升船機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展?

王婷婷 蘭 欽

（1.長(zhǎng)江三峽通航管理局 宜昌 443133）

（2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 長(zhǎng)沙 410014）

1 引言

升船機(jī)是當(dāng)今世界上克服航道上集中落差，解決船舶過(guò)壩問(wèn)題的一種主要的通航建筑物型式，也是船廠建造新船和維修時(shí)的主要工作臺(tái)。這種型式的通航建筑物由于其形式多樣性、高水頭適應(yīng)性、船舶過(guò)閘快捷性、投資節(jié)約性、技術(shù)條件簡(jiǎn)約性等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。美國(guó)、俄羅斯、比利時(shí)、荷蘭等是世界上內(nèi)河航運(yùn)網(wǎng)較發(fā)達(dá)的國(guó)家，在這些國(guó)家的內(nèi)河航運(yùn)樞紐中已建有上千座升船機(jī)［1］。近年來(lái)，我國(guó)在大中型升船機(jī)的研究方面進(jìn)行了大量的工作［2］，并相繼興建湖北三峽升船機(jī)、清江隔河巖升船機(jī)、廣西巖灘升船機(jī)、福建水口升船機(jī)等大型升船機(jī)。

隨著升船機(jī)的廣泛應(yīng)用，其安全穩(wěn)定運(yùn)行也成為日益關(guān)注的焦點(diǎn)［3～4］。由于升船機(jī)是一個(gè)多子系統(tǒng)之間相互結(jié)合在一起的龐大系統(tǒng)［5～6］，為了對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜工況進(jìn)行有效控制，必須具備良好的運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)。因此，分析升船機(jī)主體運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)方案，研究各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行特點(diǎn)，分析各設(shè)備、各環(huán)節(jié)故障種類及故障原因、數(shù)量，并在此基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化升船機(jī)運(yùn)行工藝，開(kāi)展升船機(jī)運(yùn)行過(guò)程的仿真程序和故障應(yīng)對(duì)處理模擬程序，對(duì)于提高升船機(jī)運(yùn)行保障能力具有十分重要的意義［7］。

基于以往的研究和工程應(yīng)用，本文試圖對(duì)我國(guó)升船機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程做簡(jiǎn)要的梗概，并結(jié)合三峽升船機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行管理中存在的若干問(wèn)題，對(duì)目前升船機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可能存在的不足進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，對(duì)升船機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，為升船機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究工作提供參考。

2 監(jiān)控技術(shù)及其在升船機(jī)運(yùn)行管理中的應(yīng)用

2.1 監(jiān)控技術(shù)簡(jiǎn)介

監(jiān)控技術(shù)自誕生以來(lái)，在過(guò)去的二十多年里，大致經(jīng)歷了本地模擬監(jiān)控系統(tǒng)、多媒體數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)、分布式監(jiān)控系統(tǒng)共三代的發(fā)展［8］。它是多種技術(shù)綜合運(yùn)用與結(jié)合的產(chǎn)物，綜合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)、多媒體技術(shù)，正朝著數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向繼續(xù)發(fā)展。

信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到控制、管理的各個(gè)層次，覆蓋從工裝、車(chē)間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場(chǎng)［8］。

2.2 升船機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展歷程

升船機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由I/O設(shè)備（傳感器和執(zhí)行器）、控制硬件、控制軟件、人機(jī)接口及與信息系統(tǒng)的連接等組成。我國(guó)升船機(jī)運(yùn)行自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展是從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始的，迄今為止經(jīng)歷了以下四個(gè)階段：

1）單功能微機(jī)監(jiān)控裝置。每個(gè)微機(jī)監(jiān)控裝置具有不同的功能，有的專門(mén)采集開(kāi)關(guān)量，有的專門(mén)采集模擬量，有的專門(mén)進(jìn)行控制操作。將這些功能分散的微機(jī)監(jiān)控裝置以串口的星形連接方式進(jìn)行集成，在分布方式上做了一些有益的嘗試，但從模式上看還不能算是很成熟的系統(tǒng)；

2）以設(shè)備單元分布的星形分層監(jiān)控系統(tǒng)，如丹江口［9］、高壩洲［10］等。為了檢修維護(hù)的方便，這種監(jiān)控系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集與控制集成到一臺(tái)微機(jī)或PLC裝置中，構(gòu)成了現(xiàn)地控制單元（LCU）［13］。LCU無(wú)法直接接入以太網(wǎng)，而且計(jì)算機(jī)非常昂貴，只能以微機(jī)作為前置機(jī)，構(gòu)成星形分層分布式結(jié)構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)布線簡(jiǎn)單，但沒(méi)有冗余功能，任何一條線路發(fā)生故障均會(huì)導(dǎo)致通訊中斷。這在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上已跨出了一大步，但相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)還不完善，尚不能形成理想的開(kāi)放系統(tǒng)環(huán)境；

