Abstract: This paper briefly introduces the project overview of the ship lock and describes the design principles of the computer monitoring system and the ship lock.
The computer monitoring system realizes the structural configuration and functions, and improves the safety coefficient and production efficiency of ship locks.
Key words: Ship lock Upper computer Monitoring system
【中图分类号】TP277.2 【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2018）03-0000-00
1 引言
随着自动化技术和信息化技术不断发展，以及运行管理体制的改革，对水利水电工程的自动化技术提出了更高的要求。计算机技术、信息技术和现场总线技术的飞速发展给水利水电工程自动化系统无论在结构上还是功能上，都提供了一个广阔的发展空间。水利水电工程自动化系统应该成为一个集计算机、远程控制、网络以及多媒体为一体的综合系统。
2 工程概况
某供水枢纽工程为省重点水利工程，是具有防洪、供水、发电、航运等综合效益的大型水利工程。枢纽船闸为V(Ⅲ)级设计船闸，闸室有效尺寸为长
西溪船闸计算机监控系统的监控对象包括：船闸上闸首左右侧人字门、左右侧廊道工作门；船闸下闸首左右侧人字门、左右侧廊道工作门；闸坝配电房的船闸相关配电设备；过往船只管理(包括通航信号灯、广播设备)及收费等。
3 工程规划
3.1 设计原则
船闸计算机监控系统必须响应速度快，可靠性、可利用率高；可适应性强；可维修性好；先进、经济、灵活和便于扩充。
(1)船闸计算机监控系统采用基于Windows NT 操作系统的全分布开放系统结构，采用开放式、分层分布式设计；采用容错设计，并保证不会因为任何一个器件发生故障而引起系统误操作；采用光纤以太网网络结构和成熟的标准汉化系统。
(2)船闸和闸坝配电现地控制单元(LCU)以S7-300系列可编程序控制器(PLC)为基础，采用模块化结构，具有自诊断功能，即使主控制级计算机发生故障，仍可通过LCU的触摸控制屏、控制开关、指示表计等对各现地设备进行监视。
(3)采用GPS卫星时钟系统对监控系统的主控级计算机和各现地控制单元(LCU)进行时钟同步，使计算机监控系统的时间与标准时间同步。GPS通过串口将时钟信号发送到主机，由主机将时钟公布于以太网上。
(4)监控管理层与现地控制单元采用光纤电缆连接；监控管理层设备因布置相对集中，采用双绞线网络电缆连接。网络速率为100Mbps。其网络设备包括快速以太网交换机和附属设备，将监控系统设备连接成以太网。
3.2 架构设计
枢纽船闸计算机监控系统采用分层分布式结构，采用开放式、全分布设计,由集中控制单元和现地控制单元两部分组成。船闸计算机监控系统还包括广播、收费、通航信号灯等设备，与西溪船闸工业电视图像视频系统构成一个完整的、独立的船闸控制监视综合系统。
船闸监控系统的网络拓朴结构分为以下三层，最上层是监控管理层，包括2台互为热备用的操作员工作站(监控主机)、1台数据服务器、1台调度工作站、2台收费工作站以及视频监视主机。中间层是现地LCU控制层，现地LCU向上通过以太网通信模块与监控管理层实现通讯，通讯介质为光纤，上下闸首的两台收费工作站通过光纤以太网和监控管理层相连。现地LCU分布在上闸首、下闸首的左右机房和闸坝配电房内。底层是设备与器件层，各种设备与器件通过硬线电缆与LCU及继电器、接触器相连接。各PLC与上位机之间的通讯采用光纤以太网。现地控制单元PLC之间通过PROFIBUS DP现场总线实现连接，总线安装方便简单，各PLC之间实现监测数据共享，LCU主要完成被监控设备的就地数据的采集及监控功能。
