前后有水位差）时可强压关阀门。 2、 控制要求 通过控制三位四通电磁换向阀来控制阀门的上升或下降操作。 1) 开门 当另一闸首的闸门处于全关位置，按下开阀门按纽，同一闸首两侧边墩的输水阀门同时以调定的速度开启，至全开位置后停止，并以信号显示。阀门开启时可以锁定在任意高度的位置。 2) 关门 按下关阀门按纽，同一闸首两侧边墩的输水阀门同时关闭（靠自重关阀），至全关位置后停止，并以信号显示。 2.1.3 通行信号灯 1、 技术参数 通行信号灯包括远程信号、进闸信号及出闸信号。远程信号分别设置在上、下游引航道船舶停泊区端部，进闸及出闸信号分别设置在正对船舶航行方向右侧的闸首进、出口处。 通行信号灯均采用红、绿双色LED信号灯，红色表示禁止通行，绿色表示允许通行。 2、 控制要求 进闸及出闸信号采用程序控制，自动转换，操作地点为集控室。远程信号灯采用手动转换，在闸首调度室进行操作。 2.1.4 通航照明 1、 技术参数 通航照明区域包括闸室，上、下游引航道闸首出口段，靠船墙（墩）段。其中闸室段为分散照明，采用杆高8m的双叉路灯，双侧布置，间距为22.4m，光源为2x250W高压钠灯；上、下游引航道闸首出口段及靠船墙（墩）段为集中照明，设20m高倾倒式高杆灯若干座，间距约80m，每组高杆灯装6～9只1000W投光灯，朝水面的180°范围内呈扇形布置。 2、 控制要求 一般情况下，由设在集控室控制台上的计算机或通航照明控制箱进行控制。也可以在闸首就地站对所辖照明线路配电开关（接触器）进行就地控制操作。 通航照明将根据周围环境和运行照度要求合理选择控制方式，采取分区分组控制等措施，降低电能消耗，达到节能的目的。 2.2 船闸运行方式 船闸运行方式是指按上行过闸和下行过闸的过程进行船舶过闸运行，二个过闸过程交替进行，上行过闸完毕即进入下行过闸准备，下行过闸完毕即进入上行过闸准备。 1、 上行过闸： 上行过闸是指船舶从下游到上游的过闸过程。上行过闸时，下闸门已经打开，闸室水位与下游水位齐平，船舶可以从下游驶入闸室停泊。当全部上行船舶进闸完毕，关下闸门，下闸门关终后，打开上阀门，上游向闸室灌水（在反向水头时，闸室向上游引航道泄水），当闸室水位与上游齐平时，打开上闸门，船舶出闸驶入上游。 2、 下行过闸： 下行过闸是指船舶从上游到下游的过闸过程。下行过闸时，上闸门已经打开，闸室水位与上游水位齐平，船舶可以从上游驶入闸室停泊。当全部下行船舶进闸完毕，关上闸门，上闸门关终后，打开下阀门，闸室向下游泄水（在反向水头时，下游引航道向闸室灌水），当闸室水位与下游齐平时，打开下闸门，船舶出闸驶入下游。 3、 单向过闸流程 2.3 自动控制系统方案说明 2.3.1 概述 系统根据集中控制和就地分散控制相结合的原则进行总体设计，采用基于PLC的集散型分布式控制结构。 系统功能分布在网络的各个节点中，各功能单元既独立又相互协调运作，任一节点的故障不影响其它节点的正常工作。各单元既可以对所辖对象进行单项控制操作，又可以通过通信网络，协同进行联合运行，连续自动地完成船舶上行过闸或下行过闸的集中程序控制。 系统主要控制对象包括：上、下闸首闸门和阀门启闭机组，进闸信号和出闸信号，与船闸运行有关的通航照明等。 2.3.2 系统结构 1、 系统采用集散型分布式结构，分为集中控制和现地分散控制2个层次，集中控制为主，分散控制为辅助手段。 2、 集中控制层用于实现对整个船闸的程序集中控制，包括上行程序和下行程序。由2套冗余热备的工业控制计算机和操作台及其他外部设备（如打印机等）组成，布置于集控室内。 3、 现地控制层共设4套现地PLC，分别设于上、下闸首两侧机房的控制柜内。