近年來(lái)，隨著水運(yùn)市場(chǎng)的繁榮與發(fā)展，蘇北運(yùn)河作為貫通南北的水上交通大動(dòng)脈，越來(lái)越得到人們的高度重視，成為了名符其實(shí)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(guò)量近4000萬(wàn)噸左右，雙線船閘則近8000萬(wàn)噸，而長(zhǎng)江三峽貨運(yùn)量加上翻壩貨運(yùn)量每年在4300萬(wàn)，一個(gè)蘇北運(yùn)河上的復(fù)線船閘年通過(guò)量相當(dāng)于兩個(gè)三峽?？梢哉f(shuō)，船閘的安全與暢通直接影響到全省乃至全國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，成為世人矚目的焦點(diǎn)。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(dòng)化、運(yùn)行安全可靠、故障率低、便于維修已成為各個(gè)船閘的客觀需求。
2 船閘電氣自動(dòng)控制的內(nèi)容及其基本要求
2.1 運(yùn)河船閘工作原理
船閘電氣自動(dòng)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(guò)閘工藝要求等來(lái)控制閘閥門啟閉機(jī)組的運(yùn)行及進(jìn)出閘信號(hào)的轉(zhuǎn)換、漲泄水語(yǔ)音廣播等。目前，蘇北運(yùn)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(dòng)啟閉機(jī)，這類電氣控制的主要對(duì)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(dòng)機(jī)械傳動(dòng)啟閉機(jī)，這類電氣控制的主要對(duì)象是啟閉電動(dòng)機(jī)和電磁制動(dòng)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(yùn)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(shí)間為5~8min。過(guò)閘工藝流程，蘇北運(yùn)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(guò)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(yùn)行閉鎖控制要求
上述流程當(dāng)中有著嚴(yán)格的運(yùn)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(hào)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(hào)燈應(yīng)為綠色；
(3) 關(guān)閥應(yīng)再閘門開到邊之后，自動(dòng)或手動(dòng)操作完成；
(4) 當(dāng)閘室船舶全部出完之后，進(jìn)閘信號(hào)才能轉(zhuǎn)換成綠燈，通知船舶進(jìn)閘，面出閘信號(hào)應(yīng)變成紅燈；
(5)閘門關(guān)閉，應(yīng)當(dāng)由現(xiàn)場(chǎng)值班人員在船舶進(jìn)入閘室之后手動(dòng)操作，此時(shí)進(jìn)閘信號(hào)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(yùn)行安全控制要求
根據(jù)船閘的工藝流程要求及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)需要，人們對(duì)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(jiǎn)單、維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，以即使有誤操作而絕不誤動(dòng)作為前提。
(1) 具有滿足過(guò)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(yùn)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(yùn)行方式的需要;
(3)滿足船閘預(yù)定的操作程序和信號(hào)顯示的要求。在此前提下，力求線路簡(jiǎn)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(yùn)行到位和越位檢測(cè)保護(hù)開關(guān)，人字閘門應(yīng)有檢測(cè)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(lái)，船閘的工藝流程未發(fā)生大的變化，但為了縮短船舶通過(guò)時(shí)間，不斷提高船閘電氣控制系統(tǒng)的自動(dòng)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(zhǎng)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(lái)發(fā)展到采用繼電器——接觸器控制卷?yè)P(yáng)機(jī)來(lái)進(jìn)行閘閥門的開閉控制，進(jìn)而隨著液壓傳動(dòng)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(fèi)時(shí)費(fèi)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(diǎn)，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(shí)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(yùn)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(cuò)位檢測(cè)、閘閥門電機(jī)的過(guò)流、過(guò)壓、缺相、短路等故障檢測(cè)、交通信號(hào)指示及語(yǔ)音廣播等功能納入了系統(tǒng)，同樣可實(shí)現(xiàn)集中控制和現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)河的安全與暢通，但由于該系列PLC受運(yùn)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(yùn)行的要求，對(duì)模擬量的運(yùn)算處理性能較一般PLC有很大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)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(lái)蘇北運(yùn)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(yùn)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(shí)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(jì)
