1 引言
近年來，隨著水運市場的繁榮與發(fā)展，蘇北運河作為貫通南北的水上交通大動脈，越來越得到人們的高度重視，成為了名符其實的“黃金水道”。而船閘則是這條黃金水道上的重要交通樞紐，單線船閘年均通過量近4000萬噸左右，雙線船閘則近8000萬噸，而長江三峽貨運量加上翻壩貨運量每年在4300萬，一個蘇北運河上的復(fù)線船閘年通過量相當(dāng)于兩個三峽。可以說，船閘的安全與暢通直接影響到全省乃至全國的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，成為世人矚目的焦點。船閘的電氣控制系統(tǒng)則是船閘安全與暢通的前提。因而船閘電氣控制系統(tǒng)的高度自動化、運行安全可靠、故障率低、便于維修已成為各個船閘的客觀需求。
2 船閘電氣自動控制的內(nèi)容及其基本要求
2.1 運河船閘工作原理
船閘電氣自動控制主要是根據(jù)船閘的閘閥門的門型、啟閉機(jī)的類型、輸水的形式及過閘工藝要求等來控制閘閥門啟閉機(jī)組的運行及進(jìn)出閘信號的轉(zhuǎn)換、漲泄水語音廣播等。目前，蘇北運河各船閘中閘門多為人字門，少數(shù)船閘是橫拉門(只有劉山、邵伯和施橋船閘三家)，閥門都是平板式提升門。人字門和閥門多采用電力液壓驅(qū)動啟閉機(jī)，這類電氣控制的主要對象是液壓泵站的電機(jī)接觸器線圈和液壓閥件線圈;橫拉門采用的是電動機(jī)械傳動啟閉機(jī)，這類電氣控制的主要對象是啟閉電動機(jī)和電磁制動器的接觸線圈或可控硅觸發(fā)電路[1]。輸水系統(tǒng)均采用短廊道集中輸水形式，因蘇北運河各船閘的水位落差均在3~5m之間(宿遷閘小一些，1~2m左右)，漲泄水時間為5~8min。過閘工藝流程，蘇北運河各閘是一致的，如果以閘閥門關(guān)終及下游水位為初始狀態(tài)，則過閘的工藝流程框圖如圖1所示。
圖1 船閘工藝流程圖 2.2 運行閉鎖控制要求上述流程當(dāng)中有著嚴(yán)格的運行閉鎖要求。
(1) 上游的閘閥門未關(guān)到位,下游閥門不能開啟,同樣,下游的閘閥門沒有關(guān)到位,上游閥門不能開啟；
(2) 上游閥門開啟之后，只有待閘室水位與上游平齊，才能開啟上游閘門，閘門開到邊后，出閘信號燈應(yīng)為綠色。同樣，下游閥門開啟之后，只有待閘室水位與下游平齊，才能開啟下游閘門，閘門開到邊后，出閘信號燈應(yīng)為綠色；
(3) 關(guān)閥應(yīng)再閘門開到邊之后，自動或手動操作完成；
(4) 當(dāng)閘室船舶全部出完之后，進(jìn)閘信號才能轉(zhuǎn)換成綠燈，通知船舶進(jìn)閘，面出閘信號應(yīng)變成紅燈；
(5)閘門關(guān)閉，應(yīng)當(dāng)由現(xiàn)場值班人員在船舶進(jìn)入閘室之后手動操作，此時進(jìn)閘信號燈應(yīng)由綠色變成紅色，禁止船舶再進(jìn)閘；
(6) 船閘一旦發(fā)生故障，要有緊急切斷電源或開關(guān)閘閥門的應(yīng)急措施。
2.3 運行安全控制要求根據(jù)船閘的工藝流程要求及現(xiàn)場運行維護(hù)需要，人們對船閘電氣控制系統(tǒng)提出了一些基本要求，即船閘的電氣控制系統(tǒng)應(yīng)安全可靠、操作簡單、維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)實用，以即使有誤操作而絕不誤動作為前提。
(1) 具有滿足過閘工藝要求的各種功能及必要的機(jī)電連鎖和電氣保護(hù)電路，確保自控系統(tǒng)安全可靠;
(2) 具備生產(chǎn)運行和調(diào)試所必需的操作方式，做到操作靈活以適應(yīng)各種運行方式的需要;
(3)滿足船閘預(yù)定的操作程序和信號顯示的要求。在此前提下，力求線路簡練、使用元件最省、系統(tǒng)電壓種類最少，便于維護(hù);
(4) 各種操作方式之間要有互鎖，電路應(yīng)有使違反工藝流程的誤操作失靈的保安措施;
(5) 閘閥門應(yīng)設(shè)有運行到位和越位檢測保護(hù)開關(guān)，人字閘門應(yīng)有檢測閘門合攏的設(shè)施和處理合攏失敗的措施;