3）基于開(kāi)放系統(tǒng)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，如水口、隔河巖［11］、巖灘等。這種計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有通用性和可移植性，監(jiān)控系統(tǒng)的軟件可以安裝在任何具有開(kāi)放系統(tǒng)特點(diǎn)的計(jì)算機(jī)上，開(kāi)放系統(tǒng)為升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提供了新的發(fā)展空間；

4）基于對(duì)象技術(shù)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，如彭水、三峽等。與傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)方法不同，面向?qū)ο蠹夹g(shù)把數(shù)據(jù)與方法封裝在一起，統(tǒng)一描述對(duì)象的屬性和行為，升船機(jī)運(yùn)行設(shè)備如承船廂、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感檢測(cè)開(kāi)關(guān)等均可抽象為對(duì)象，它直觀、方便，信息更加理性和實(shí)際?；趯?duì)象技術(shù)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編程語(yǔ)言選擇到用戶界面等一系列過(guò)程，都依據(jù)面向?qū)ο蟮睦砟?、原則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，給用戶使用和維護(hù)帶來(lái)極大方便。

3 三峽升船機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

三峽升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用兩層集散分布式結(jié)構(gòu)［12］，主要由集中控制系統(tǒng)、現(xiàn)地控制系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)設(shè)備組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1。其中，集中控制系統(tǒng)設(shè)備主要由I/O服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、圖像監(jiān)控工作站、廣播指揮工作站、冗余操作員站、圖像監(jiān)控工作站、廣播指揮工作站、以太網(wǎng)交換機(jī)及大屏幕顯示屏等組成。現(xiàn)地控制系統(tǒng)設(shè)備主要由流程控制站、船廂傳動(dòng)控制站、船廂上廂頭控制站、船廂下廂頭控制站、上閘首控制站、下閘首控制站、低壓開(kāi)關(guān)裝置控制站、變電控制站組成。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件配置采用當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外最新的研究成果。監(jiān)控系統(tǒng)PLC選用Rockwell Al?len-Bradley公司的Control Logix產(chǎn)品。監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要由上位機(jī)組態(tài)軟件及PLC編程軟件組成，上位機(jī)組態(tài)軟件采用Rockwell Allen-Bradley公司FactoryTalkVIiew，PLC編程軟件采用Rockwell Al?len-Bradley公司RSLogix5000。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合了PLC和工控機(jī)各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了管理、控制一體化。

3.2 運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足

雖然三峽升船機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)采用了當(dāng)前國(guó)際最先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)，為項(xiàng)目運(yùn)行管理帶來(lái)了極大的方便，但是目前仍存在以下不足之處：

1）傳感器網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。三峽升船機(jī)傳感器網(wǎng)絡(luò)信息采用的是傳統(tǒng)的有線傳輸，需要鋪設(shè)大量的傳遞介質(zhì)，耗時(shí)長(zhǎng)，人工成本高；硬件線路易老化，容易導(dǎo)致通信異常，后期更換和維護(hù)成本更高；特別是升船機(jī)各設(shè)備緊密相聯(lián)，牽一發(fā)而動(dòng)全身［14］，試通航的故障統(tǒng)計(jì)也表明了傳感檢測(cè)裝置的故障會(huì)極大影響升船機(jī)的運(yùn)行效率。

2）監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和指令的不完全共享性。目前，三峽升船機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是由上位機(jī)、現(xiàn)地控制站等計(jì)算機(jī)裝置組成，這些計(jì)算機(jī)只能獨(dú)立運(yùn)行，完成各自的權(quán)限和控制功能，這必然導(dǎo)致運(yùn)行管理的復(fù)雜性。

3）監(jiān)測(cè)信息的不完備性。三峽升船機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地對(duì)電氣、液壓等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，但是對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷、機(jī)構(gòu)運(yùn)行準(zhǔn)確位置目前仍然不能實(shí)行有效的監(jiān)控。

4）組態(tài)軟件的通用性差。三峽升船機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件采用Rockwell Allen-Bradley公司Facto?ryTalkView。這種軟件雖然在功能完備性、產(chǎn)品包裝、市場(chǎng)推廣等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是存在軟件對(duì)應(yīng)配套設(shè)備價(jià)格昂貴、技術(shù)服務(wù)不方便、通用性不高等缺點(diǎn)。

5）組態(tài)過(guò)程的復(fù)雜性。三峽升船機(jī)的Facto?ryTalkView軟件是基于圖元的觸摸屏組態(tài)軟件，組態(tài)界面由各種基本圖形及由基本圖形組合的開(kāi)關(guān)、儀表、閥門(mén)等大量部件組成，組態(tài)過(guò)程復(fù)雜，同時(shí)監(jiān)控信息量大。

4 升船機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)同樣也在發(fā)展，新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制裝置、軟件等不斷涌現(xiàn)，使得我們進(jìn)一步思考升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)主要發(fā)展方向。

