船閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

【摘 要】結(jié)合蜀山船閘工程實(shí)踐，介紹了船閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)軟件的組成及技術(shù)要求，分析了軟件設(shè)計(jì)的可操作性、可擴(kuò)展性和可修改性，完成了船閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)控制功能的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了船閘管控一體化。

【關(guān)鍵詞】船閘 自動(dòng)化 監(jiān)控系統(tǒng) 控制技術(shù)

蜀山船閘位于余姚境內(nèi)，前身是上世紀(jì)60年代在候青江、最良江、中舜江及郁浪浦建造的四座節(jié)制閘。由于建筑標(biāo)準(zhǔn)較低，年積月累，設(shè)施老化，且沒(méi)有自動(dòng)化控制系統(tǒng)，因而嚴(yán)重影響余姚城市防洪和姚江流域的排澇能力與通航能力，也制約了余姚城市的發(fā)展，因此決定新建蜀山船閘。新建蜀山船閘工程是余姚城市防洪工程的骨干項(xiàng)目，也是杭甬運(yùn)河的組成部分，列為浙江省、寧波市的重點(diǎn)工程。船閘工程規(guī)模為500噸級(jí)（Ⅳ級(jí)航道）船閘、主要建筑物為Ⅲ級(jí)。

隨著內(nèi)河水路貨物運(yùn)輸?shù)男枨蟛粩嘣鲩L(zhǎng)，交通運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量意識(shí)的不斷提高，人們開(kāi)始關(guān)注內(nèi)河水運(yùn)的服務(wù)質(zhì)量、通航的便捷、安全可靠性、運(yùn)輸效率，特別是時(shí)間延誤等問(wèn)題，船閘的自動(dòng)化建設(shè)顯然是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵。

一、船閘自動(dòng)化監(jiān)控軟件

船閘綜合自動(dòng)化系統(tǒng)主要由船閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)、收費(fèi)調(diào)度管理子系統(tǒng)、工業(yè)電視子系統(tǒng)及廣播通訊子系統(tǒng)、交通控制子系統(tǒng)組成。

而船閘自動(dòng)化監(jiān)控軟件系統(tǒng)一般由系統(tǒng)軟件、工具軟件、應(yīng)用軟件組成。

（1）系統(tǒng)軟件包括：a） 操作系統(tǒng)：Windows server 2000；b） 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：TCP/IP；c） 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)：SQL SERVER ，熱備。

（2）工具軟件包括：a） 組態(tài)軟件：組態(tài)王 6.5版；b） PLC編程軟件：STEP S7-300（西門子）；c） 數(shù)據(jù)庫(kù)編程軟件：SQLserver2000；d） 觸摸屏編程軟件：ProTool 6.0。

（3）應(yīng)用軟件包括：a） 現(xiàn)地PLC梯形圖軟件；b） 中控室監(jiān)控及管理軟件；c） 現(xiàn)地觸摸屏操作員應(yīng)用軟件；d） 中控室數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件；e） WEB查詢發(fā)布軟件；f） 上、下閘首TPl70應(yīng)用軟件。

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖1：

二、自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)軟件技術(shù)要求

監(jiān)控系統(tǒng)軟件滿足下列要求：

支持應(yīng)用軟件直接快速存取數(shù)據(jù)，以及對(duì)數(shù)據(jù)的修改、查詢、擴(kuò)充和實(shí)時(shí)處理；保持應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)之間的高度獨(dú)立性，控制數(shù)據(jù)的完整性和統(tǒng)一性；保持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的可靠性，采取措施確保有效的數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中；提供數(shù)據(jù)庫(kù)保護(hù)，以防人為或程序造成不正當(dāng)?shù)男薷模粦?yīng)用軟件中可以使用數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，完成性能監(jiān)視的統(tǒng)計(jì)資料。

動(dòng)態(tài)顯示船閘運(yùn)行狀況，在集中控制室的上位機(jī)顯示器和現(xiàn)地觸摸屏上都有船閘運(yùn)行狀況的動(dòng)態(tài)顯示。

