船闸计算机监控技术探讨

祝 福，肖彦直

（1.武汉船舶职业技术学院，武汉 4300502；中国船舶重工集团公司第七○九研究所，武汉 430074）

船闸计算机监控技术探讨

祝 福1，肖彦直2

（1.武汉船舶职业技术学院，武汉 4300502；中国船舶重工集团公司第七○九研究所，武汉 430074）

通过介绍船闸计算机监控技术发展，对基于高性能PLC、PC工作站和网络的监控系统进行简要设计，探讨了分布式监控系统中与计算机、控制、网络相关技术工程解决方案，提出了采用融计算机控制、分布式数据管理、大型异构网络为一体，在关键部位采用冗余设计的分层分布式计算机监控系统，是船闸计算机监控技术发展方向。

船闸监控技术；计算机监控；冗余容错

随着国民经济的快速发展，我国水电工程建设事业取得了飞速发展，其中配套使用的水利枢纽船闸、升船机等通航设施机电设备制造处于世界先进水平，直接推动水电站计算机监控技术发展。为实现船闸整体的操作、运行、维护和管理，建立具有部分冗余容错功能的高可靠分布式计算机监控系统，代表船闸计算机监控技术的主流。

1 船闸特点及分类

船闸特点是设备布置分散、安全可靠性要求高，存在本地和远程设备监视、控制、管理、调度、通信等需求，对系统先进性、可操作性和易维护性有较高的要求。特别需要可靠的闸、阀门启闭速度曲线控制和闸门同步运行控制，及检修桥机、防撞装置控制；并且设置相邻闸首开门闭锁、水位平压开门、合拢失败自动关阀、误操作保护、程序“多一”保护、紧急关阀保护和其它电气和液压系统保护等。

从控制角度来讲，船闸包括单级船闸和多级船闸，多级船闸中典型的是3级船闸和5级船闸，一般连续布置。级数越多，闸首间闭锁关系越复杂，水位配合关系越复杂，监控系统在数据管理、调度控制、通信服务等方面逐步扩展，系统规模越来越大，越来越复杂。

2 船闸计算机监控系统设计[1-5]

2.1 基于PLC+IPC控制的简单系统

一般为2层DCS系统，包括现地控制层和集中操作、监视、管理层，工业控制主干网和现场总线网（见图1）。

图1 基于PLC+IPC控制的简单系统图

2.2 基于PLC+IPC控制的复杂系统

一般为3层DCS系统，包括现地控制层、集中操作监视层、运行调度管理层，管理以太网、工业控制主干网和现场总线网，关键设备冗余（电源、主控设备、网络、传感器、执行器等），必要时设置远程操作、管理终端，或通过路由器、网络隔离设备与上层信息网络互联，构成大型异构分层分布式网络（见图2）。

2.3 冗余容错设计

2.3.1 电源冗余设计

主电源：交流电源互投（双回输入）；

UPS：冗余供电（双回输入，可稳压输出、可旁路输出）；直流电源：并联冗余供电；PLC电源：并行冗余供电。

2.3.2 控制器冗余配置

一般有冷备、温备、热备、双工4种模式，以温备（操作站）、热备（控制器）系统居多（见图3）。

2.3.3 网络冗余设计

层间通信采用冗余的快速工业以太网，例如ProfibusonTCP/IP，或ModbusonTCP/IP等；现场通过冗余总线（Profibus、ModbusPlus等）网络连接I/O。

图2 基于PLC+IPC控制的复杂系统图

图3 控制器冗余模式

2.3.4 数据冗余

适当增加数据冗余度，可以提高系统可靠性。每个功能单元可以对自己的数据独立操作，同时操作员站对服务器数据部分冗余，操作员站间数据冗余，现地站对操作员站数据部分冗余。这样即使通信故障，记录数据不会丢失，同时数据库出问题时，可以及时恢复数据。但在增加数据冗余的同时，应考虑好数据一致性问题，数据库并发操作问题。

2.4 软件设计

软件采用结构化、模块化、面向对象的设计方法；增强系统的分级容错设计，保证重要传感器、执行机构故障时系统可以容错运行，例如水位计、开度仪、电机、电磁阀等。加强故障检测报警及应急处理功能，闭锁条件的判断处理；增强操作控制指令校验，提供强大的数据查询和信息提示功能，同时系统网络等部分故障时，系统可以降级运行，防止系统进入被动性失控状态。

2.5 故障保护设计

由于船闸运行的特殊要求，即运行高可靠性、高安全性，其监控系统必须设计一套完整的操作控制、运行监视流程和故障保护流程，主要故障保护涉及控制设备故障、检测设备故障、供电设备故障、液压系统故障、执行机构故障等。