采用三臺(tái)研華原裝工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(PIV 2.4G，512 MDDR，80G×2，WIN2000 SP4，RAID 1鏡像)。選用三臺(tái)三星液晶17寸顯示器SAMSUNG 173P+(1280×1024@75Hz)，不閃爍，無(wú)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(guó)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(yùn)行的需要，并且保證控制系統(tǒng)在船閘大修等特殊時(shí)期的安全運(yùn)行，將船閘控制柜、動(dòng)力柜放置于下游左岸三樓機(jī)房，并配置了一個(gè)集中操作臺(tái)，滿足船閘集中操作運(yùn)行的需要。操作臺(tái)面板上安裝上、下游閘閥門運(yùn)行狀態(tài)指示燈，以便于直觀了解船閘閘閥門運(yùn)行狀況。同時(shí)安裝程控/分散控制手動(dòng)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(tái)操作臺(tái)，上下游操作臺(tái)上各配置一臺(tái)原裝研華工控計(jì)算機(jī)并配以組態(tài)軟件，面板上各配一臺(tái)液晶顯示器，并將收費(fèi)系統(tǒng)顯示器嵌放于操作臺(tái)面板上，收費(fèi)計(jì)算機(jī)放置于操作臺(tái)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(fèi)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。上下游兩操作臺(tái)功能完全相同，且互為備用，即一旦某一操作臺(tái)的上位機(jī)發(fā)生故障，另一操作臺(tái)任可進(jìn)行船閘的所有操作。兩操作臺(tái)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(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的影響。
上下游機(jī)房手動(dòng)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(guò)上位機(jī)進(jìn)行船閘操作，也可通過(guò)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(yùn)行，同時(shí)，為減少變頻器對(duì)電網(wǎng)及控制系統(tǒng)的干擾，對(duì)變頻器加裝相應(yīng)的設(shè)備以減少高次諧波對(duì)系統(tǒng)的干擾。
5 系統(tǒng)的功能與安全設(shè)計(jì)
5.1 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)
該P(yáng)LC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(yùn)行相結(jié)合，正常程序運(yùn)行情況下，系統(tǒng)自動(dòng)控制閘閥門的開關(guān)動(dòng)作，并具備多重自動(dòng)保護(hù)功能，自動(dòng)檢測(cè)動(dòng)力、控制電源的電壓、電流，閘閥門電機(jī)電流，自動(dòng)形成數(shù)據(jù)庫(kù)存入計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)管理員能準(zhǔn)確了解系統(tǒng)在過(guò)去任意時(shí)刻動(dòng)力、控制電壓、電流數(shù)值，以及電機(jī)運(yùn)行時(shí)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(shí)時(shí)觀測(cè)船閘三級(jí)水位，保證船閘安全運(yùn)行。同時(shí)，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(dòng)廣播，操作全部可在操作面板上進(jìn)行。對(duì)通航信號(hào)指示燈系統(tǒng)根據(jù)船閘運(yùn)行的實(shí)際狀況自動(dòng)進(jìn)行切換控制。上位機(jī)平時(shí)顯示閘閥門狀態(tài)畫面及三級(jí)水位，需要時(shí)，可進(jìn)入報(bào)表界面，參數(shù)記錄界面及故障報(bào)報(bào)警界面。
控制系統(tǒng)采用施耐德電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控分合閘。在船閘遇特殊情況需斷開所有動(dòng)力電源時(shí)，操作員按任一個(gè)“急停”按鈕后，系統(tǒng)立即斷開船閘所有動(dòng)力電源。在故障排除后，只需按“合閘”按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)合上動(dòng)力電源。此外，考慮到今后擴(kuò)展、聯(lián)網(wǎng)的需要，系統(tǒng)的所有開關(guān)量、模擬量輸入、輸出模塊留有一定的空余點(diǎn)數(shù)，所有控制電纜均留有一定的未用芯數(shù)，所有動(dòng)力電纜的容量也留有一定的裕度。使得一旦系統(tǒng)的功能需要進(jìn)一步完善，現(xiàn)有的PLC輸入輸出點(diǎn)及電纜能在一定范圍內(nèi)滿足要求。
5.2 系統(tǒng)的主要安全保護(hù)措施
控制系統(tǒng)電源與動(dòng)力電源完全隔離，控制電源經(jīng)精密凈化穩(wěn)壓后再經(jīng)在線式UPS輸出到控制系統(tǒng)，控制按鈕全部使用24V直流電源。有效保護(hù)操作員及機(jī)電人員的操作、維護(hù)安全。
接觸器采用施耐德產(chǎn)品，具有質(zhì)量好、體積小、噪音小、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。接觸器上端安裝斷路器，便于斷開電源檢修維護(hù)。
PLC輸出端全部安裝自動(dòng)空氣斷路器，任一線路發(fā)生短路等故障時(shí)，能迅速斷開，機(jī)電養(yǎng)護(hù)人員能迅速知道故障原因，并且無(wú)需更換熔絲。
對(duì)閘閥門電機(jī)采用雙重保護(hù)措施：
(1) 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)柜內(nèi)安裝閥門電機(jī)綜合保護(hù)器(閘門變頻器本身就是性能較好的電機(jī)保護(hù)器)，在電機(jī)過(guò)壓、過(guò)流、缺相、短路等情況下自動(dòng)斷開電源以保護(hù)電機(jī);
(2) 在閘閥門電機(jī)上端加裝電流傳感器，信號(hào)送至PLC，PLC對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)處理后，發(fā)現(xiàn)異常情況斷開相應(yīng)的接觸器電源。
閘閥門限位開關(guān)均使用進(jìn)口元器件，動(dòng)作可靠，并全部使用雙限位，即一旦某一限位開關(guān)發(fā)生故障后，不影響船閘的安全運(yùn)行，系統(tǒng)對(duì)限位開關(guān)的運(yùn)行狀況具有自動(dòng)檢測(cè)功能，便于機(jī)電養(yǎng)護(hù)人員進(jìn)行檢修。
6 結(jié)束語(yǔ)
自施耐德Quantum系列PLC在船閘控制系統(tǒng)中應(yīng)用以來(lái)，以其優(yōu)異的性能，極低的故障率，大大提高了船閘控制系統(tǒng)的安全性與可靠性，有力地保障了蘇北運(yùn)船閘的安全與暢通。可以預(yù)見，隨著船閘電氣自動(dòng)化控制要求的逐步提高，最終將實(shí)現(xiàn)船閘綜合自動(dòng)化，施耐德Quantum PLC必將在船閘有著更廣泛的應(yīng)用。
本文摘自《PLC&FA》
（轉(zhuǎn)載）