網(wǎng)絡(luò)具有良好的擴(kuò)展性：與上下游遠(yuǎn)調(diào)之間留有接口；與其他船閘之間留有接口；與管理網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)留有接口等。

三、軟件設(shè)計(jì)

軟件配置在不影響系統(tǒng)總體功能的前提下，依據(jù)“危險(xiǎn)分散”原則進(jìn)行分散配置，分站不依賴中央，能完全獨(dú)立地完成對(duì)所屬區(qū)域或設(shè)備實(shí)施控制。軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)具有最簡(jiǎn)易的可操作性、規(guī)模的可擴(kuò)展性、數(shù)據(jù)的可修改性（如圖2所示）。

（一）上位機(jī)軟件

具備監(jiān)測(cè)和管理兩項(xiàng)功能，由運(yùn)行監(jiān)測(cè)、運(yùn)行統(tǒng)計(jì)、WEB發(fā)布等模塊組成，監(jiān)控軟件能使每一個(gè)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)其他所有節(jié)點(diǎn)互相監(jiān)控。

通過(guò)與下位機(jī)PLC的通訊，得到上下閘首的各種有關(guān)參數(shù)，并自動(dòng)跟蹤船閘運(yùn)行過(guò)程。實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前運(yùn)行過(guò)程的有關(guān)參數(shù)，如：閘門開(kāi)度、閥門開(kāi)度、水位的動(dòng)態(tài)模擬數(shù)值顯示、故障內(nèi)容顯示和聲音報(bào)警；上下行標(biāo)志和通航指揮信號(hào)標(biāo)志模擬顯示，程序步運(yùn)行指示；提供船閘總貌圖、分組圖、船閘閘閥門運(yùn)行圖、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)圖（電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)圖如圖3所示）、重要參數(shù)趨勢(shì)圖、運(yùn)行棒圖和報(bào)警的手動(dòng)切換；每次運(yùn)行過(guò)程的上下游水位、通航起始和終止時(shí)間、故障內(nèi)容和故障時(shí)間的自動(dòng)記錄，形成日?qǐng)?bào)表和故障表等。

上位機(jī)顯示器上的圖形顯示、菜單操作等均在漢字環(huán)境下實(shí)現(xiàn)；操作系統(tǒng)采用Windows server 2000，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；采用多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)閘閥門的動(dòng)態(tài)運(yùn)行顯示，使顯示畫面更直觀、形象生動(dòng)。

（二）下位機(jī)軟件

由PLC軟件和觸摸屏軟件構(gòu)成。具備開(kāi)關(guān)量和模擬量采集輸入、控制開(kāi)關(guān)量輸出、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。它由卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)控制模塊、水位采集處理模塊、液壓?jiǎn)㈤]機(jī)控制模塊、人字門控制模塊等模塊組成。上下閘首之間的閉鎖、閘閥門、水位差之間的閉鎖均在下位機(jī)軟件里實(shí)現(xiàn)。

PLC軟件使用IEC1131-3規(guī)定的語(yǔ)言進(jìn)行編程。各可編程控制器的程序是獨(dú)立的，程序結(jié)構(gòu)為模塊式，內(nèi)容包括控制運(yùn)行、檢測(cè)、故障診斷等。可離線模擬與調(diào)試已經(jīng)編好的程序，亦可在線修改。

（三）數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)是監(jiān)控系統(tǒng)軟件的核心部分，是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)和上位機(jī)的控制數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)定義的變量中，對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)、查詢、更新以及數(shù)據(jù)交換、網(wǎng)絡(luò)通信等功能都是建立在數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上。

考慮未來(lái)船閘運(yùn)行期間對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的要求，采用基于網(wǎng)絡(luò)模式的SQL SERVER數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。依據(jù)船閘自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)管理的需要，開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)具備以下基本功能：①有良好的安全維護(hù)性；②方便的數(shù)據(jù)查詢功能；③有密碼限制的數(shù)據(jù)修改功能。