其中，设于靠闸管所一侧机房的PLC通过现场总线与对侧的PLC进行通讯连接，可以完成单个闸首两侧闸门、阀门的现地集中控制，对侧PLC则不设此项功能，仅完成本侧闸门、阀门的就地控制。 4、 集中控制与现地控制相互闭锁，通过安装在现地PLC柜上的“本侧/双侧、“就地/远方”转换开关控制。确保在同一时间内，对闸、阀门的启闭只能用一种方式进行操作。现地优先权最高，上位机其次。 5、 上闸首集控PLC，下闸首集控PLC，船闸集控计算机之间通过光缆组成环型工业以太网，数据和命令的交互采用标准的工业以太网通信协议。 2.3.3 运行控制方式 1、 按照操作地点分为：集中控制和就地控制，2者互锁。 2、 按照操作方式分为：程序运行控制，单个闸首就地集中控制，单侧闸（阀）就地控制，3者互锁。 1) 程序运行控制：船闸正常运行时，均采用此方式。设于船闸集控室，按预先编制的程序对全闸进行远程监控操作，并对所有设备的运行状态进行监视，从而连续自动地完成船舶上行过闸或下行过闸。 2) 单个闸首就地集中控制：当集控计算机故障或网络通讯中断时采用，设于上、下闸首闸管所一侧的现地控制柜，通过控制柜上的触摸屏或操作按钮向PLC输入控制指令，分别完成上闸首或下闸首的二扇闸门和阀门的同步开启和关闭。上、下闸首之间通过硬接线对分段控制程序的闭锁条件进行判断。 3) 单侧闸（阀）就地控制：该控制方式仅在设备调试、检修时采用。此功能设于上、下闸首两侧的现地控制柜，可独立进行本侧闸墩三角门、阀门的开启和关闭。 3、 船闸的闸、阀门启闭，在同一时间内，只能用一种方式进行操作。正常运行情况下，船闸的运行控制均采用程序控制方式。 2.3.4 程序运行控制流程 1、 上行程序 关下游闸门―>开上游输水阀门―>水位持平后自动开上游闸门－>关上游输水阀门。 该过程为集中连续过闸的上行过程，操作人员在集控室发关闸令后，控制系统通过程序自动判断运行条件，关闭下游闸门。当下游闸门关终后，程序自动生成上游开输水阀门的指令。等待上闸首充水水平后，自动生成开启上闸首闸门指令，闸门开终后生成关闭上闸首输水阀门指令，阀门关终后上行程序流程结束。 2、 下行程序 关上游闸门―>开下游输水阀门―>水位持平后自动开下游闸门－>关下游输水阀门 该过程为集中连续过闸的下行过程，操作人员在集控室发关闸令后，控制系统通过程序自动判断运行条件，关闭上游闸门。当上游闸门关终后，程序自动生成下游开输水阀门的指令。等待下闸首充水水平后，自动生成开启下闸首闸门指令，闸门开终后生成关闭下闸首输水阀门指令，阀门关终后下行程序流程结束。 3、 说明 船闸的集中程序控制方式是系统正常运行后使用最多的运行方式。该方式对操作人员要求较低，只需形成初始启动信号即可。集中程序控制在软件实现上采用流程转步方法。正确判断每个流程的当前程序步，形成各程序步控制指令。同时，控制系统在流程过程中，实时检测船闸的上下游闭锁关系及各类故障状态。一旦发生故障，立即中断程序步的执行，确保系统的安全可靠。 2.3.5 系统功能 1、 闸、阀门就地控制功能 就地控制包括了单个闸首就地集中控制、单侧闸（阀）就地控制两种方式，两者控制对象的范围不同。以下仅对就地集中控制的功能进行具体说明： 1) 实时数据采集 采集的数据信息包括： Ø 闸门前、后水位 Ø 电网电压、电流 Ø 进线断路器合/分状态 Ø 主电机和备用电机断路器合/分状态 Ø 控制电源状态； Ø “就地/远方”控制方式； Ø 电机运行状态； Ø 两侧闸门运行状态、运行位置和实时开度 Ø 两侧阀门运行状态、运行位置和实时开度 Ø 液压系统油压，压力报警信号（超压、欠压），滤油器堵塞报警信号，油箱油位过低报警信号 Ø 闸门和阀门开终、关终行程开关状态 Ø 上、下游闭锁状态