基于传统船闸监控系统功能结构的优化设计

（中水三立数据技术股份有限公司 合肥 230031）

1 引言

船闸，是“通航建筑物”的一种。在天然河流中，由于调节流量、渠化通航以及在运河上因地形条件及水面坡度的限制，必须具有阶梯形的纵断面形成集中水面落差。所以必须借助专门的通航建筑物使船舶直接通过落差。现代通航建筑物应用最多的是船闸。

船闸利用向两端有闸门控制的航道内灌、泄水，以升降水位，使船舶能克服航道上的集中水位落差的厢形通航建筑物，又称“厢船闸”，由闸室、闸首、闸门、引航道及相应设备组成。

本文介绍了某流域船闸的计算机监控系统功能结构，并从系统结构、自动控制流程、辅助运行几方面进行了详细的设计优化论述，并分析总结了优化设计在实际应用中的效果分析。

2 船闸计算机监控系统功能结构

2.1 系统结构与组成

船闸的控制运行以集中控制为主、现场控制为辅的控制方式，集中控制采用计算机监控，其采用开放式全分布系统结构，分设主控级和现地单元控制级。主控级由两套操作员工作站以及外围设备等组成，现地单元控制级由可编程控制器PLC 和触摸屏构成，在船闸上闸首和下闸首现场分别设置一套现地控制单元，主控级与现地单元控制级之间采用以太网连接。

船闸控制系统采用计算机集散控制系统结构，其上位机一般由船闸监控中心的监控主机、数据库服务器、打印机等共同组成，实现对船闸的集中控制、数据管理、统计报表及打印等功能。

2.2 管理模式结构

船闸控制管理模式结构分为三个层次：现地设备层、现地分散控制层、集中控制层。

现地设备层：为船闸上、下闸首机房室内、室外的机电设备。主要包括：电动机、液压泵站、水位计、闸/阀门开度仪、限位开关、交通信号灯以及室外照明灯具等设备。

现地分散控制层：为船闸上、下闸首机房内的控制及显示设备。主要包括：PLC 及远程IO 站、现地控制操作台、现地监控主机、电机控制柜等。现地控制层主要用于船闸闸首机房监控设备的调试、维护，当船闸监控中心设备或控制系统网络发生故障时，用于现地分散控制操作闸、阀门，确保船闸运行安全畅通。

集中控制层：由船闸监控中心监控主机、数据库服务器及打印机等组成，实现船闸的集中控制、协调管理。同时对船闸的运行情况、控制操作情况及故障情况进行数据管理，形成日、月、年报表。

2.3 运行控制方式

控制方式分为远方集中/现地分散、自动/手动、程控/应急相结合；控制类型分为自动、单项、点动三种，其中点动控制用于设备维修和调试。在进行系统软件开发时，系统控制方式需征求船闸管理使用单位意见，可做适当调整。

当船闸运行时，集中控制系统可在监控中心实现集控自动运行和集控手动运行。集控自动运行时，集控PLC 通过采集、判断整个船闸的运行状态，根据自动过闸运行工艺，自动控制上、下闸首闸/阀门的运行，实现连续过闸运行。

例子2：2011年3月20日，14∶19∶00～14∶21∶00（两个小地震）。日本气象厅地震预警系统在检测到初至P波之后6.6s估计出震级为7.6，并向公众发布了预警（见数据与来源一节）。然而，观测到的最大地震烈度仅为3度。同样，如表1所示，这一高估或许可归因于将在5s以内发生的相距约150km的2个小地震（日本气象厅震级分别为3.0和4.7）错误地当成了一个大地震，因为第二个地震发生的时间与第一个地震波至的时间非常接近。

停机、急停、强落阀等操作作为紧急情况下的保护措施，具有较高的操作权限等级，为保护系统和过闸船只安全运行，程序运行过程中的任何时刻都可以进行停机、急停等操作。停机时，控制系统暂时停止运动，但控制指令继续保持，待停机恢复后，继续运行。

3 功能结构优化设计

基于常规传统船闸的系统结构和基本控制流程，通过分析当前流域船闸既有实际情况，对船闸的功能结构进行一定的调整和优化，主要有：系统冗余结构优化、视频自动联动、数字IP 广播应用以及对应自动控制流程优化，增加界限灯、中心线灯、KVM 坐席管理系统，并对室外照明设备和控制进行优化调整。