1）傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線化。與傳統(tǒng)的有限傳感器網(wǎng)絡(luò)不同，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有靈活性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、精細(xì)度高等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。在升船機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)方面雷鳴、魏峻巖［13］提出了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三峽升船機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合復(fù)合事件檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)升船機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的有效提取，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了負(fù)荷事件檢測(cè)方法在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的適用性。

2）網(wǎng)絡(luò)共享化。升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是由上位機(jī)、現(xiàn)地控制單元等計(jì)算機(jī)裝置組成，這些計(jì)算機(jī)均能獨(dú)立運(yùn)行，完成各自的控制功能，但要讓這些計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)工作，充分挖掘出計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的潛能，就必須通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，更好地對(duì)整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)共享的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可以共享計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備、裝置，以減少控制系統(tǒng)的設(shè)備投資，和維護(hù)工作量。

除升船機(jī)內(nèi)部計(jì)算機(jī)及裝置組成網(wǎng)絡(luò)外，升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信，調(diào)度計(jì)算機(jī)將調(diào)度命令送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)將各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)傳輸?shù)秸{(diào)度計(jì)算機(jī)，調(diào)度系統(tǒng)可以對(duì)升船機(jī)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)度，并根據(jù)設(shè)備狀態(tài)判斷是否允許發(fā)布調(diào)度命令。網(wǎng)絡(luò)化是實(shí)現(xiàn)升船機(jī)調(diào)度自動(dòng)化的必要前提。

3）人工智能化。升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)智能化，主要體現(xiàn)在對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的人工智能診斷，對(duì)運(yùn)行人員進(jìn)行操作指導(dǎo)，對(duì)事故、故障處理進(jìn)行指導(dǎo)。人工智能監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)被引入到工程監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域，不僅可以快速的查找出故障，還可以對(duì)自動(dòng)化控制流程進(jìn)行優(yōu)化。曾飛、張琪等［15］設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的散貨碼頭大型帶式輸送機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)，在散料輸送過(guò)程中，該系統(tǒng)可全程對(duì)帶式輸送機(jī)物料輸送狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行過(guò)程中物料瞬時(shí)流量、帶速、功率等狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，還可以根據(jù)帶式輸送機(jī)物料瞬時(shí)流量遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)帶速，從而實(shí)現(xiàn)了大型帶式輸送機(jī)系統(tǒng)最佳節(jié)能效果。

4）組態(tài)軟件的國(guó)產(chǎn)化和通用化。組態(tài)軟件的強(qiáng)大功能早已受到工程技術(shù)人員的青睞，而國(guó)外的組態(tài)軟件價(jià)格昂貴且通用性差，其國(guó)產(chǎn)化和通用化是必然的發(fā)展趨勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有人對(duì)組態(tài)軟件進(jìn)行了研究，肖兒良、石紀(jì)奎等［16］針對(duì)目前觸摸屏組態(tài)軟件存在的組態(tài)過(guò)程復(fù)雜及通用性較差的問(wèn)題，提出了基于界面組態(tài)的觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計(jì)方法；利用Visual c#開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)觸摸屏通用組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)。在上位機(jī)進(jìn)行組態(tài)軟件界面編輯、組態(tài)文件編譯以及與下位機(jī)數(shù)據(jù)的交互的基礎(chǔ)上，基于PC機(jī)實(shí)現(xiàn)了觸摸屏工作狀態(tài)的模擬仿真。在STM32F103硬件平臺(tái)上驗(yàn)證了組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的曲線顯示控件。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果表明，基于界面的組態(tài)軟件設(shè)計(jì)方法的正確性和便捷性，為觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

雖然我們?cè)谏瑱C(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控領(lǐng)域采用的是目前較先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)，但距離升船機(jī)真正的無(wú)人值班、“關(guān)門(mén)升船機(jī)”目標(biāo)還有差距，在技術(shù)和管理方面都還有許多工作要做，以計(jì)算機(jī)應(yīng)用為特征的信息化技術(shù)、通訊技術(shù)、智能技術(shù)日新月異，有待我們繼續(xù)努力，為升船機(jī)自動(dòng)化事業(yè)的不斷進(jìn)步做出新貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

1）本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)升船機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程，綜合分析了基于對(duì)象技術(shù)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)具備直觀、方便、信息準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)；

2）結(jié)合三峽升船機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，指出了我國(guó)升船機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)存在傳感器網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性、數(shù)據(jù)不可共享性、信息不完備性、組態(tài)軟件通用性差等缺點(diǎn)，為監(jiān)控系統(tǒng)科研人員提供參考；

3）基于目前監(jiān)控技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)升船機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)做了預(yù)測(cè)，指出傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線化、網(wǎng)絡(luò)共享化、人工智能化、組態(tài)軟件的國(guó)產(chǎn)化和通用化是其今后的發(fā)展方向。

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