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，這類電氣控制的主要對象是液壓泵站的電機接觸器線圈和液壓閥件線圈;橫拉門采用的是電動機械傳動啟閉機，這類電氣控制的主要對象是啟閉電動機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具有很強的靈活性、編程方便、功能多、體積小、抗干擾能力強等諸多優(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: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(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，閘閥門電機電流，自動形成數(shù)據(jù)庫存入計算機，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數(shù)，所有控制電纜均留有一定的未用芯數(shù)，所有動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、使用壽命長等優(yōu)點。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空氣斷路器，任一線路發(fā)生短路等故障時，能迅速斷開，機電養(yǎng)護(hù)人員能迅速知道故障原因，并且無需更換熔絲。
對閘閥門電機采用雙重保護(hù)措施：
(1) 動力驅(qū)動柜內(nèi)安裝閥門電機綜合保護(hù)器(閘門變頻器本身就是性能較好的電機保護(hù)器)，在電機過壓、過流、缺相、短路等情況下自動斷開電源以保護(hù)電機;
(2) 在閘閥門電機上端加裝電流傳感器，信號送至PLC，PLC對傳感器信號進(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行，系統(tǒng)對限位開關(guān)的運行狀況具有自動檢測功能，便于機電養(yǎng)護(hù)人員進(jìn)行檢修。
6 結(jié)束語
自施耐德Quantum系列PLC在船閘控制系統(tǒng)中應(yīng)用以來，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船閘的安全與暢通。可以預(yù)見，隨著船閘電氣自動化控制要求的逐步提高，最終將實現(xiàn)船閘綜合自動化，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》
