一种船闸全自动控制系统的研究

一种船闸全自动控制系统的研究
发布时间：2022-09-28T08:11:36.137Z 来源：《福光技术》2022年20期作者：胡志伟[导读] 金盘子航电枢纽船闸是用以保证船舶顺利通过航道上集中水位落差的厢形水工建筑物，是在水位集中跌落的情况下，用以保证通航。

四川渠江金盘子航电开发有限公司
摘要：金盘子航电枢纽船闸是用以保证船舶顺利通过航道上集中水位落差的厢形水工建筑物，是在水位集中跌落的情况下，用以保证通航。

而船闸自动化控制系统正是其心脏，其控制系统运行状态决定了其通航效率。

传统的船闸控制系统控制稳定性差、可扩展性差、智能程度差。

因此，本研究项目拟采用新设备、新技术研究一种全新的船闸全流程的自动控制方式，以解决通航效率及人工成本等问题。

关键词：船闸控制系统组态设计全自动控制远程控制智能化监管
1 金盘子航电枢纽船闸控系统概况
1.1 船闸控制系统基本概况
金盘子航电枢纽船闸控制系统是由常州海通电子设备厂设计、安装，于2004年投入运行，至今已投运18年。

控制方式采用现地控制（即：现地手动和现地半自动两种方式，且均在一个控制室），其中核心控制元件为老款三菱FX2N系列PLC。

由于投产时间长，部分元件超过使用年限，设备老化严重、安装设计缺陷等问题较为明显。

1.2 船闸控制系统存在的问题
1.2.1电气元件老化，控制线路老化，部分电缆线路老化，船闸自动控制操作流程故障。

1.2.2控制方式落后：一是通过集控台进行半自控，二是通过电气控制柜进行纯手动操作，在操作上步骤多、用人多且繁琐。

不符合现代无人值守与少人值守控制方式。

1.2.3无常用接口：无常用的485接口、RJ45接口（网口）、光口、模拟量输入输出接口。

1.2.4元件老化：现重要元器件有三菱PLC-FX2n-128MR、输水门和人字门位移传感器与位移显示器，平压传感器与显示器、电磁阀、压力传感器与显示器等。

并且这些元器件停产，更新换代的新产品无法与现有系统匹配。

因重要元器件无法发挥其应有功能，导致系统存在较大安全隐患。

综上所述，重新研究设计一套新船闸控制系统是有必要的，既能确保船闸24小时不间断安全运行，又能提高运行效率。

2新控制系统研究方向
2.1 技术要求
系统改造后的自动过闸系统、操作员站与集控LCU等单元之间采用以太网连接。

控制权分为智能控制、计算机远方、控制台集控、现地控制，控制可以进行切换。

监控系统将保证在进行控制权切换时闸门运行无扰动。

监控系统应简单可靠，高度冗余，操作灵活，维护方便；系统应实施性好，抗干扰能力强；人机接口功能强，操作方便。

在保证整个系统可靠性、实用性和实时性的前提下，体现先进性。

系统配置和设备选型应符合计算机发展迅速的特点，充分利用计算机领域的先进技术，使系统达到当代的先进水平。

系统软件应适合开放系统环境下运行，并具有成熟的运行经验。

系统应采用分布式数据库，用户界面及网络接口均应符合开放系统有关标准。

并满足或高于如下规范要求：
《船闸电气设计规范》
《操作系统标准》 GB23128
《动态流量、流速标准装置校验方法》 SL/T232-1999《水利水电工程通信设计技术规程》DL/T5080-1997《工业控制计算机系统验收大纲》JB/T5234
《软件质量保证设计标准》730.1-IEEE
《中国电力部水电厂计算机监控系统基本技术》DL/T578
《光纤数字传输——对用户和厂商的要求》ANSI/EIATSB-19
《电气安装工程电缆线路施工及验收规范》GB50168
2.2 研究思路
本次研究主要针对LCU控制屏、自动过闸系统、计算机控制系统，将原有的控制柜、集控台拆除，更换为LCU控制屏，增设前端自动感应系统、计算机控制系统与网络，利用无线技术与计算机控制系统进行信息交互。

利用高性能PLC来采集前端感知系统、上下游人字门、冲水闸门的开度信息，同时采集闸室上下游的水位信号，通过核心交换机实现控制信息的上传下达与交互。

在控制室放置3工位金属操作台1套，用于放置操作员站。

在智能操作无法完成时，可由操作员站对船闸进线自动化控制。

3 方案研究
3.1 控制系统结构研究
本次研究要结合现场机械与水工实际情况开展，老系统设计分左右岸两个泵房，集控台分别控制各泵房的电机，对上下游人字门和输水门进行控制，所有基础设施不变。

