基于M580濛浬樞紐二線船閘自動控制應用設計

魏小星

（中船重工中南裝備有限責任公司，湖北宜昌 443005）

0 引言

濛浬樞紐二線船閘是北江航道擴能升級項目中北江韶關至烏石段的最下一級樞紐，是溝通北江中下游地區(qū)與珠江三角洲地區(qū)水上運輸?shù)奈ㄒ煌ǖ?，二線船閘工程新建1 000 t級單線單級船閘一座，船閘有效尺度為220 m×23 m×4.5 m。船閘包括閘室系統(tǒng)與輸水系統(tǒng)2個部分，在閘室系統(tǒng)的上、下閘首均設有人字工作閘門，工作閘門采用臥式直聯(lián)液壓啟閉機操作，上下閘首閘室充泄水廊道左右側各設有工作閥門，采用立式直接液壓啟閉機操作。

1 控制系統(tǒng)總體設計

濛浬樞紐二線船閘的主要控制對象是人字工作閘門和充泄水閥門油缸，為保證船閘投入運營期操作便利、安全，提高過船效率[1]，增加系統(tǒng)網(wǎng)絡自動化程度及擴展性，船閘電氣設計采用了施耐德M580系列PLC進行控制。

1.1 系統(tǒng)拓樸結構

為提高系統(tǒng)網(wǎng)絡可靠性及穩(wěn)定性，現(xiàn)地主站與從站遠程I/O模塊及上下閘首主站控制器與中控室均采用了環(huán)形網(wǎng)絡拓樸結構，其中現(xiàn)地主站PLC的CPU、光電轉換模塊與遠程I/O掃描模塊通過多模光纖連接構成底層環(huán)形網(wǎng)絡，上下閘首交換機與監(jiān)控室交換機通過單模光纖構成上層環(huán)形網(wǎng)絡，這樣環(huán)形線路上任何一處光纖斷開，也不會造成網(wǎng)絡傳輸中斷，保證了系統(tǒng)的可靠性[2-3]?，F(xiàn)地主站擴展機架和主機架通過X-BUS連接電纜連接，現(xiàn)地觸摸屏和遠程SCADA監(jiān)控計算機通過網(wǎng)線分別與現(xiàn)地和中控室的管理型交換機連接，系統(tǒng)拓樸結構如圖1所示。

1.2 硬件選型配置

系統(tǒng)上下閘首采用了相同的PLC硬件配置，上下閘首右側定義為現(xiàn)地主站，包括CPU主機架和擴展I/O機架，左側定義為從站僅包括遠程I/O機架。根據(jù)系統(tǒng)控制要求及備用點數(shù)要求，每個閘首系統(tǒng)主要硬件配置如表1所示[4-5]。

2 控制程序設計

M580系列PLC編程是基于施耐德Unity Pro軟件平臺，該軟件支持FBD、LD、SFC、ST等編程語言。每種編程各有特點，LD梯形圖適用于邏輯控制，SFC特別適用于順序流程控制，ST語言類似高級編程語言適用于實現(xiàn)復雜的算法，系統(tǒng)可針對不同的控制要求分別靈活選擇相應的編程語言[6]。

圖1 系統(tǒng)拓樸結構

表1 系統(tǒng)主要硬件配置

2.1 硬件組態(tài)

在Unity Pro軟件中進行正確的硬件組態(tài)是PLC和各模塊正常工作的必要條件，軟件中硬件組態(tài)必須與實際硬件的型號、安裝槽位完全對應，主機架與擴展機架連接模塊側方的地址撥碼開關、遠程I/O機架地址與CRA模塊面板上的撥碼開關實際位置也要與軟件中硬件組態(tài)配置完全一致[6]。本系統(tǒng)具體硬件組態(tài)如圖2所示。

圖2 PLC硬件組態(tài)

2.2 PLC程序設計

船閘控制對象多，程序相對復雜，主要涉及液壓泵站模擬量和各狀態(tài)點信號采集處理及控制點輸出、上下閘首間通信交互控制、人字門油缸的變速調節(jié)、同步控制、船舶上下行船閘單步控制、船舶上下行船閘自動流程控制、遠方SCADA顯示及控制接口、現(xiàn)地人機交互界面HIM顯示及控制接口等。

一般較大型項目的PLC控制程序，實際I/O點及中間變量多，程序編寫需盡量不用拓樸地址，而應采用關聯(lián)地址的變量[7]。同時變量的命名應盡量遵循一定的命名規(guī)則，這樣不僅可以提高編程效率而且便于程序調試維護。根據(jù)長期積累的項目經(jīng)驗和編程習慣，本項目變量主要命名規(guī)則如表2所示。

表2 程序變量命名規(guī)則

程序按不同的控制功能根據(jù)Unity Pro幾種編程語言特點將程序劃分多個邏輯段，項目主要程序結構如圖3所示。其中INIT程序段完成程序的初始化任務；MAIN程序段完成人字閘門及閥門動作邏輯判斷、電機和電磁閥控制；Speed程序段實現(xiàn)閘門按照“慢-快-慢”的速度曲線運行并保證主從側油缸同步運行；Limit_Signal完成閘閥門開終、關終、極限位信號檢測及處理；Light程序段實現(xiàn)交通信號燈控制；Communication及comm_check程序段完成上下閘首交互通信、主從站通信“心跳”檢測和異常判斷；Alarm程序段完成報警檢測及輸出，SFC和UpDownC-trl實現(xiàn)船舶上下行船閘自動流程控制；定時器事件Timer0和Timer1分別針對不同的模擬量采集精度要求完成模擬量采集和轉化處理，及閘閥門油缸運行速度計算處理，系統(tǒng)部分程序段的實現(xiàn)過程簡述如下。

