升船机运行监控系统的发展∗

王婷婷 兰 钦

（1.长江三峡通航管理局 宜昌 443133）

（2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 长沙 410014）

1 引言

升船机是当今世界上克服航道上集中落差，解决船舶过坝问题的一种主要的通航建筑物型式，也是船厂建造新船和维修时的主要工作台。这种型式的通航建筑物由于其形式多样性、高水头适应性、船舶过闸快捷性、投资节约性、技术条件简约性等优点而得到广泛的应用。美国、俄罗斯、比利时、荷兰等是世界上内河航运网较发达的国家，在这些国家的内河航运枢纽中已建有上千座升船机［1］。近年来，我国在大中型升船机的研究方面进行了大量的工作［2］，并相继兴建湖北三峡升船机、清江隔河岩升船机、广西岩滩升船机、福建水口升船机等大型升船机。

随着升船机的广泛应用，其安全稳定运行也成为日益关注的焦点［3～4］。由于升船机是一个多子系统之间相互结合在一起的庞大系统［5～6］，为了对系统运行的复杂工况进行有效控制，必须具备良好的运行监控系统。因此，分析升船机主体运行监控系统方案，研究各设备运行状态及运行特点，分析各设备、各环节故障种类及故障原因、数量，并在此基础上，不断优化升船机运行工艺，开展升船机运行过程的仿真程序和故障应对处理模拟程序，对于提高升船机运行保障能力具有十分重要的意义［7］。

基于以往的研究和工程应用，本文试图对我国升船机监控系统的发展历程做简要的梗概，并结合三峡升船机监控系统运行管理中存在的若干问题，对目前升船机监控系统可能存在的不足进行分析。在此基础上，对升船机监控系统今后的发展趋势进行预测，为升船机监控系统的研究工作提供参考。

2 监控技术及其在升船机运行管理中的应用

2.1 监控技术简介

监控技术自诞生以来，在过去的二十多年里，大致经历了本地模拟监控系统、多媒体数字监控系统、分布式监控系统共三代的发展［8］。它是多种技术综合运用与结合的产物，综合了计算机网络技术、人工智能技术、多媒体技术，正朝着数字化、智能化、网络化的方向继续发展。

信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工装、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场［8］。

2.2 升船机运行监控系统发展历程

升船机监控系统由I/O设备（传感器和执行器）、控制硬件、控制软件、人机接口及与信息系统的连接等组成。我国升船机运行自动化技术的发展是从20世纪80年代初开始的，迄今为止经历了以下四个阶段：

1）单功能微机监控装置。每个微机监控装置具有不同的功能，有的专门采集开关量，有的专门采集模拟量，有的专门进行控制操作。将这些功能分散的微机监控装置以串口的星形连接方式进行集成，在分布方式上做了一些有益的尝试，但从模式上看还不能算是很成熟的系统；

2）以设备单元分布的星形分层监控系统，如丹江口［9］、高坝洲［10］等。为了检修维护的方便，这种监控系统将数据采集与控制集成到一台微机或PLC装置中，构成了现地控制单元（LCU）［13］。LCU无法直接接入以太网，而且计算机非常昂贵，只能以微机作为前置机，构成星形分层分布式结构的监控系统。这种结构布线简单，但没有冗余功能，任何一条线路发生故障均会导致通讯中断。这在网络应用上已跨出了一大步，但相应的国际标准还不完善，尚不能形成理想的开放系统环境；

3）基于开放系统的分布式监控系统，如水口、隔河岩［11］、岩滩等。这种计算机监控系统具有通用性和可移植性，监控系统的软件可以安装在任何具有开放系统特点的计算机上，开放系统为升船机计算机监控系统提供了新的发展空间；

4）基于对象技术的分布式监控系统，如彭水、三峡等。与传统的程序设计方法不同，面向对象技术把数据与方法封装在一起，统一描述对象的属性和行为，升船机运行设备如承船厢、驱动系统、传感检测开关等均可抽象为对象，它直观、方便，信息更加理性和实际。基于对象技术的分布式监控系统，从系统设计、编程语言选择到用户界面等一系列过程，都依据面向对象的理念、原则和技术标准，给用户使用和维护带来极大方便。

3 三峡升船机运行监控系统

3.1 运行监控系统简介

三峡升船机计算机监控系统采用两层集散分布式结构［12］，主要由集中控制系统、现地控制系统、安全控制系统设备组成，结构框图如图1。其中，集中控制系统设备主要由I/O服务器、网络通信服务器、数据存储服务器、图像监控工作站、广播指挥工作站、冗余操作员站、图像监控工作站、广播指挥工作站、以太网交换机及大屏幕显示屏等组成。现地控制系统设备主要由流程控制站、船厢传动控制站、船厢上厢头控制站、船厢下厢头控制站、上闸首控制站、下闸首控制站、低压开关装置控制站、变电控制站组成。

计算机监控系统软件配置采用当时国内外最新的研究成果。监控系统PLC选用Rockwell Al⁃len-Bradley公司的Control Logix产品。监控系统软件主要由上位机组态软件及PLC编程软件组成，上位机组态软件采用Rockwell Allen-Bradley公司FactoryTalkVIiew，PLC编程软件采用Rockwell Al⁃len-Bradley公司RSLogix5000。监控系统结合了PLC和工控机各自的优点，实现了管理、控制一体化。