（四）信息查詢系統(tǒng)

采用ASP技術(shù)建立動(dòng)態(tài)交互WEB界面瀏覽的信息查詢系統(tǒng)?；赪EB服務(wù)器和SQL數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，Internet Explore等瀏覽器向WEB服務(wù)器遞交查詢請(qǐng)求（如圖4所示），申請(qǐng)?jiān)L問(wèn)一個(gè)ASP文件，WEB服務(wù)器接受到請(qǐng)求后調(diào)用相應(yīng)的ASP文件度解釋執(zhí)行，用ADO組件通過(guò)ODBC驅(qū)動(dòng)程序訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，再將查詢的結(jié)果返回到用戶端的瀏覽器頁(yè)面（如下圖5所示）。

四、船閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)控制功能的實(shí)現(xiàn)

船閘監(jiān)控系統(tǒng)采取現(xiàn)地手動(dòng)控制運(yùn)行（現(xiàn)地手動(dòng)控制子系統(tǒng)）、現(xiàn)地自動(dòng)控制運(yùn)行（觸摸屏控制子系統(tǒng)）以及集中自動(dòng)控制運(yùn)行（集中控制子系統(tǒng)）三種控制方案。每種運(yùn)行方案均以各個(gè)控制對(duì)象的現(xiàn)地開(kāi)關(guān)柜為起點(diǎn)，但現(xiàn)地手動(dòng)控制子系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)最高，現(xiàn)地自動(dòng)控制子系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)其次，集中控制子系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)最低，且具有互鎖功能。

在船閘監(jiān)控系統(tǒng)操作模塊中設(shè)置了轉(zhuǎn)換操作區(qū)、單步操作區(qū)、聯(lián)動(dòng)操作區(qū)。轉(zhuǎn)換操作區(qū)設(shè)有單步與聯(lián)動(dòng)、上行與下行的轉(zhuǎn)換指令；聯(lián)動(dòng)操作區(qū)設(shè)有進(jìn)閘指令、聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)指令；單步操作區(qū)設(shè)有上、下閘的轉(zhuǎn)換、進(jìn)船、出船、開(kāi)閘、關(guān)閘、開(kāi)閥、關(guān)閥、鎖定、解鎖、停機(jī)、停航指令（如圖6所示）。

運(yùn)用索引技術(shù)和自動(dòng)切換技術(shù)，每步操作都有相應(yīng)提示，一般運(yùn)行人員均可在較短的時(shí)間內(nèi)掌握，使操作人員很靈活地完成操作方式之間的投入、退出或轉(zhuǎn)換。

（一）現(xiàn)地手動(dòng)操作控制

每個(gè)閘首的啟閉機(jī)現(xiàn)地控制柜上，設(shè)有各閘門、閥門開(kāi)門/關(guān)門的啟動(dòng)/停止按鈕和指示燈以及平板閘門鎖定裝置的鎖定/解鎖按鈕和指示燈，對(duì)每扇閘門、閥門獨(dú)立進(jìn)行控制。

1.平板閘門的手動(dòng)控制：

鎖定：按下鎖定按鈕，液壓系統(tǒng)電磁閥控制閘門鎖定機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)平板閘門的鎖定。

解鎖：按下解鎖按鈕，液壓系統(tǒng)電磁閥控制閘門鎖定機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)平板閘門的解鎖。

關(guān)門：按下關(guān)門按鈕，平板閘門解鎖行程開(kāi)關(guān)到位后，起動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)電動(dòng)機(jī)組，閘門同步下降，當(dāng)閘門到達(dá)全關(guān)位置后自動(dòng)停止。

開(kāi)門：按下開(kāi)門按鈕，啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)電動(dòng)機(jī)，提升閘門，到達(dá)全開(kāi)位置時(shí)自動(dòng)停止。