3.1 系统结构优化

常规船闸系统一般包含计算机监控系统、视频监视系统、供配电及电力监控系统等。

冗余结构：对于计算机监控系统，通常上下闸首各配置一套主PLC 和远程IO 子站，动力柜同自控柜分开组柜，相互可以独立使用。此结构原考虑在自动系统有问题或一侧有问题时，船闸系统可以继续使用，但从以往类似项目实际运行过程中发现，随着自控电子设备的发展，可靠性增强，另现场液压设备自动程度依赖性高，但系统不能正常自动运行时，一般都会优先排除故障再使用，最多会用一下纯手动操作，一般半自动很少使用，基于此种考虑，在该流域船闸项目中，因其水位落差大，液压系统复杂，自动化使用度高等特点，设计使用一个主冗余PLC 并带四个分远程冗余总线IO 站，以达到集中自动控制，并在网络和主PLC 上提高安全可靠性，并将动力柜同远程IO 站合并，提供应急手动控制模式。

视频自动联动：传统的视频监视系统同计算机监控系统是独立分开的应用，在进行监控操作时，如期望看到当前操作对象现场图像情况，需另外单独操作视频工作站系统。为方便运行管理，同时结合实际应用，选用带预置点的摄像机，PLC 控制闸门对象时，将控制信号同步发送到视频控制器上，在大屏幕或显示器上，根据操作的不同自动显示现场视频，让操作人员可以直观了解设备执行情况。

数字IP 广播：一般船闸应用模拟广播系统，主要在上、下闸首室内、室外布设广播喇叭，联接到语音功放上，操作人员通过话筒进行喊话播放；此种方式简单，但使用时容易对周边百姓产生影响，不能灵活使用，一播上下都能听到；设计使用数字IP 广播，可以同上位机组态软件系统进行联动，当进行闸门操作前，自动播放语音提示；并通过数字分区，当进行上游操作时，只有上游广播播放，可以对每个喇叭进行独立控制。

3.2 自动控制流程优化

船闸的使用是个循环过程，主要分上行和下行，其自动控制流程按操作对象性质的不同一般分八步，上、下行各四步。

上行程序：即下游过闸船舶从船闸下游通过闸室向船闸上游运行的程序。船闸运行上行程序前的状态为：下闸首人字式闸门处于开终位，上闸首人字式闸门处于关终位，上、下闸首阀门处于关终位。上行控制步骤：上行船舶进闸、关下游闸门、开上游阀门、开上游闸门（同时关上游阀门）。

下行程序：即上游过闸船舶从船闸上游通过闸室向船闸下游运行的程序。船闸运行下行程序前的状态为：上闸首人字式闸门处于开终位，下闸首人字式闸门处于关终位，上、下闸首阀门处于关终位。下行控制步骤：下行船舶进闸、关上游闸门、开下游阀门、开下游闸门（同时关下游阀门）。

上、下行程序结束，自动进入对应下、上行程序。

在进行闸阀门操作时，上、下游和闸室上、下侧都安装有交通灯，为减少使用人员的操作步骤，防止误操作，在上、下行操作程序中将交通灯的控制同八步控制工艺自动关联，当满足条件时自动进行红绿变换，使整个船闸控制流程只需要运行人员进行关闸门操作，其他过程和动作由程序自动完成。

配合系统结构的优化，在下位PLC 控制程序中，同视频控制器进行联动，当进行操作闸阀门时，同时去联动控制对应位置的视频显示；在上位机控制程序中，当船闸控制流程自动运行到对船民有影响的步骤时，通过数据IP 广播系统自动联动播放安全提示语音。

3.3 辅助运行优化

为保证船闸的安全运行，及时提示和提醒船舶注意安全，对一些辅助系统进行优化设计。

界限灯：在上下闸首安全边界处安装红外界线灯，提示船舶进入闸室后的安全位置，以避免闸阀门操作对其造成安全影响。

闸室中心线灯：在一些天气对视线有影响的情况下，提示船民前进的闸室中心位置，以避免冲撞闸门。

KVM 坐席协作管理系统：将工作站、服务器等设备从操作控制台中移入机房机柜中，通过坐席协作管理系统，人机分离，数据全适应场景，所操及所见，实现一人多机操作，多终端一套鼠标键盘跨坐席显示屏无缝即时操作。

室外照明：设计选型可调节灯具，根据当前室外环境，以及闸室水面安全照度要求，自动调节灯具亮度，即满足安全使用要求，同时也达到节能效果。

4 应用分析总结

本文对船闸应用的分析和优化主要针对某流域液压船闸，对系统结构、控制流程和辅助运行的优化都基于其实际需求和现场情况而定；根据不同类型的船闸，使用的设备不同，船闸闸阀形式的不同，甚至需考虑使用操作人员技术能力和使用习惯等综合情况进行设计优化，而不能仅仅是照搬新技术、新应用，反而起不到好的效果，达不到设计优化的目的■