西津二线船闸调度及控制系统设计特点

蒙平

摘要：文章介绍了西津水利枢纽二线船闸调度及控制系统的结构设计、运行控制工艺设计，可为类似工程的实施提供有益的经验借鉴。

关键词：船闸;调度;控制;工艺

This article introduces the structural design and operation control process design of the ship lock dispatching and control system of Xijin Water Control Hub second line，which can provide useful experience for the implementation of similar projects.

Ship lock;Scheduling;Control;Process

0 引言

西津水利枢纽工程为季调节低水头河床式电站，主要开发任务是以发电、通航为主，兼顾灌溉效益的水利水电综合利用枢纽工程。该枢纽已建主要建筑物有拦河坝、泄洪闸、厂房、开关站及2×1 000 t单线双级船闸一座。西津水利枢纽二线船闸工程建设规模为3 000 t级（Ⅰ级船闸），工程位于原水利枢纽右岸台地上，两线船闸中心距为120 m，上闸首齐平，两线船闸引航道及口门分开。该工程于1958年开工建设，1964年10月投运。

西津水利枢纽二线船闸工程从前期设计阶段开始，就对航运过坝瓶颈问题、多线船闸联合高效运行问题、同流域航运枢纽协同运行问题、船闸安全运行问题作了深入的分析研究，相关的研究成果对各专业的设计都起到了重要的指导作用。本文将对本工程的联合调度系统设计、船闸控制系统设计及控制工艺设计进行分析。

1 联合调度系统设计

广西西江开发投资集团已经建成西江航道长洲调度中心和南宁调度中心，调度系统具备了西江航运地图、船舶到闸预测、船舶过闸申报、过闸船舶登记、过闸船舶收费、计划编制与发布、闸室自动排挡、船籍数据管理、违章船舶管理、锚地管理、船闸运行设备状态和航道状态管理等功能。

船舶的过闸是一个非常复杂的过程，由船舶过闸申报和登记、计划编制、锚地停泊、船舶发航、闸室排挡以及船舶过闸等众多环节构成。同时，这些环节还受到地质、水文、气象、桥梁、运行设备和航道内的通行船舶的影响。西津二线船闸工程建成后西津水利枢纽的船闸数量达到2座，过闸能力大幅增加，船闸的调度管理更加复杂。因此，为了保证船舶安全、高效、有序地通航，西津两线船闸一同接受长洲调度中心和南宁调度中心联合调度运行，实现两线船闸统一运行、统一管理和统一调度，根据统一制定的调度计划，各船闸独立控制过闸流程。

但目前西津一线船闸现有的控制系统仍为继电器硬布线逻辑回路，自动化程度低，操作运行过程均需人工操作，暂时不能满足两线船闸统一调度自动化运行的要求，需要另立工程改造。另外，西津一线船闸目前没有装设工业电视系统，广播指挥设备也相对简单，不能满足两线船闸统一调度指挥的要求。本期工程在一线船闸增加广播指挥前端设备、工业电视前端设备及语音用户设备，在一定程度上满足当前两线船闸运行的需要。在一线船闸控制系统改造为计算机监控之前，调度指挥中心可通过视频监控、广播、语音通信等手段对一线船闸进行人工调度;在一线船闸控制系统改造為计算机监控之后，两线船闸的计算机监控系统通过联合调度系统建立交互和协同关系。

西江集团的长洲调度中心和南宁调度中心为配合西津二线船闸工程需对其相应的各运行系统进行硬件设备扩充及软件系统改造开发：

（1）升级北斗智能报闸系统，实现装设北斗智能报闸设备的船舶在通过西津船闸时能不上岸报到、不停船缴费;

（2）开发西津船闸收费模块及电子发票系统接口，实现两线船闸收费电子化;

（3）开发西津船闸一次报闸全线通过模块，实现其与流域其它船闸一次报闸全线通过;

（4）开发西津双线船闸智能排挡系统，实现枢纽内两线船闸联合调度;

（5）开发西津船闸与其它梯级船闸联合调度接口，实现船闸数据共享;