3 船闸监控技术展望

3.1 船闸计算机监控关键技术

（1）采用“冗余、容错、集散”等先进技术措施，构架船闸计算机监控系统，提高系统可靠性和信息化管理技术水平；

（2）研究的船闸连续运行水位配合、控制及保护算法，确保船舶航行安全；

（3）根据运行工艺要求，研究船闸控制逻辑流程，解决船闸连续运行中存在的控制耦合、并发操作控制等技术问题，提高船闸运行可靠性、可操作性；

（4）采用各种协调运转和安全保护措施，使连续布置的各闸首的闸/阀门得以安全可靠地协调运转，能使船舶可以安全快速地通过船闸；

（5）采用图像自动跟踪与自动广播控制技术，可以提高船闸监控的自动化水平；

（6）研究船闸设备故障安全保护措施，提高设备的可维护性。

3.2 国内外典型船闸监控技术对比[2-4]

表1列出了国内外典型的单级、3级、5级船闸，从系统结构、控制器、网络、上位机配置、操作方式、运行方式上进行了比较，可见采用集散系统结构、光纤网络、关键设备冗余、集中与现地操作相结合、运行方式灵活得到认同。

3.3 计算机监控技术的发展

计算机控制技术发展：DDC→SCC→DCS→FCS，集散型控制系统分散控制，集中管理，具有较高的可靠性和实用性，集计算机、通信、控制、网络等技术为一体的现场总线控制系统成为了工业控制领域最为热门的话题，由于本身所固有的一些技术特点和优势，现场总线控制系统已经成为计算机控制系统的重要发展方向。

表1 国内外船闸计算机监控系统对照表

计算机网络发展趋势：以单计算机为中心的联机终端系统→以通信子网为中心的主机互联→计算机网络体系结构标准化。

数据库发展趋势：网状、层次数据库系统→关系数据库系统→以面向对象模型为主要特征的数据库系统。

系统中数据访问模式的发展：C/S（客户/服务器）模式→B/S（浏览器/服务器）模式。浏览器和服务器结构，是对C/S结构的一种变化或者改进的结构。简化了客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的成本和工作量，能实现不同的人员，从不同的地点，以不同的接入方式（比如LAN，WAN，Internet/Intranet等）访问和操作共同的数据库。

3.4 船闸视频监控技术

为满足船闸全方位、全天候、自动跟踪视频监控的目的设置工业电视监控系统，有模拟视频及数字视频两种方案。采用全天候低照度模拟摄像机、光电转换、光纤传输、矩阵切换控制、计算机图像采集卡、监视器监控等构成的模拟视频系统一度占据主导地位；现阶段被数字摄像机、视频服务器、光纤传输、硬盘录像机、计算机网络图像采集、DLP大屏监控等构成全数字流媒体视频系统逐渐取代。关键在于后者开放性好、图像浏览、自动切换控制方便，可以通过计算机图像采集、网络集成，实现视频网络共享，即通过Web服务实现视频存储和视频信息发布。

4 结语

尽管在船闸计算机监控系统制造上，我国目前处于世界先进水平，遗憾的是系统中大量使用国外控制产品，而且在“自动化、信息化、无人值守”发展方向上还有潜力可挖，寄希望于国内同行奋起直追，大力发展民族工业，开拓船闸监控技术新局面。

[1] 王德吉.西门子工业网络通信技术详解[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2] 罗 飞.三峡船闸计算机监控系统设计[J].电工技术，2013（4）：40-41.

[3] 赵勇飞，王 淼，田茂刚，等.浯溪船闸计算机监控系统的设计与实现[J].水电厂自动化，2011（3）：62-63.

[4] 刘雪芹，刘新泉，姚怀柱.三河船闸计算机监控系统设计应用[J].江苏水利，2012（8）：30-31.

[5] 刘曙明，张复全.船闸计算机监控系统的设计与实现[J].交通科技，2012（6）：72-75.

（责任编辑：周 群）

Discussion on shiplock computer supervision and control technology

ZHU Fu1,XIAO Yan-zhi2
（1.Wuhan Institute of Shipbuilding Technology,Wuhan 430050,China;2.709 Institute of China Shipbuilding Industry Corporation,Wuhan 430074,China）

An introduction was made on the development of shiplock computer supervision and control technology.The authors present a brief design of supervision and control system based on PLC and PC workstations with high performance as well as network,discuss the technical solutions related to computer,control and network for a dis⁃tributed system,put forward the development direction of shiplock computer monitoring system,i.e.an integrated hi⁃erarchical distributed computer monitoring system incorporating computer control with distributed data manage⁃ment,large-scale heterogeneous network,and with redundancy at key positions.

Shiplock monitoring technology;computer supervision and control;redundancy and fault-tolerance

TP31；U641.7

B

1003-1510（2016）02-0076-03

2016-01-18

湖北省教育厅科研项目（B20128507）

祝 福（1970-），男，湖北云梦人，武汉船舶职业技术学院电气学院副教授，硕士，主要从事电气自动化及控制工程的教学及研究开发工作。