长洲三四线船闸控制系统方案设计

肖湘婷

[摘    要]长洲三、四线船闸是整个西南水运重要的运输通道，主要利用互灌互泄形式的双线省水船闸，来确保整个水运的正常运行。以长洲三、四线船闸可靠性特殊控制工艺为基础，对其控制系统方案进行深入研究，来进一步分析过闸流程和控制对象，设计两套船闸控制网络结构方案，使用专业方式得到一套满足长洲三、四线船闸要求的控制系统方案，给船闸控制系统设计提出一种全新的方向，为船闸后期健康运行打下坚实基础。

[关键词]长洲三四线枢纽;省水船闸;可编程式逻辑控制器;沉余控制系统

[中图分类号]TM73 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）05–00–03

Design of Third and Forth Line Lock Control in Changzhou

Xiao Xiang-ting

[Abstract]Changzhou third and fourth line locks is an important transportation channel for the whole southwest water transport. It mainly uses the double-line water lock in the form of mutual irrigation and drainage to ensure the normal operation of the whole water transport.This paper is based on the Changzhou three and four line lock reliability special control process， the control system scheme， to further analyze the lock process and control object， design two sets of lock control network structure， using professional way to meet the requirements of three and four line lock control system scheme， put forward a new direction， for the lock later healthy operation lay a solid foundation.

[Keywords]changzhou third and fourth line hub; provincial water lock; programmable logic controller; sink control system

长洲水利枢纽坐落在西江河段上游，是整个西江流域最重要环节，而三、四线船闸作为控制整个水上流域正常运行的工具，对船闸而言具有至关重要的作用。尤其在信息化時代背景下，对船闸作用提出更高要求，传统船闸功能已无法满足水上需求[1]，为此那吉船闸应运而生，其通过能力超过1.36亿t，是通过能力最高的内河船闸。长洲三、四线船闸的控制系统设计具有较强的特殊性，其控制系统与普通船闸具有一定差异性，在2007年长洲一、二线船闸就实现双线通航，预期通过能力在3 920万t，在后面一年时间里船闸实际通过运量达到3 626万t，满足船闸设计能力的92%。随着能力逐渐提高，出现严重的瓶颈效果。长洲一、二线船闸自从正式建设以来，由于受到发电、调水等方面因素影响，出现大量滞航、堵船等问题，而长洲船闸身处西南水运最重要的运输渠道，其内河运输量只低于长江，且船舶密度较大，对通航效率和可靠性提出更高要求[2]。本文以长洲三、四线船闸可靠性特殊控制工艺为基础，对其控制系统方案进行深入研究，来进一步分析过闸流程和控制对象，设计两套船闸控制网络结构方案，使用专业方式得到一套满足长洲三、四线船闸要求的控制系统方案，给船闸控制系统设计提出一种全新的方向，为船闸后期健康运行打下坚实基础。

1 长洲四线上闸首防夹船技术

1.1 实现原理

安装在四线上闸首闸室内的摄像头和闸室外的摄像头检测人字门区域内是否有运动物体进出，信号输入至PLC，PLC根据摄像头的信号判别是否有船经过人字门区域。安装在四线上闸首闸室内的雷达，通过检测区域内是否有运动物体进出，然后通过以太网将数据送至PLC，PLC根据雷达传来的信号判别是否有船经过人字门区域。

1.2 摄像头数据在PLC上的读取

摄像头发送的告警信号直接通过硬接线接入PLC的DI模块中。在PLC中，程序如下：SY_DI2_13（闸室外摄像头信号），SY_DI2_14（闸室内摄像头信号），如图1所示。

1.3 雷达在PLC上的读取

雷达数据是直接通过以太网传送至控制A网上的，雷达的IP地址是192.168.52，所以PLC读取数据的IP地址设置为192.168.52。PLC中，雷达数据的读取设置在四线程序通讯-网络-ETH-1的IO扫描中，设置如下：

①从192.168.52地址读取数据，地址偏移量为256，读取长度为2，读取的第一个数据存入MW500地址中。对应的就是雷达检测到的运动物体数量。②从192.168.52地址读取数据，地址偏移量为848，读取长度为10，读取的第一个数据存入MW510地址中。对应的就是雷达检测到运动目标1的X方向速度。③从192.168.52地址读取数据，地址偏移量为1 024，读取长度为10，读取的第一个数据存入MW520地址中。对应的就是雷达检测到运动目标1的Y方向速度。④从192.168.52地址读取数据，地址偏移量为1 280，读取长度为10，读取的第一个数据存入MW530地址中。对应的就是雷达检测到运动目标1和雷达之间的距离。