3.2 运行监控系统存在的不足

虽然三峡升船机运行监控系统采用了当前国际最先进的监控技术，为项目运行管理带来了极大的方便，但是目前仍存在以下不足之处：

1）传感器网络的复杂性。三峡升船机传感器网络信息采用的是传统的有线传输，需要铺设大量的传递介质，耗时长，人工成本高；硬件线路易老化，容易导致通信异常，后期更换和维护成本更高；特别是升船机各设备紧密相联，牵一发而动全身［14］，试通航的故障统计也表明了传感检测装置的故障会极大影响升船机的运行效率。

2）监控数据和指令的不完全共享性。目前，三峡升船机监控系统是由上位机、现地控制站等计算机装置组成，这些计算机只能独立运行，完成各自的权限和控制功能，这必然导致运行管理的复杂性。

3）监测信息的不完备性。三峡升船机的监控系统能够较准确地对电气、液压等设备的运行状态进行实时监控，但是对机械结构的内部损伤、机构运行准确位置目前仍然不能实行有效的监控。

4）组态软件的通用性差。三峡升船机监控系统组态软件采用Rockwell Allen-Bradley公司Facto⁃ryTalkView。这种软件虽然在功能完备性、产品包装、市场推广等方面具有一定的优势，但是存在软件对应配套设备价格昂贵、技术服务不方便、通用性不高等缺点。

5）组态过程的复杂性。三峡升船机的Facto⁃ryTalkView软件是基于图元的触摸屏组态软件，组态界面由各种基本图形及由基本图形组合的开关、仪表、阀门等大量部件组成，组态过程复杂，同时监控信息量大。

4 升船机监控系统的发展趋势

随着计算机技术的迅速发展，升船机计算机监控技术同样也在发展，新的系统结构、控制装置、软件等不断涌现，使得我们进一步思考升船机计算机监控技术主要发展方向。

1）传感器网络的无线化。与传统的有限传感器网络不同，无线传感器网络具有灵活性强、经济性好、精细度高等优点，因而得到了广泛的应用。在升船机监控系统方面雷鸣、魏峻岩［13］提出了基于无线传感器网络的三峡升船机监控系统架构，结合复合事件检测技术实现了对升船机监控数据的有效提取，并通过实验验证了负荷事件检测方法在传感器网络中的适用性。

2）网络共享化。升船机计算机监控系统是由上位机、现地控制单元等计算机装置组成，这些计算机均能独立运行，完成各自的控制功能，但要让这些计算机协调工作，充分挖掘出计算机监控系统的潜能，就必须通过网络数据交换，实现数据共享，更好地对整个系统各个设备进行协调控制，实现控制系统的优化运行。网络共享的计算机监控系统，可以共享计算机硬件设备、装置，以减少控制系统的设备投资，和维护工作量。

除升船机内部计算机及装置组成网络外，升船机计算机监控系统可与调度自动化系统网络连接，进行数据交换。通过网络通信，调度计算机将调度命令送至计算机监控系统，升船机计算机监控系统将各设备运行参数、状态传输到调度计算机，调度系统可以对升船机进行自动调度，并根据设备状态判断是否允许发布调度命令。网络化是实现升船机调度自动化的必要前提。

3）人工智能化。升船机计算机监控系统智能化，主要体现在对监控系统的人工智能诊断，对运行人员进行操作指导，对事故、故障处理进行指导。人工智能监控技术已经被引入到工程监控系统的各个领域，不仅可以快速的查找出故障，还可以对自动化控制流程进行优化。曾飞、张琪等［15］设计了基于物联网的散货码头大型带式输送机智能监控系统，在散料输送过程中，该系统可全程对带式输送机物料输送状态进行实时监控，实现了运行过程中物料瞬时流量、带速、功率等状态参数的实时监控，还可以根据带式输送机物料瞬时流量远程调节带速，从而实现了大型带式输送机系统最佳节能效果。

4）组态软件的国产化和通用化。组态软件的强大功能早已受到工程技术人员的青睐，而国外的组态软件价格昂贵且通用性差，其国产化和通用化是必然的发展趋势。目前，国内已经有人对组态软件进行了研究，肖儿良、石纪奎等［16］针对目前触摸屏组态软件存在的组态过程复杂及通用性较差的问题，提出了基于界面组态的触摸屏组态软件设计方法；利用Visual c#开发平台，实现触摸屏通用组态软件的设计。在上位机进行组态软件界面编辑、组态文件编译以及与下位机数据的交互的基础上，基于PC机实现了触摸屏工作状态的模拟仿真。在STM32F103硬件平台上验证了组态软件设计的曲线显示控件。实验与仿真结果表明，基于界面的组态软件设计方法的正确性和便捷性，为触摸屏组态软件设计提供了一种新的思路。

虽然我们在升船机计算机监控领域采用的是目前较先进的监控技术，但距离升船机真正的无人值班、“关门升船机”目标还有差距，在技术和管理方面都还有许多工作要做，以计算机应用为特征的信息化技术、通讯技术、智能技术日新月异，有待我们继续努力，为升船机自动化事业的不断进步做出新贡献。

5 结语

1）本文总结了国内升船机监控系统的发展历程，综合分析了基于对象技术的分布式监控系统具备直观、方便、信息准确等优点；

2）结合三峡升船机监控系统，指出了我国升船机监控系统存在传感器网络复杂性、数据不可共享性、信息不完备性、组态软件通用性差等缺点，为监控系统科研人员提供参考；

3）基于目前监控技术的研究及应用现状，对升船机监控系统的发展趋势做了预测，指出传感器网络无线化、网络共享化、人工智能化、组态软件的国产化和通用化是其今后的发展方向。

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