（6）开发西津船闸生产统计报表，实现西津船闸数据汇入西江集团船闸统计系统。

2 船闸控制系统设计

为满足两线船闸统一运行、统一管理和统一调度的要求，西津二线船闸控制系统按计算机监控系统设计，采用全分布开放式结构，由集中控制级和现地控制级组成。

集中控制级由互为冗余的操作员工作站、集中控制单元及网络设备、安全防护设备、外围设备组成。集中控制级设备通过对现地控制级设备、广播指挥设备和通航指挥信号灯进行控制，实现对船舶过闸过程的集中自动程序控制。二线船闸集中控制级设备通过租用通信服务商公网专线或自建专用光纤连接上下游锚地远调站、长洲调度中心和南宁调度中心。西津两线船闸相关信息数据将上送长洲调度中心和南宁调度中心，并接受其调度控制指令。集中控制级设备设置在二线船闸主控楼内，作为二线船闸的控制中枢。

现地控制级按控制对象地理位置及控制数量设置，船闸上下闸首设置4套现地控制单元。现地控制单元配置工业可编程逻辑控制器（PLC）及电力拖动控制设备，完成船闸运行的实时数据采集、预处理及船舶过闸控制（包括分步控制和自动顺序控制操作）。现地控制单元PLC采用双机热备方案，即双机架、双CPU、双电源模板、双EIO网络模板、双以太网通信模板，保证系统的高度可靠性。现地控制单元主站与自身IO模件或现地控制单元从站采用EIO方式连接，EIO网络采用冗余光纤以太网方式，单一故障点不会造成通信中断。

船闸计算机监控系统采用环型网络拓扑结构，集中控制级及现地控制级设备之间通过传输速率为100 Mbps的光纤自愈环型以太网通信。当通信网络主用链路出现断点时，在10 ms之内切换到备用链路。传输介质采用无金属多模光纤，传输协议采用TCP/IP协议，遵循IEEE802.3标准。

上下游锚地远调站配置相应的报闸登记、收费开票系统设备，通过租用通信服务商公网专线或自建专用光纤连接二线船闸集中控制系统及长洲调度中心、南宁调度中心，上传相关的过闸船舶申报、登记、收费及锚地状态信息，并接收过闸计划、排档、船闸运行设备状态和航道状态等信息。

3 控制工艺设计

3.1 人字门运行控制

西津二线船闸工作闸门门型为人字闸门。人字闸门启闭机采用卧式液压启闭机。上闸首人字门液压启闭机选用1600 kN液压启闭机，共设2台，装设于船闸上闸首两侧的启闭机机房内。下闸首人字门液压启闭机选用2600 kN液压启闭机，共设2台，装设于船闸下闸首两侧的启闭机机房内。上下闸首人字门液压启闭机共设4座液压泵站，每座泵站设有3台油泵和3台电机，其中2台工作，1台备用。液压系统中设置独立的人字门控制阀组控制人字门运行。液压系统设3套比例变量泵组（2用1备），用于人字门液压启闭机的调速运行控制。

各闸首人字门液压启闭机的行程检测装置采用与活塞杆保护层结合在一起的行程检测装置，能给出闸门任意位置开度的指示信号，输出信号为16位格雷码，检测误差≤1.0 mm。各闸首人字门液压启闭机设全开、全关限位开关作为液压启闭机极限位置的安全保护。人字门的导卡上部设置关终限位开关和合拢限位开关，在人字门全开位置设全开限位开关，作为闸门极限位置的控制。人字门门头设置门缝及错位检测装置、门头水平检测装置。

（1）操作条件：人字门启闭机原则上应在人字门前后水位齐平的情况下操作启闭闸门，但允许在有一定水位差的情况下启门，启门水位差≤0.1 m。

（2）同步控制：同闸首两侧人字门采用电气同步运行方式，两套液压系统驱动双油缸同步启闭两扇人字闸门。在闸门启闭过程中，闸门开度及行程控制装置全程连续检测2只油缸的行程偏差，当偏差值大于设计值时，比例调速阀自动调整相应油缸进、出油量，使闸门同步。若偏差值继续增大，大于设计值时，液压系统自动停止同步功能并发出报警信号。闸首两台人字门液压启闭机经电气位置同步控制后同步运行误差≤25 mm。

（3）变速控制：闸首现地控制单元PLC通过控制液压系统比例变量泵来控制人字闸门开启或关闭速度，使人字闸门按照慢-快-慢的v-t变速特性曲线运行，防止闸门运行到位时出现冲击。v-t变速特性曲线可在现场进行调整修改。