2.人字閘門的手動(dòng)控制：

關(guān)門：按下關(guān)門按鈕，啟動(dòng)泵源，再由液壓系統(tǒng)電磁閥驅(qū)動(dòng)閘門關(guān)閉，當(dāng)閘門到達(dá)全關(guān)位置后自動(dòng)停止。

開(kāi)門：按下開(kāi)門按鈕，啟動(dòng)泵源，再由液壓系統(tǒng)電磁閥驅(qū)動(dòng)閘門開(kāi)啟，達(dá)到全開(kāi)位置后自動(dòng)停止。

3.輸水閥門的手動(dòng)控制

開(kāi)門：按下開(kāi)啟按鈕，同一閘首兩側(cè)的輸水閥門同時(shí)以調(diào)定的同一速度提升，至全開(kāi)位置后自動(dòng)停止。

關(guān)門：按下關(guān)門按鈕，同一閘首兩側(cè)的輸水閥門同時(shí)以調(diào)定的同一速度下降，至全關(guān)位置后自動(dòng)停止。

在現(xiàn)地操作控制臺(tái)面板上還設(shè)有“急停”緊急處理按鈕，以確保船閘的運(yùn)行安全。

緊急關(guān)閥：在船閘控制系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，將按下“緊急關(guān)閥”按鈕，以確保船閘的運(yùn)行安全。

（二）現(xiàn)地自動(dòng)控制

通過(guò)現(xiàn)地控制單元（LCU）中的現(xiàn)地操作控制臺(tái)觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)閘閥門的PLC程序控制操作。

觸摸屏采用船閘剖面圖作為閘閥門運(yùn)行指示區(qū)的背景，將閘閥門動(dòng)作情況、水位計(jì)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)控制方式、通航信號(hào)等內(nèi)容實(shí)時(shí)指示出來(lái)，使操作人員進(jìn)行本閘首操作時(shí)，并能了解另一閘首的閘閥門情況。

通過(guò)觸摸屏和LCU控制，對(duì)上、下閘首分別以一個(gè)命令實(shí)現(xiàn)輸水閥門和閘門的順序開(kāi)啟和關(guān)閉。

1.上閘首現(xiàn)地程序控制：

程序充/泄水的順序?yàn)椋簡(jiǎn)㈤y門→啟閘門→鎖定→閉閥門

程序閉門的順序?yàn)椋航怄i→閉閘門

2.下閘首現(xiàn)地程序控制：

程序充/泄水的順序?yàn)椋簡(jiǎn)㈤y門→啟閘門→閉閥門

程序閉門的順序?yàn)椋洪]閘門

當(dāng)對(duì)側(cè)閘首的閘門和輸水閥門都處在全關(guān)位置時(shí)，才允許本閘首進(jìn)行單項(xiàng)控制和程序控制。

（三）集控程序控制

集中控制是指在集中控制室實(shí)現(xiàn)的集控聯(lián)動(dòng)運(yùn)行和集控單步運(yùn)行（如圖7所示）。

操作人員在集中控制室操作，由上下閘首PLC程序按船閘過(guò)閘工藝程序，自動(dòng)控制上下閘首閘、閥門順序運(yùn)行，完成船舶過(guò)閘。

在集中控制室控制面板也設(shè)有“急?！本o急處理按鈕，以確保船閘的運(yùn)行安全。

五、結(jié)語(yǔ)

船閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)是在綜合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置，具有功能強(qiáng)、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈活通用、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，特別是它的高可靠性和具有很強(qiáng)的適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的能力，應(yīng)用相當(dāng)廣泛；蜀山船閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)的使用，縮短了上下行流程的平均流程時(shí)間，提高了船閘的運(yùn)行效率；由于運(yùn)行效率的提高，水運(yùn)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)得更加明顯，從而改變了杭、甬、紹的產(chǎn)業(yè)布局與運(yùn)輸格局，為浙江經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供了基礎(chǔ)保障。

作者簡(jiǎn)介：

王一城，男，1993.08一，籍貫：浙江杭州，浙江大學(xué)在讀本科，研究方向自動(dòng)化控制。