1.4 长洲四线上闸首防夹船摄像头

摄像头功能：供调度人员检查现场用，同时输出信号参与控制。摄像头通过运动物体检测输出告警信号，输出信号通过硬接线方式接入PLC，运动物体检测信号的输出设置在摄像头设置页面的smart事件中。摄像头型号：DS-2CD7A25EWD-IZS，常规电源供电。摄像头电源：四线上右控制柜旁小网络柜内上排插座，现场标签可查。摄像头接入交换机：四线上右控制柜旁小网络柜内交换机。现场标签可查。闸室外摄像头IP：10.2.52.74，闸室外摄像头IP：10.2.52.75，摄像头用户名：admin，摄像头密码：czcz123456;摄像头密码安全问题答案：全为1。摄像头告警信号接入PLC DI模块回路：该型号摄像头有告警输出线，告警接口中的接线为橙色接电源，蓝色线接入PLC DI模块。闸室外的摄像头告警信号接入至四线上右控制柜的X4：12端子，通过X4：12接入到四线上右控制柜PLC 的第二块DI输入模块的13号输入孔，替代原先设计的“液位油温度低极限”信号。闸室内的摄像头告警信号接入至四线上右控制柜的X4：13端子，通过X4：13接入到四线上右控制柜PLC的第二块DI输入模块的14号输入孔，替代原先设计的“液位油温度高极限”信号。两个告警信号在PLC程序中的名称为：闸室外和闸室内。

1.5 长洲四线上闸首防夹船雷达

雷达功能：通过检测雷达区域的运动物体来输出信号，输出的信号有详细的列表[3]。雷达型号：该雷达为北京机械工业自动化研究所有限公司委托其他厂家进行研制，无具体型号，该雷达如何实现运动物体识别亦无具体说明。雷达电源：四线上右控制柜旁小网络柜内上排插座，三头电源插口，现场标签可查。雷达信号接入交换机：雷达输出的信号直接通过以太网接入四线上右控制柜内的A网交机，现场标签可查。雷达的IP地址：192.168.81.52;雷达用户名：admin;雷达密码：admin;设置雷达的参数：在网页中输入192.168.81.52，然后输入用户名和密码，进行设置，和摄像头参数设置类似。雷达参数已由厂家固定好，在四线上闸首安装时，未修改任何原始参数。

2 控制系统结构设计

针对长洲三、四线船闸特殊的控制要求和对象，长洲一、二线船闸自从正式建设以来，由于受到发电、调水等方面因素影响，出现大量滞航、堵船等问题，而长洲船闸身处西南水运最重要的运输渠道，其内河运输量只低于长江，且船舶密度较大，对通航效率和可靠性提出更高要求。因此，要利用多层分布式结构控制系统来进行设计。在正常情况下，控制系统主要包括现地控制层、现地设备层、信息管理层、集中控制层四个层次，通过对船闸电机设备、网络设备、控制设备等进行实时控制，进而实现船闸运行的信息化和自动化[4]。

（1）现地设备层。现地设备层主要由船闸上、下闸、输水廊道机房室内等机电设备构成，其所涉及范围较广，如传感器、限位开关、交通信号灯、室外照明灯、液压泵站电机等设备。

（2）集中控制层。集中控制层是由两套IO服务器、监控上位机、网络设备、打印机等构成。其中两套IO服务器都是亢余设备，主要用来提高数据采集的可靠性，这些设备通常设置在三、四线船闸共用的中控室内，主要确保两线船闸作业集中控制、故障报警、上位机组态、照明控制等功能。

（3）统一调度管理。建设统一调度系统是通过建设适合扬州处区域船闸的排挡和调度功能，实现对下辖六座船闸的统一协同管理。充分利用、借鉴已建设系统软件及功能，通过数据接口将各软件系统紧密联系为一体。通过接口获取省航道收费系统软件、便捷过闸APP进行船舶登记缴费，将船舶注册、登记、缴费、过闸的全部信息应在省收费系统和统一调度系统中保持同步和一致，同时通过省航道收费系统获取苏北运河智能过闸系统中船闸过闸数据，不再建设独立直接的数据接口;通过接口将通知推送至省统一信息发布平台进行过闸通知的推送;通过接口获取与船舶信用信息系统、交通部信息共享平台等进行信用数据的交换和发布;通过接口调用省电子航道图系统和定位系统，提供更方便的过闸管理、信息沟通和直观的数据展示。