（4）闭门控制：同闸首两侧的两扇人字门在关闭运行时，设置同步等待位、关终位、合拢位。闸门关闭运行应先到达同步等待位，并保证人字门在接近关终位置时能顺利进入人字门导卡，准确地在规定的关终位置上停止，在关终位置上两扇门叶斜接柱处应留有约20 mm的间隙，以便在充泄水过程中此间隙将在水头作用下逐渐减小并合拢。其中同步等待位为闸门关终位前100 mm处，等待位误差≤10 mm。如同步等待位误差值>10 mm，则启闭机应作同步等待调整至满足要求为止。待两门均到等待位后继续运行，要求两台启闭机能保证两扇人字门在接近关终位置时顺利进入人字门导卡，并准确地在关终位置上停止。双侧人字门关终位时，应预留10～40 mm范围的门缝（液压启闭机液压系统停泵，但液压系统连通），控制系统启动船闸输水运行程序，通过水头使人字门完全关闭。在人字门错位超过一定距离（10 mm）时，控制系统不启动船闸输水运行程序。输水启动后，控制系统具有人字门合拢信号延时检测功能，延时时间应在1～2 min范围内可调，或者为船閘输水后人字门前、后水头达到2 m左右的时间。到达延时时间后，门缝仍>10 mm或合拢信号未到时，控制系统停止船闸输水运行。

（5）漂移控制：在反向水头或涌浪大于启闭机承受能力时，启闭机能自动退让，防止人字闸门及启闭机受损。当人字门反向水头小于一定范围时，控制系统不开启人字门，通过启闭机持住力应对反向水头产生的作用力;当人字门反向水头大于某一设定值时，控制系统启动迅速开门程序。船闸充水时，应允许下闸首人字门向关闭方向漂移，待充水至上闸首接近水平时，应允许上闸首人字门向开启方向漂移;船闸泄水时上闸首人字门向关闭方向漂移，待泄水至下闸首接近水平时，应允许下闸首人字门向开启方向漂移。人字门在全关位时，启闭机能适应闸室泄水过程中闸门上下游水位差造成的人字门塌拱变形。长期运行后，双侧人字闸门抗涌浪、防漂移能力会出现差异，闸门淹没水深、金属结构温度变形会对双侧人字闸门的关终准确停位和门缝合拢错位大小产生影响。控制系统应能充分考虑以上因素，确保闸门长期安全稳定运行。

（6）初始启门：利用闸室超灌超泄所产生的人字门反向水头，配合液压系统的联动操作控制实现人字门的初始开启。

3.2 输水阀门运行控制

西津二线船闸输水廊道工作阀门门型为反向弧形钢阀门。工作阀门启闭机选用2 200 kN液压启闭机，共设4台。上下闸首人字门液压启闭机分别与闸首同侧的工作阀门液压启闭机共用1座液压泵站。液压系统中输水廊道工作阀门控制阀组能独立控制工作阀门运行。

各闸首工作阀门液压启闭机的行程检测装置采用与活塞杆保护层结合在一起的行程检测装置，能给出阀门任意位置开度的指示信号，输出信号为16位格雷码，检测误差≤1.0 mm。各闸首工作阀门液压启闭机设全开、全关限位开关作为液压启闭机极限位置的安全保护。

（1）操作条件：正常运行条件下，高水头动水启门，低水头动水闭门;事故条件下，高水头动水闭门和单边启闭阀门。

（2）同步控制：同闸首两侧输水阀门正常情况下要求同时运行，控制系统根据输水控制工艺要求对输水阀门可进行分段开启和间歇开启控制。当单边阀门或启闭机出现故障时，输水阀门液压启闭机可实现单边充泄水。

（3）防超灌超泄控制：为避免过量的超灌或超泄产生的反向推力损伤闸门及启闭机机械结构，甚至危及过闸船舶，控制系统应具有防超灌超泄保护控制功能，对阀门的开度和开关阀时间作提前控制，实现在一定水位差时动水关阀。通过控制输水阀门控制阀块，输水工作阀门能靠自重闭门。阀门在提起后，随时都可将其迅速关闭。紧急强迫落阀按钮应同时设置在各闸首现地控制单元控制柜和主控室主控台上，并有明显的标志。

（4）下滑自恢复控制：因液压系统泄漏，阀门自开启位置下滑100 mm时，控制系统指令液压泵电动机组启动，将输水阀门提升恢复原位。若输水阀门继续下滑至150 mm，行程控制装置指令备用液压泵电动机组启动，将输水阀门提升恢复原位，同时发出声光报警信号。