(6) 選用的元件、材料耐用、可靠[1-2]。
3 船閘電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展及PLC的引入 多年來，船閘的工藝流程未發(fā)生大的變化，但為了縮短船舶通過時間，不斷提高船閘電氣控制系統(tǒng)的自動化水平，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及新產(chǎn)品、新技術(shù)的不斷引入和應(yīng)用，船閘的電氣控制系統(tǒng)也得到了長足發(fā)展。最原始的閘閥門開閉采用人工手搖游絲纜方式，后來發(fā)展到采用繼電器——接觸器控制卷揚機(jī)來進(jìn)行閘閥門的開閉控制，進(jìn)而隨著液壓傳動在船閘上的廣泛應(yīng)用，與之配套步進(jìn)器—接觸器控制系統(tǒng)的得到了大范圍的應(yīng)用，并有了集中控制和分散控制二種模式，但由于這種控制系統(tǒng)故障率高，查找和維修故障費時費用，船閘的通航保率得不到保障，在使用幾年之后，人們開始尋求一種更為先進(jìn)的控制系統(tǒng)。由于PLC具有很強(qiáng)的靈活性、編程方便、功能多、體積小、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點，得到了船閘電氣工程師們的青睞，并被引入到船閘控制系統(tǒng)中，且在極短的時間內(nèi)取代了以往的其它形式的船閘電氣控制系統(tǒng)。目前，蘇北運河復(fù)線船閘的控制系統(tǒng)多采用某系列PLC控制，并將閘門錯位檢測、閘閥門電機(jī)的過流、過壓、缺相、短路等故障檢測、交通信號指示及語音廣播等功能納入了系統(tǒng)，同樣可實現(xiàn)集中控制和現(xiàn)場分散操作，極大提高了控制系統(tǒng)的安全性能，降低了故障機(jī)率，有力保障了蘇北運河的安全與暢通，但由于該系列PLC受運算速度、函數(shù)功能、網(wǎng)絡(luò)接口及支技網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等限制，已逐步被施耐德Quantum系列PLC取代。施耐德Quantum系列PLC性能較好，能滿足船閘運行的要求，對模擬量的運算處理性能較一般PLC有很大優(yōu)勢，同時具備完善的網(wǎng)絡(luò)接口，擴(kuò)展空間較大，便于與其它船閘進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制，因而為近年來蘇北運河新建三線船閘所普遍采用，并在一些新電改的復(fù)線船閘(如施橋一線、皂河二線等船閘)得到了推廣和使用。由于蘇北運河各船閘的施耐德Quantum PLC控制系統(tǒng)都極為相近，下面以筆者參加施工監(jiān)理的皂河二線船閘電氣控制系統(tǒng)為例，介紹一下施耐德Quantum PLC船閘控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。
4 施耐德Quantum系列PLC船閘控制系統(tǒng)的構(gòu)成 皂河二線船閘電氣控制系統(tǒng)于2006年6月進(jìn)行了電氣改造。使用施耐德Quantum PLC進(jìn)行控制，其組成框圖如圖2所示。
圖2 Quantum PLC系統(tǒng)配置圖4.1 PLC硬件配置CPU模塊:140CPU43412A;
電源模塊:140CPS11420(雙電源冗余);
以太網(wǎng)模塊:140NOE77111;
開關(guān)量輸入模塊:140DDI35300(3塊);
模擬量輸入模塊:140ACI04000(2塊);
繼電器輸出模塊:140DRA84000(6塊);
工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī):499NES18100;
工業(yè)光電收發(fā)器:499NTR10100。
