摘要：本船闸控制系统采用了基于施耐德 Modicon M580 ePAC结构的远程I/O系统。PLC系统主机与远程I/O之间采用与PLC系统相适应的专用光纤双环网连接。PLC由主机架、远程I/O机架、电源模块、CPU模块、I/O模块、存储器、网络接口模块等配置。船闸现地单元通信采用Ethernet TCP/IP标准协议，采用光纤介质通讯接口。船闸控制系统PLC提供2个光纤数字通信接口，用于与船闸主控级计算机监控系统进行通信，通信采用以太网技术，通信介质采用光缆。并遵循“安全、可靠、实用、先进”的原则进行系统设计， 实现对船闸液压启闭机闸门操作主设备的采集、监视和控制的功能，使能完成交互监控功能，设备的实时状态和运行参数示，报警、事故记录和运行报表的显示，报表和报警记录的打印等。
关键词：远程I/O;数据采集;人机接口;通讯功能;自诊断;故障监视
1.概述
孟洲坝船闸为孟洲坝水利枢纽的组成部分，新建的孟洲坝二线船闸规模为220×23×4.5（m）（闸室长×口门宽×槛上最小水深），为III级通航建筑物，设计最大船型为1000吨级船舶。孟洲坝船闸上下左、右两侧的液压启闭机房各设1套液压泵站，分别用于闸首本侧人字闸门和输水阀门的启闭运行。船闸监控系统主要通过对船闸上、下游闸阀门实现控制，保证船只安全、快速通航。整个船闸管控系统采用集中控制。通过对船闸的机电设备、控制设备、网络设备等监控，实现船闸运行的自动化、信息化的控制和管理。
每套泵站设置两台互为备用的电动机-泵组及1套主现地控制站+从控制站组成，每套现地控制站均由1个动力柜和1个控制柜、液压启闭机控制采用PLC进行控制，PLC系统主机为双机热备型，PLC系统主机与远程I/O之间采用与PLC系统相适应的专用光纤双环网连接。PLC主机架、远程I/O机架、电源模块、CPU模块、I/O模块、存储器、网络接口模块等配置，构成主从站形式。船闸现地单元通信采用Ethernet TCP/IP标准协议，采用光纤介质通讯接口。船闸控制系统PLC提供2个光纤数字通信接口，用于与船闸主控级计算机监控系统进行通信，通信采用以太网技术，通信介质采用光缆。
每套现地控制设备均采用可编程序控制器（PLC）和触摸屏作为主要控制装置，另备一套常规继电器简单控制线路作为故障时的应急操作。对于重要闭锁控制信号采用硬连接方式和网上通信方式传输。系统按照船闸上行、下行的流程，采集现场闸、阀门开度和位置信息、水位测量数据以及上、下闸首安全互锁信息，控制开启/关闭流程内相应闸门、阀门及相关交通信号灯等。并能够将闸门、阀门的动作、位置信号通过监控系统上传至集中控制层。
2.控制系统方案
孟洲坝船闸启闭机控制系统可分为部分，一部分为主站，一部分为从站，控制系统主站由1套主控PLC，1套PLC的远程I/O 模块、直流电源2台、中间继电器、备用电源回路、接线端子等。同时对于闭锁信号还采用I/O点硬连接。柜面布置有指示灯、操作开关、按钮、15寸触摸屏等。从站由1套PLC的远程I/O 模块、直流电源2台、中间继电器、备用电源回路、接线端子等。同时对于闭锁信号还采用I/O点硬连接。柜面布置有指示灯、操作开关、按钮等。系统网络结构示意图见图1。主控PLC选用施耐德公司的昆腾＋ePAC，借助更先进的处理器芯片和开放的以太网技术，将优秀的处理器功能、冗余I/O 网络连接功能以及冗余同步功能完美的整合集成到一个昆腾+ 处理器模块中，最大程度上保障异常故障发生后的无扰平稳切换。采用成熟的高性能X80 I/O 平台最大程度的确保了系统每个组成模块的可靠稳定性。通过可选择的同步接口模块设计，使用不同的同步介质 ( 电缆或光纤) 来实现高达1Gbps 的同步数据传递。而可插拔设计，也为客户使用维护带来更多的益处。提供最高可达4GB 的同步数据存储区，让大数据需求越来越高的控制应用需求得到完美保障。