船闸收费系统作为计算机监控系统中一个重要的子系统，完成对过往船只的注册登记、收费管理的采集船只信息与完成缴交过闸费用的任务。船闸收费调度系统船闸收费调度由收费工作站、读卡器、调度工作站和数据库服务器等组成。收费工作站一般放置于上游(下游)收费亭内，调度工作站放置于中控室。收费工作站通过RS232串口与读卡器相连。
3.3 集中控制中心层配置
(1)操作员工作站：两台工作站互为热备用。操作员工作站供运行值班人员使用，具有图形显示、全船闸监视、操作控制命令等功能。船闸所有的操作控制都可以通过鼠标器及键盘实现；通过彩色显示器可以对船闸的状况运行作实时监视，并取得所需的各种信息。
(2)数据服务器：用于存储船闸监控系统的历史数据，为运行值班人员查询提供历史数据；进行系统内操作权限的设置、以及预留与枢纽调度的通信接口。
(3)两台网络打印机：用作图形和曲线及运行打印，完成监控系统的打印服务功能。打印机通过操作员工作站连接到监控系统的以太网上，通过网络实现共享。
(4)配置1套模块化结构、在线式N+1冗余的不间断电源(UPS)构成电源系统，供船闸计算机监控系统监控管理层、船闸工业电视系统等相关系统使用。该型UPS采用模块化N+1冗余结构，每个模块3KVA，当模块故障时，不影响其它模块的运行。
(5)广播系统由音源、有线话筒、无线话筒、无线接收机、前置放大器、功率放大器、矩阵分区和前端喇叭组成，布置于船闸监控室内，在闸室上下游各装设1个喇叭，闸室中间一侧装1个喇叭，在上下游挡墙末端各装1个喇叭，共5个，作为通航时组织船只进出船闸之用。
(6)上、下游收费亭内各设一台收费工作站，用于船闸收费管理；收费设备采用刷卡器，由船闸运行管理单位向过往船只发卡，过往船只可随时通过收费设备进行充值。
3.4 现地层配置
(1)船闸计算机监控子系统设五个现地控制单元(LCU)，其中四台LCU各负责本闸首的人字闸门、廊道工作门的控制以及液压泵组的控制。各闸首LCU之间的通信通过现场总线的方式来实现；各闸首LCU屏与上位机之间的通信由光纤传输实现，在系统中除配备必要的防雷设备外，另配8个信号避雷器，用于水位计、通航信号灯的信号防雷。另一台为公用LCU的PLC用于船闸高低压配电装置。
(2) 闸坝配电房LCU屏布置于闸坝配电房内，主要对闸坝配电房内的坝区变及柴油发电机断路状态、电流及电压量等进行监视。配电房LCU屏内配置各PLC模块、以太网模块、彩色液晶触摸屏等之外，还设置必要的信号指示灯、远方/现地权限切换开关、手动操作按钮等元器件；设UPS电源及避雷器，控制电源由配电房中的专用电源上引出。
(3) 通航信号灯包括上下游远程信号灯、上闸首进出闸信号灯、下闸首进出闸信号灯等。电源由船闸照明电源回路中引出。
4 集中控制
集中控制层设备布置在船闸上闸首集中控制室内，操作员工作站通过鼠标和键盘在屏幕上进行操作，操作员工作站还具有管理功能。 监控室的操作优先权低于现地控制单元。
4.1 数据采集和处理
(1)数据采集：接收各现地LCU屏发送的有关数据并存入数据库，用于显示器画面更新、控制调节、记录检索、操作指导及故障记录分析。故障报警信号应优先传送，并登录故障发生的时间，数据采集除周期性进行外，在所有时间内，可由操作员或应用程序发命令采集任何一个控制单元的信息。
(2)数据处理：对数据编码、校验传递误差、误码分析及数据传输误差控制；生成各种数据库，供显示、刷新、打印、检索使用；对数据进行越限比较，越限时发出报警信号并打印记录；事件顺序记录，及时处理生产过程中发生的每一个事件，记录每个事件发生的时间和事件性质，事件包括正常操作和故障；对重要监视量进行运行变化趋势分析并及时提醒操作运行人员。
4.2 运行监视、控制、调节和操作
(1)每台操作员工作站设置1台彩色液晶显示器(LCD)，用于监视船闸运行情况和液压启闭机的运行工况以及闸坝配电房的一次主接线，主接线上应实时显示船闸配电相应断路器的位置状态、各电流电压量等。
(2)运行操作人员能通过操作员工作站对船闸各液压启闭机进行控制和调节。
(3)运行操作人员能通过操作员工作站对闸坝配电房的主回路设备、供电状态进行监视等操作，系统能显示配电间的一次主接线及变压器高、低压侧断路器、柴油发电机断路器的位置。当运行设备故障时，监控室有报警音响信号。
(4)船闸监控系统实现接收、显示收费工作站的收费信息、来往船只信息等。
4.3 记录、报告、统计制表