本次也采用单台PLC进行左右岸电机的控制方式来实现所有功能。

系统控制结构如图1所示。

3.2 前端感知系统研究
现场的过闸流程非常繁琐，每次过闸船员都要携带船舶检验证书，身份证等材料上岸审查。

然而船闸引航道距离控制室登记处距离又较远。

整个过程就是“下船—上岸—控制室审查—回船”就审查这一步就要耗时30分钟以上，过一闸更是需要2小时以上，整个过程非常耗时耗力。

根据以上信息需要研究一套新智能感知系统，来取代现在登记耗时耗力的困难。

随着ETC和智能停车库系统的普及，在不需要做任何滞留登记，就能直接通过，十分方便快捷，更是一种发展趋势。

但水上交通不同于高速公路与车库，所以需要研究新型智能水上感知系统，才能优化船舶过闸流程和过闸速度。

感知系统结构如图2所示：
3.2.1用户手册
船员首次通过时需携带船舶检验证书等材料上岸审核，在船闸工作人员的指导下在手机上完成APP下载、注册、开通绑定网银或者其他支付等程序。

从此以后，就不需上岸远程办理过闸手续，缩短船舶过闸时间，降低过闸成本，减轻船员劳动强度，促进水运节能减排，提高船闸智能化监管水平和船闸运行效能。

能大幅提升船闸运行管理、通航效率、以及服务水平。

3.2.2视频船牌识别系统
船牌识别是图像识别技术的一个主要应用方向。

其主要步骤为：利用高清摄像头将船牌从复杂背景中提取出来，然后经过图像预处理、船牌区域定位、字符定位与分割、模板匹配等步骤后，最后得到船只牌号信息并显示到计算机屏幕。

3.2.3船只称重系统
根据用户基础资料和当前水位及船只两侧吃水深度来计算判断。

由于船舶满载、空载存在不确定性，所以需要新手段检测出船只的载重情况，利用激光尺分别安装在引航道两侧六个点位，通过船只的吃水深度得出算数平均值，再通过专门的采集系统核算出船只是空船、轻载、重载、满载，为系统提供收费依据。

3.2.4船位引导系统
船位引导系统的功能是引导和规划船只进入闸室数量。

按照系统基础数据进行计算（每闸最大可载500吨级船闸2艘，300吨级3艘）该系统实时监测和计算。

规范闸室的管理，提高船闸的运行效率。

在每个浮式系船柱方向处安装雷达模块，将数据返回给单片机，单片机经过相应的运算后，即可知道船位的使用情况，并将闸室情况通过LED显示器和手机客户端实时将显示出来。

3.2.5显示系统
显示系统是整个系统的的辅助配件，安装于上下游引航道处，是通过管理软件控制，以中文形式实时显示时间、过闸船号、收费金额、卡上余额等信息。

3.2.6软件及后台支持系统
针对管理软件，界面简洁软件必须具备基本身份识别、临时通行、信息记录、图像摄取、满位显示、信息显示、语音提示、自动收费、船闸确认、图像对比、万能查询功能、统计管理、设备监控与管理、系统设置、脱机、脱网运行。

软件预留通信接口，时时将前端感知系统的结果上传给下一个系统，下一个系统接收到前端感知系统的信号后，自动执行闸门开启、关闭、充水、放水等流程。

3.3 上位机研究
中控室和集控室安装两台工作站，工作站系统内安装工业组态软件系统，通过网络与LCU通信实现计算机对船闸的监控。

船闸控制系统中的中控室控制级称为主控级。

主控级除了迅速可靠、准确有效地完成对各闸门的安全监视、数据采集和处理及控制，还完成对整个系统的运行管理。

上位机采用研华工作站与压控科技组态软件kingview，其主要功能为：①实时数据采集及显示，包括闸室内外实时水位、闸/阀门实时开度.直流稳压电源的电压、电机回路电压及电流、泵站油压状态、液压泵站电磁阀状态等；②动态图形显示船闸运行画面，包括船闸水位曲线图.闸门运行状态图.闸首机房液压泵站运行图和闸首机房电机回路运行图等；③多种控制方式选择，即自动/手动对外通信管理等；④船闸运行过程中的实时数据和历史数据的管理，包括船闸运行及操作、船闸水位、电机电流和故障报警；⑤统计报表管理，包括日报表、月报表、包括历史数据存档等；⑥系统管理，包括操作员操作自动登记、操作员密码管理、系统网络自检；⑦系统故障报警，报警自动记录运行报表生成与打印。

3.4 LCU控制柜研究
LCU控制柜是综合自动化系统，是船闸控制系统关键对象。

常规配置时由PLC、灵活的组网接口、触摸屏人机接口、空气开关，双电源，继电器，接触器、保护元件、软启动、接线端子构成。

主要完成数据采集、数据监控、闸门操控，指令上传和下达，是“四遥”功能的综合体设备。

在设备配置时输入、输出接口的数量在满足闸门运行的需要，并留有20％备用余量（有插件并配线）。

同类I/O插件有互换性。

现地控制单元机架上留有20％以上的I/O插件的备用位置，以便将来的扩展，所有I/O接口（包括备用）端都接到端子排上，接口的绝缘耐压和冲击耐压能力满足。

每套现地控制单元能够接入非电量变送器提供DC24V电源。

PLC的模板具有带电插拔特性。

软、硬件产品采用模块化设计，方便后期功能增加、升级。

当数据、设备异常时，能通过触控屏、电脑、手机APP、手机短信等多种形式报警，便于维护和更换。

3.5 传感器选型研究
闸门开度仪通常采用闸门开度传感器（位移传感器）来进行测量，通过专用测控仪表采集编码器值从而准确的测量出位移量，达到对被测件位移的实时测量与控制的目的，主要有拉绳位移传感器、磁致伸缩位移传感器和静磁栅绝对编码器这三种类型，拉绳位移传感器是通过BEN编码器轴与拉绳联轴器相连再将拉线与带行程测量系统的油缸连接，使编码器与被测轴同步转动，将被测轴的旋转转化为编码器轴的旋转。