上位机通过操作站实现对PLC控制屏的控制操作，同时实时对船闸主站及从站的运行状态进行监控。当上位机监控系统故障时，可利用现地PLC自动控制实现控制操作。当PLC自动控制因故退出运行时，由现地手动常规继电器逻辑控制操作与远程通讯。
图1孟洲坝船闸启闭机控制系统网络结构示意图
3.功能设计
系统采用Modicon M580为主控元件控制，设有“集控/现地/检修”三种操作控制方式，且各种操作方式之间相互闭锁，每次只能使用一种方式操作运行。三种操作控制方式的控制权限优先级从高到低依次为“检修”、“现地”、“集控”。正常情况下，一般采用“集控”操作控制方式。
在集中控制方式下，现地站接受集控指令，对现地的闭锁和限位等保护条件进行判断，严格执行集控指令，并将控制过程和运行状态通过系统通信网络上送集中监控站并显示。在集中控制方式下， 现地站的“紧急停机”和“紧急关阀”操作指令仍然有效。
在现地控制方式下，现地站接受现地控制指令，对现地的闭锁和限位等保护条件进行判断后，执行现地操作指令，并反馈运行状态。
检修控制方式下，在满足闭锁条件、不影响系统安全、符合船闸检修工艺的前提下，操作人员可通过现地人机界面，控制现场设备和器件单独运行或得电，以达到对局部设备和线路检修的目的。
3.1现地站的控制功能
现地站设有“本侧/双侧/对侧”选择开关，可根据实际需要选择操作对象为本侧、双侧或对侧运行，既可单独控制本侧的闸门、阀门运行，也可控制双侧或单独控制对侧的闸门、阀门运行。各种选择操作对象之间具有必要的相互闭锁功能。
各闸首现地站具有对本侧和对侧的人字门、充水（泄水）阀门进行选择操作的控制功能。
现地站具有充水（泄水）阀门“单边/双边”输水的操作切换功能，在单侧充水（泄水）阀门故障检修的情况下，能控制另一侧输水阀门单边运行，保证船闸通航。
现地站设置必要的操作功能按钮和开关（包括开门、关门、开阀、关阀、锁定、解锁、暂停、停机、急停和各种控制方式转换开关等）进行设备运转的正常和应急操作。按钮和开关可选择带指示灯结构，控制台、柜、箱上应设有各种设备工作状态和故障报警显示器，以简洁、明确的方式指示设备的运行状况。
每一现地站均能根据各现地设备之间的闭锁条件，独立操作相应的单、双边人字闸门、充水（泄水）阀门，并能通过集控系统网络接受集中监控站的控制命令控制闸、阀门的启闭运行，实现船舶过闸过程的自动程序控制。
通过PLC程序控制，同一闸首的两扇人字门开关门运行速度在比例泵调节下基本相同，按照闸门启闭V-T曲线运行。在关闭运行时，在接近关终位置设置同步等待位，使得人字门能顺利进入人字门导卡，两扇人字门准确地在规定的关终位置上停止。人字门关终时允许两扇门叶斜接柱处留有约15mm的间隙，此间隙在充泄水过程中在水头作用下合拢。
根据过闸控制程序，发出船舶进出闸室的通航信号。
各现地控制站与集控站、现地控制站与现地控制站之间均可通过系统网络实现数据共享。并在闸门开启运行前通过信号灯发出警铃预告信号。
3.2闸门及阀门的同步控制功能
3.1.1人字闸门启闭机的液压控制系统中，由PLC控制电比例泵达到无级变速。在油缸内安装有位移传感器，用以检测油缸活塞杆运行位置，通过PLC控制油泵的排油量，以达到两扇闸门的同步到位。
3.1.2阀门启闭机的液压控制系统中，由PLC控制电比例泵实现变速，阀门开启以输水系统灌、泄水的要求变速。阀门平水关闭时，采用差动回路。在油缸内安装有位移传感器，用以随时观察阀门在水下的运行情况，并通过PLC控制油泵的排油量，以达到两扇阀门的同步。