4.2 周邊配置設(shè)計采用三臺研華原裝工業(yè)控制計算機(jī)(PIV 2.4G，512 MDDR，80G×2，WIN2000 SP4，RAID 1鏡像)。選用三臺三星液晶17寸顯示器SAMSUNG 173P+(1280×1024@75Hz)，不閃爍，無輻射。組態(tài)軟件選用組態(tài)王6.51(2005年12月發(fā)布)。變頻調(diào)速系統(tǒng):施耐德ATV-71變頻器及其成套濾波附件。本系統(tǒng)中所選用的所有接觸器、斷路器、中間繼電器均為法國施耐德公司TE、梅蘭日蘭系列產(chǎn)品。
考慮到船閘控制系統(tǒng)既能進(jìn)行集中操作，也滿足分散現(xiàn)地運行的需要，并且保證控制系統(tǒng)在船閘大修等特殊時期的安全運行，將船閘控制柜、動力柜放置于下游左岸三樓機(jī)房，并配置了一個集中操作臺，滿足船閘集中操作運行的需要。操作臺面板上安裝上、下游閘閥門運行狀態(tài)指示燈，以便于直觀了解船閘閘閥門運行狀況。同時安裝程控/分散控制手動轉(zhuǎn)換開關(guān)以及船閘控制的相應(yīng)操作按鈕。
上下游值班崗?fù)?nèi)各設(shè)置一臺操作臺，上下游操作臺上各配置一臺原裝研華工控計算機(jī)并配以組態(tài)軟件，面板上各配一臺液晶顯示器，并將收費系統(tǒng)顯示器嵌放于操作臺面板上，收費計算機(jī)放置于操作臺內(nèi)部，操作員既能直觀了解船閘狀況及PLC工作狀態(tài)，在上位機(jī)上可以進(jìn)行船閘的所有控制操作，又不影響船閘收費系統(tǒng)的正常運行。上下游兩操作臺功能完全相同，且互為備用，即一旦某一操作臺的上位機(jī)發(fā)生故障，另一操作臺任可進(jìn)行船閘的所有操作。兩操作臺上位機(jī)與集控室PLC之間通訊采用光纖連接，既保證通訊的速度，亦可有效避免外界干擾、雷電波對系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的影響。
上下游機(jī)房手動箱上安裝上、下游閘閥門狀態(tài)指示燈及船閘控制的相應(yīng)操作按鈕。操作員可通過上位機(jī)進(jìn)行船閘操作，也可通過控制按鈕進(jìn)行船閘操作，兩種操作方法互為備用。
閘門采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，保證閘門安全平穩(wěn)運行，同時，為減少變頻器對電網(wǎng)及控制系統(tǒng)的干擾，對變頻器加裝相應(yīng)的設(shè)備以減少高次諧波對系統(tǒng)的干擾。
5 系統(tǒng)的功能與安全設(shè)計5.1 系統(tǒng)的功能設(shè)計 該PLC控制系統(tǒng)能直接和上位機(jī)相連，并使用組態(tài)控制軟件，能在線編程和操作控制，使船閘的控制更為直觀。系統(tǒng)采取程控與分散運行相結(jié)合，正常程序運行情況下，系統(tǒng)自動控制閘閥門的開關(guān)動作，并具備多重自動保護(hù)功能，自動檢測動力、控制電源的電壓、電流，閘閥門電機(jī)電流，自動形成數(shù)據(jù)庫存入計算機(jī)，系統(tǒng)管理員能準(zhǔn)確了解系統(tǒng)在過去任意時刻動力、控制電壓、電流數(shù)值，以及電機(jī)運行時電流大小情況。由于在上下游閘首及閘室安放水位傳感器，能實時觀測船閘三級水位，保證船閘安全運行。同時，在上下游閘首分別配置一套廣播系統(tǒng)，上位機(jī)可進(jìn)行自動廣播，操作全部可在操作面板上進(jìn)行。對通航信號指示燈系統(tǒng)根據(jù)船閘運行的實際狀況自動進(jìn)行切換控制。上位機(jī)平時顯示閘閥門狀態(tài)畫面及三級水位，需要時，可進(jìn)入報表界面，參數(shù)記錄界面及故障報報警界面。
控制系統(tǒng)采用施耐德電動操作機(jī)構(gòu)，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控分合閘。在船閘遇特殊情況需斷開所有動力電源時，操作員按任一個“急停”按鈕后，系統(tǒng)立即斷開船閘所有動力電源。在故障排除后，只需按“合閘”按鈕，系統(tǒng)自動合上動力電源。此外，考慮到今后擴(kuò)展、<