(1)所有监控对象的操作、报警事件及实时参数等都予以记录，对故障信号进行事件顺序记录；运行管理人员可通过操作员工作站方便地进行人机对话，按航次自动登录各闸室人字门、输水阀门的运行情况，启、闭时间以及上、下游和各闸室的水位、开度等信息，按要求形成统计报表；
(2)将所有的操作自动按其操作顺序记录下来，包括操作对象、操作指令、操作开始时间、执行过程、执行结果及操作完成的时间、操作员的姓名等；自动将各种报警事件按时间顺序记录其发生的时间、内容和项目，生成报警事件汇总表；记录故障发生前后一段时间里重要实时参数的变化情况；并自动记录与故障量相关的参数；记录重要监视量的运行变化趋势，并进行趋势分析；
(3)船闸过船运行情况记录：由运行管理人员将船队基本情况如船名、船队尺寸、吨位、时间等输入计算机内，形成各种统计报表，表格格式应可由用户方便地重新进行设置。
4.4 远程控制
远程控制能可靠、实时地与各现地LCU屏通信，向各现地LCU屏发送指令，并接收现地LCU屏上送回的各种信息；留有足够的备用通信接口，满足系统扩充需要。
5 现地控制LCU
各现地控制单元(LCU)以S7-300系统可编程序控制器(PLC)为基础，具有自诊断功能，即使监控管理层计算机发生故障，仍可通过LCU的控制开关、按钮、信号灯、表计等设备对各地设备进行操作和监视。配电房LCU通过PLC的100Mbps以太网模件以光纤网络方式实现与交换机的通讯。各现地控制单元的监控对象分别为相应的人字门、廊道工作门和配电房设备。
5.1 数据采集与处理
(1)船闸闸首LCU屏通过开度传感器对左、右人字门、廊道工作门的开度及其偏差值进行监控；对各人字门上、下游侧水位及水位差进行实时检测；对液压系统的压力、油位等重要信号量进行监视；对油泵运行状态的监视；能将采集的数据量和过程控制状态量、电气保护报警量、机械保护报警量在闸首LCU屏上显示和报警并根据需要上送监控室操作员工作站。
(2)配电房LCU屏能采集变压器及柴油发电机的断路器位置信号。
(3) 故障情况下能自动采集故障发生时刻的有关数据，并按其发生的顺序记录故障的性质和发生的时间。
5.2 运行显示、控制、调节和操作
(1)船闸闸首LCU屏能通过按钮、开关、信号指示灯等对现场各电气量和非电气量进行监视、控制和调节；
(2)闸门闸首LCU屏至少完成下列控制和调节工作：廊道工作门、人字门及液压系统的程序控制功能；廊道工作门、人字门及液压系统的单项控制功能；廊道工作门、人字门、油泵的手动控制；完善、可靠的信号、控制闭锁功能；各控制参数能方便地进行修正、自适应功能；完善、可靠的闭环控制功能。
(3)人字门上、下游侧没有平压，则人字门不能开启，超时有报警指示，并根据需要将信息上送操作员工作站。各船闸闸首LCU屏之间有可靠的闭锁关系，除可采用通信接口联系以外，还有硬接线逻辑进行闭锁；
(4)船闸闸首LCU屏设置紧急停机按钮，以实现紧急停机；
5.3 通信功能
现地控制单元与操作员工作站之间采用以太网方式OPC通讯方案进行传递命令与信息，根据操作员工作站的命令随时上送要求的信息；故障情况下，及时向操作员工作站发送故障信息；现地控制单元触摸屏与PLC采用MPI串口或PROFIBUS总线通信，在上位机无法控制时，触摸屏可对船闸等设备控制，同时船闸等设备状态和测值监视。PLC之间采用PROFIBUS总线进行通讯。
5.4 自诊断功能
(1)现地控制单元能诊断出下列硬件故障：CPU模件故障；I/O控制模件故障；接口模件故障； 通讯控制模件故障；电源故障；被控对象元、器件的故障。
(2)当诊断出故障点时能自动闭锁控制出口，并将故障信息上送操作员工作站；同时，现地控制单元上有显示和报警。
6 结束语
监控系统自投入运行以来，系统运行较稳定，能准确、实时地反映船闸系统设备的运行状态和参数，能准确、可靠地控制现场设备，确保了船闸稳定安全运行。但随着自动化技术的发展与实际运行情况的需要，也进行了一些功能上的改进与完善。详细介绍了计算机监控系统的设计原则以及船闸计算机监控系统实现结构配置和功能，为枢纽船闸的安全高效运行提供了重要技术支撑和保障，同时也为其它水利枢纽工程设计和运行提供借鉴。
参考文献（略）
作者简介
刘峥 男 工学学士 助理工程师 研究方向：工业自动化系统集成工程领域
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