拉绳式分外置式和内置式两种，外置式安装简单、价格便宜，但其强度不够高，环境适应能力不够强，容易产生误差，机械机构需要长期维护，难以抗拒人为因素、机械磨损、风力、冰冻、水中漂浮物等影响。

内置式可减少现场安装工作量，提高了环境适应能力，但成本有所增加，且现场维修不便；磁致伸缩位移传感器通过内部非接触式的测控技术检测活动磁环的位置来测量被检测产品的实际位移值。

磁致伸缩式精度高、无磨损，但行程受限，不宜过长（一般只适合5米以内行程），且该类型多为国外品牌，价格较贵，供货周期较长。

静磁栅绝对编码器与位移读码器技术结合，通过安装在闸门启闭机油缸臂上带动静磁栅式闸门开度传感器运动，利用霍尔元器件感应位置磁场来输出与闸位相对应的位置信息，能避免打滑现象和零点漂移问题。

静磁栅源和静磁栅尺之间采用“悬浮” 的无接触运动方式，无机械磨损。

同时，对两者间的相对安装状态（偏移、侧移、倾斜）没有苛刻的要求，但是价格较贵。

为实现功能又能节省投资成本，本次会采用高精度国产拉绳器与博思特Profint传感器相结合。

3.6 网络设计研究
本次全自动控制研究在原有系统基础上进行，实施过程中必然涉及到对原有布局的调整，本次项目欲将船闸集控室内电气控制柜、操作台硬件拆除，保留基座，将工业电视系统调整到新控制台上；上位机与各LCU之间通过光纤和网线交换机有机结合起来，形成整个的网络布局，让整个控制系统在速度和反应有一个质的飞跃，目前还是处于主流选择。

由于系统运行时间较长，新增光纤收发器、交换机等网络设备必须选用工业级设备，且网络设备吞吐量必须为1000M以上，以此提高数据传输能力。

3.7 系统控制逻辑研究
3.7.1船闸运行控制部分
船闸运行控制分为自动控制、集控和手动控制三种，自动控制集制是在监控中心实现的程序运行，手动控制是指操作人员脱离PLC的手动应急操作，是在调试和紧急情况时使用。

正常单向过闸流程如图3所示。

图3 正常单向过闸流程
3.7.2自动控制流程
图4 自动过闸流程
3.8 软件及程序研究
本项目组态基于kingview软件与McgsPro组态软件设计，系统界面提供相应子系统操作界面，操作者根据需要进行相应操作，比如：船闸监控、实时报警、报警查询、登录查询等。

船闸监控管理模块内设计包含手动、上行自动、下行自动控制功能等。

本项目控制程序设计采用博图软件对1500PLC进行程序设计，程序逻辑就按照图4进行设计，通过IO模块和模拟量采集模块完成系统的控制与采集任务。

通过上位机及触控屏友好组态画面完成对现场设备及其元件的控制和数据监视，完成整个系统控制与信号采集任务。

3.9全流程自动过闸系统验证
本项目设计阶段完成后，对整个系统进行联合调试，首先对各传感器测试正常，对上下人字门进行启闭试验，再分别对上下输水门进行启闭试验，通过试运行观察硬件运行情况与机械的配合度。

最后，进行系统统一调试，模拟过闸，检测系统设备的可靠性。

4 全自动控制系统研究的优点
4.1 无需工作人员现场检查、指挥；
4.2 可对船闸的状态实时监测；
4.3 可实现船舶过闸的自动控制和远程控制；
4.4 能缩短船舶过闸时间，降低过闸成本，减轻船员劳动强度，促进水运节能减排；
4.5 能提高船闸智能化监管水平和船闸运行效能，具有可推广性。

4.6 改造费用低。

预计改造费用仅为全部更换的40%左右；
4.7 改造工期短。

由于改造过程不设计机械与水工部分，整个现场改造、调试周期在15天左右，方便对已投运电站的检修时间安排，减少对运行的影响。

5 结束语
本文研究的船闸全自动控制系统在金盘子航电枢纽船闸改造工程中得到了应用，实践证明该研究是可行的。

在自动过闸的基础上，做到了现场少人值守或无人值守，使船舶过闸更加高效智能。

为今后那些老小型水电厂进行船闸控制系统改造起到参考作用。

参考文献：
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