3.3保护和报警功能
上、下闸首人字门之间，充水（泄水）阀门之间，人字门与阀门之间的联锁保护和控制，以确保上、下闸首的人字门、充水（泄水）阀门不同时开启。各闭锁信号必须用电缆硬连接和网络同时传递。任何状态下，充、泄水阀门均应能无条件关闭。
人字门前后平压开启保护（当正向水位差超过允许值时不能开启）。
人字门、充水（泄水）阀门开终、关终极限保护。
人字门合拢位置检测及保护。
具有避免产生过量的超灌、超泄的保护控制和具有超灌、超泄的开门保护控制。
液压泵站油路过压、失压、滤油器堵塞及油温过高、过低保护。
控制系统自诊断报警及保护。
除以上保护控制功能外，还设置有常规电气保护。如电源的短路、断相、电机过流、过载保护、失压等保护功能
现地控制站应设置关闭充、泄水阀门和停止人字门运行的独立的继电器控制回路。需要时，可在外部命令作用下和在盘柜上的操作应急关闭充、泄水阀门及停止人字门运行。
误动作保护功能，各操作方式之间有互锁，人字门、充水（泄水）阀门之间有符合船闸运行的闭锁，所有违反船闸工艺流程和操作规程的操作均无效。
液压系统的监测保护，包括液压系统压力、油温、油位、过滤器等。
3.4信息采集功能
每个现地站采集如下信息(数据)。
人字门、充水（泄水）阀门开度数据。
人字门、充水（泄水）阀门开终、关终位置信号。
人字门合拢位置信号。
闸、阀门之间的闭锁信号。
液压泵站油路过压、失压、滤油器堵塞及油温过高、过低检测信号。
上闸首上、下游侧和下闸首上、下游侧水位信息。
电机运行状态信号。
各油缸开度信号及极限位置信号。
液压系统油温、油压和油位、滤油器堵塞、超压、失压、电磁阀动作不正常等保护信号。
在设备运行过程中出现故障及系统异常等情况，系统将报警（声、光及报警接点输出），将故障信号通过通讯方式上送闸门集控；当故障解除消失后，相应的故障指示灯灭。
3.5自诊断功能
PLC控制单元可诊断出CPU、I/O模块、接口和块故障，也对主要电源进行监视；一旦发生故障，自动闭锁控制出口，进行现地报警，并将故障信息上送中央控制单元。
3.6控制系统保护功能
各回路均有独立于控制系统的短路、过载等继电保护功能，并附有完善的故障报警显示。
当 PLC故障或程序运行出错时，可转换控制模式，由独立于自控系统的继电器回路控制泵站启停和闸、阀门的启闭。
控制柜上设红色蘑菇头型自锁式紧急停机按钮，紧急状态下，按压此按钮停止系统的全部运行状态，并声、光报警提示。
3.7运行状态监控功能
主要的状态信息和报警信息由控制柜面板指示灯显示：
控制电源工作状态、油泵电机工作状态、闸门全开、全关位状态、水位齐平信号等指示；
PLC故障报警、系统压力报警、滤油器报警、油箱液位报警、电动机回路故障报警等指示。
其他报警细目和闸门开度、系统压力等由液晶显示屏显示。
3.8远程通信功能
具有与计算机监控系统的通信功能，以开关量和通讯两种方式与计算机监控系统通信，及时发送现地工作状态以及故障信息；实现远程监视及控制，接受计算机监控系统发来的控制命令，并将执行情况反送到计算机监控系统。
4.结束语
该设计已在孟洲坝船闸项目中应用，证明性能优良、质量可靠，完全满足船闸通航的控制、监测和通讯要求，具有很高的性能价格比。
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论文作者:周丹丹,魏小星
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/4/22
标签：现地论文; 船闸论文; 阀门论文; 操作论文; 闸门论文; 人字论文; 系统论文; 《电力设备》2018年第31期论文;