3 现地控制层PLC组网方案比选

3.1 方案1

方案1是利用一套远程RIO控制柜进行控制，主要目的是對现地设备层不同设备运行进行控制。为确保控制系统网络传输的安全性，且保证数据传输的真实性，3#和4#船闸CPU双机热设备和远程RIO站主要是利用S908双环形网为载体进行通信，而单模光纤作为整个通信的重要工具，向上通过双环形工业是以中控室双热设备进行通信。整个通信方式也是严格遵循工业EtherNet网协议，通信媒介依据利用单模光纤）。

3.2 方案2

为实现运调中心对船闸集中控制，工作人员需掌握远程集中控制系统，从技术层面对下辖船闸自动控制系统、视频监控系统、广播系统、甚高频等系统进行升级改造并集成整合方案，接入运调中心集控系统实现远程集中控制。通过分析方案2可知，现地控制层是以单环网为基础，将光纤利用环网的形式相互连接，采用同轴电缆通信作为主站核心，从而确保长洲双向船闸的三线船闸，所有站点能一一对应。主要的PLC站点和双机亢余热备服务器利用环网进行相互连接，并由工程师进行管理。因此，构建控制层对过闸管理具有非常重要的作用。

3.3 现地控制层PLC组网方案功能对比

3.3.1 功能对比

船闸控制系统功能是利用专业工具对现场电机运行状态、限位保护、液压站状态等输入信号的实时分析，及船闸启闭机的正常工作分析，来加强对船闸功能的保护。在面对长洲三、四线船闸要求，当水位相差超过8m，就要利用双向船闸保障其正常运行。因此，不止要考虑满足基本阀门要求和通航运行，还考虑水位对运行效果的影响。之所以能达到省水的主要原因是两厢闸门同时运行，通过两个不同位置的闸室，让船闸利用连通廊道的方式将下行位闸室的水引流到上行位闸室，达到省水的作用。与普通双线双向运输船闸相比，这种方式增加了平衡两厢闸室水位的环节，合理利用水资源，通过安装了连通阀机房的PLC站，利用大量逻辑编程和保护信号满足船闸的基本流程，实现船闸的控制作用。

3.3.2 可靠性对比

船闸作为水上交通重要工具，与航区水运经济发展具有密切关系。智慧船闸建设不仅能确保资源可持续发展，还能提高水运地区经济增长。通过方案1进行分析，发现其有结构清晰的优势，能明确现场和中控的工作任务，实现集中监视管理、分散控制的重要理念，且单环网能让现场设备具有通信简单、建设费用低廉等优势。通过对上述方案进行分析，确定将此作为实施方案，其最主要原因是由于长洲三、四线船闸在设计的初级阶段，其主要目的是降低平均故障修复时间方面，而控制层作为船闸运行过程中的核心管理环节，对安全性具有至关重要的作用。

4 结束语

随着水运经济不断发展，对于实际通过能力提出了更高要求，船闸成为航区的通航限制，想要突破这一限制，降低交通压力，提高过闸效率，要合理利用智慧船闸的理念，创新过闸管理方式，提高过闸效率。双向互灌互泄省水船闸的控制系统与传统船闸控制系统相比，其具有较强的特殊性，在控制逻辑、现场控制设备等方面具有较强的多样化，需要工作人员结合现场实际情况对两闸之间的输水阀门进行控制，从而确保两闸门能实现平稳运行。通过分析长洲三线、四线船闸，来分析目前省水船闸控制工业和控制系统，发现其所采用的控制层是利用双环网亢余为核心，能有效降低控制系统的运行风险，给未来船闸建设提供丰富的数据资源。经过大量实验证明，长洲三、四线船闸控制系统具有一定可行性，能确保船闸进行连续性作业。

参考文献

[1] 重庆交通大学.船闸等惯性气囊及其灌泄水与充泄气联动控制系统和方法：CN201911327834.2[P].2020.

[2] 董淦煜，楼银海.基于PLC的控制系统在闸门液压自动启闭机上的应用[J].今日自动化，2021（5）：82-83.

[3] 尹会.引江济汉工程西荆河船闸液压启闭机运行故障及思考[J].城镇建设，2021（12）：260.

[4] 颜廷雪.探究船闸PLC电气系统中的故障原因与维护处理技术[J].江苏科技信息，2019，36（13）：58-60.