圖3 項目程序結構

（1）閘門同步及變速控制

人字閘門開啟和關閉過程需要按“慢-快-慢”的速度曲線運行，同時保證主從側油缸運行同步?？刂葡到y(tǒng)利用位移傳感器檢測油缸行程變化計算油缸運行速度和主從側油缸行程差值，通過模擬量輸出調節(jié)比例放大器控制電壓改變液壓泵站比例泵流量控制油缸運行速度，形成閉環(huán)調節(jié)，程序運用了PID算法控制器實現(xiàn)閘門變速和同步控制。

（2）上下閘首交互通信及異常檢測

M580的“I/O掃描”功能可以通過以太網(wǎng)快速實現(xiàn)兩個CPU之間的讀寫操作，系統(tǒng)將上閘首CPU作為現(xiàn)地主CPU，通過字讀取并解析閘閥門全開、全關及水位平壓等位狀態(tài)信號，并向下閘首寫入閘閥門開啟、關閉、下閘首交通燈控制指令。兩個CPU進行讀寫操作時將內部系統(tǒng)位%S6（時基1S）作為心跳檢測位，當讀取的狀態(tài)在1S內不發(fā)生變化，即認為通信斷開。

（3）自動流程控制

船閘每個閘首的閘門、閥門及交通信號燈單步控制是實現(xiàn)自動流程控制的底層接口，自動流程簡化了操作指令，可基本實現(xiàn)“一健控制”，方便后期船閘運營工作人員操作，減少誤操作的可能。自動流程控制程序采用了SFC編程語言，該語言與流程圖比較相似，相對LD梯形圖編程更容易實現(xiàn)流程控制，自動上行控制的流程圖如圖4所示，下行流程與上行類似，部分SFC控制程序如圖5所示。

圖4 自動上行流程

圖5 自動上行SFC程序

3 觸摸屏HMI設計

人機界面（HMI）是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，通過人機界面操作者不需要控制器程序即可完成系統(tǒng)控制和狀態(tài)監(jiān)控及數(shù)據(jù)記錄等任務[8]。船閘上下閘首現(xiàn)地主站側控制柜均配備1塊15寸威綸通觸摸屏，船閘運維工作人員在現(xiàn)地可通過觸摸屏進行船閘人字閘門、廊道工作閥門、交通紅綠信號燈、自動上下行流程控制等操作。現(xiàn)地人機界面主要畫面如圖6所示，其功能介紹如下。

圖6 觸摸屏主要畫面

登錄頁面。開機后自動進入首頁用戶登錄畫面，在首頁下拉框中選擇相應的用戶，輸入正確登錄密碼后系統(tǒng)自動跳轉至閘門操作畫面，系統(tǒng)針對不同的操作人員進行了權限設置，從而保證系統(tǒng)的安全性，避免人員的誤操作。

閘門控制。該畫面是船閘控制的核心畫面，主要由船閘模擬動畫區(qū)、運行信息顯示區(qū)、控制按鈕區(qū)幾個部分組成。模擬動畫形象直觀的反映了上下閘首人字閘門的實時狀態(tài)，運行信息顯示了主從站液壓泵站的運行狀態(tài)、電機狀態(tài)和閘閥門油缸行程信息及運行速度，控制按鈕區(qū)包括了船閘單步控制、交通紅綠信號燈控制及自動流程控制的接口。

參數(shù)設置。用戶須具有管理員權限登錄后才可訪問該畫面，通過該畫畫可以修改所有模擬量傳感器量程上下限值及零點修正值和投入切除控制，設置油溫、油壓、油位報警的高低閾值，選擇閘閥門開終、關終限位信號來源，水位平壓觸發(fā)及復位值，使能或切除充泄水保護、上下閘首閉鎖功能。

事件報表。事件報表畫面可以實時顯示主要操作運行記錄和故障報警信息，也可以查看歷史操作記錄信息。

I/O狀態(tài)。畫面可查看主從站PLC的數(shù)字量輸入、輸出點和模擬量通道的工作狀態(tài)，便于電氣專業(yè)人員調試查看。

4 結束語

2019年4月28日，濛浬樞紐二線船閘進行1 000 t級貨船實船實驗，控制系統(tǒng)能夠實在現(xiàn)地或遠方進行船舶上下行船閘人字閘門、工作閥門、交通燈的單步控制和自動流程控制。運行過程閘門啟閉平穩(wěn)，同步良好，實船通航結果表明閘門運行工況、控制流程等技術指標均符號要求，相關單位對船閘試航情況也表示滿意，一致認為具備通航條件，順利實現(xiàn)了“4.30”節(jié)點目標，項目建成后將極大地緩解原一線船閘的通航壓力，對加快廣東省內河航道現(xiàn)代化建設也具有重要意義。