3.3 防撞警戒装置运行控制

西津二线船闸下闸首工作闸门的上游边墩各设1套防撞警戒装置，其主要作用是提醒船舶驾驶员在船舶进入闸室后谨慎操作，按规定的航速驶近人字闸门;同时，如一旦发生船舶失控，防撞装置将起一定的阻挡作用，使船舶减速，减少由于碰撞可能造成的损坏。

防撞警戒装置由挡船钢丝绳、警示牌、升降机架、固定卷扬机及埋件等组成。挡船钢丝绳横跨于下闸首人字闸门上游前，钢丝绳两端与升降机架相连，升降机架设置在闸墙的导槽内，升降机架通过拉杆与布置在导槽上方的固定卷扬机相连。固定卷扬机操作升降机架上下移动，使其适应闸室水位变化的要求。下闸首人字门防撞警戒装置起升设备为100 kN固定卷扬式启闭机，共2台。

防撞警戒装置启闭机操作控制系统接收船闸闸首现地控制单元发送的上升、下降、停止开关量信号命令。闸首现地控制单元在运行控制过程中接收两侧固定卷扬机起升高度的模拟量信号及上升到位、下降到位、停止等开关量信号，对两侧固定卷扬机作电气同步启升控制。防撞警戒装置在同步允许范围内可以进行单、双边点动操作。

3.4 保护及闭锁

由于船舶通航密度日益增长，船闸安全运行问题不仅涉及到个体的人身财产安全，还将涉及到社会稳定。船闸控制系统的设计，应在多层面上保证人身及设备运行安全。

（1）设置人字门的开终极限保护、关终极限保护、水平及合拢位置保护。

（2）设置输水阀门的开终极限保护、关终极限保护。

（3）设置防撞警戒装置上下极限保护、启闭机过载欠载保护、两侧高差越限保护。

（4）设置闸室过量超灌、超泄的开门保护。当人字门两侧出现反向水头大于限值时，闸门应作开门保护，避免启闭机和闸门承受过大的反向荷载。但当人字门两侧正向水位差超过允许值时不能开启闸门。

（5）设置上下闸首人字门、阀门、下闸首人字门防撞警戒装置之间的联锁控制，以确保上、下闸首的工作闸门、阀门不能同时开启，禁止“开通闸”。设置人字门锁定钩与人字门闭门运行联锁控制。各闭锁逻辑必须在电气接线回路和软件网络中同时实现。

（6）設置关闭充、泄水阀门及停止人字门运行的独立的继电器硬布线逻辑控制回路，无论在何种状态下，输水阀门都应能无条件关闭。当船闸运行出现紧急事故时，可在外部命令作用下和在现地控制柜上操作动水中应急关闭充、泄水阀门及停止人字门运行。

（7）液压系统具备油路过压、失压、滤油器堵塞及油温保护功能。液压系统配备应急操作器，在电气控制系统损坏的情况下，可完成紧急手动启闭人字门和输水阀门的操作。但考虑到电气控制系统可靠性较高，且手动完成船只过坝的工作量太大，因此紧急手动功能不考虑完整的过坝控制过程，仅考虑在紧急情况下保护关门的情况。而且西津船闸为双线船闸，当其中有一线船闸故障时，可由另一线船闸通航过坝。

（8）控制系统具备软硬件自诊断、软硬件自恢复、掉电保护和冗余热备保护功能。动力系统具备电源短路、断相保护、电机过流、过载保护、防雷保护等常规电气量保护功能。

4 结语

西津水利枢纽的一线船闸和二线船闸分属不同的管理运行单位，且建设投运时间跨度大，过闸能力、自动化水平、定员编制、运行习惯均有不同程度的差异。

二线船闸工程建成后，西津水利枢纽两线船闸将一同接受远方调度中心的统一运行、统一管理和统一调度，并实现了与同流域航运枢纽的信息交互、协同运行和流量管理，打通了西江航运上游段的“瓶颈”。船闸联合调度及控制系统的成功实施将作为两线船闸高效协同运行的必要基础，成为保证船舶安全、高效、有序通航的技术手段，同时也为今后通航工程提供有益的经验借鉴。

参考文献：

[1]熊绍钧，魏文炜，史 兵，等.三峡永久船闸人字门和闸门启闭机液压控制系统研究与设计[J].水力发电，2008，34（12）：66-68.

[2]张兰芳，陆 峰，雷 兴.西津水利枢纽一、二线船闸轴线间距研究[J].西部交通科技，2018（4）：191-195.