葛洲坝船闸“三闸一控”设计与实现

摘 要：本文简要介绍了葛洲坝船闸“三闸一控”设计与实现，这是一个基于工业以太网络、PLC和PC工作站的分布式监控系统，管控一体化设计思想，同时在关键部分采取冗余容错措施，较好实现了三座船闸的统一调度、管理和控制，对通航设施集群控制有借鉴意义。

关键词：三闸一控 管控一体化 冗余容错

葛洲坝水利枢纽通航建筑物共有三座船闸(一、二、三号船闸)，三座船闸均为单级船闸；三座船闸控制设备相互独立。船闸现场主要的受控设备包括上下闸首人字门启闭机、输水阀门液压启闭机、防撞警戒装置、活动公路桥、活动道闸、排水设备、变电所供电设备等。三峡双线五级船闸分布式计算机监控系统投入运行以来，船闸监控技术发展迅速，对于串级布置的多级连续船闸（或升船机），或并行布置的多座船闸（或升船机），利用冗余容错技术，采用分层分布式计算机监控系统实现整体的调度、操作、运行、维护和管理，有着无比的优越性。基于这种设计理念，2009年葛洲坝船闸进行“葛洲坝船闸集中控制系统改造工程（简称“三闸一控”）的技术研究，2010年5月付诸实施。

?荩“三闸一控”构想

葛洲坝船闸集中控制系统采取全面改造，“三闸一控”的目的是通过分层分布式计算机监控系统结构，采用新技术、新产品、新工艺，实现葛洲坝三座船闸及附属系统的集中控制、集中运行管理，设备的统一检修维护管理。同时在关键部位采取“硬件冗余、软件容错”措施，大大提高系统可靠性。使葛洲坝船闸的运行管理效率和信息化水平再上新台阶。

三座船闸设置1套控管中心设备，由控管中心计算机监控工作站、I/O服务器、管理工作站、工程师站及网络设备等组成。共同完成三座船闸现场设备监控。

每座船闸设置1套分控系统设备，分别由分控中心计算机工作站、现场分布式控制PLC系统设备和工业以太环网设备组成。完成单座船闸的操作控制。

现地机房设置现场控制设备，包括PLC远程I/O站、继电逻辑控制回路、动力回路、传感器和执行机构等。

同时为提高系统安全可靠性，系统从多方面采取了冗余容错措施：PLC主机及网络通讯进行冗余配置；对系统输入应根据控制需要采用有选择的冗余；对控制输出采用冗余输出；重要电源供电、传感器进行冗余配置；在应用软件设计中必须对冗余配置进行识别、诊断，实现船闸的分级容错运行。

?荩葛洲坝船闸管控系统设计

1、总体设计

葛洲坝船闸集中控制系统设计按照“硬件冗余、软件容错”、“集中管理、分散控制”、“适当的控制功能与管理功能分配”设计思想，利用计算机技术、网络技术、控制技术，将“控制”与“管理”紧密结合，构建分层分布式集中监控系统(“管控一体化”系统)，最终实现彼此独立的三座船闸监控系统有机地联成一个整体。该系统分为集中控管中心控制层、船闸分控中心控制层，现地PLC设备控制层。系统每层之间采用工业以太网进行通讯连接，系统的重要部位冗余配置。保证船闸集中控制系统具有较高的安全性、可靠性、实时性、可用性和开放性，而且系统还具有良好的可操作性和可维护性。

第一层为现地控制层，由分布在船闸各现地控制机房的动力控制设备、各类现场传感器、开关设备、通航信号设备和PLC远程设备（R-I/O）等构成。每个船闸各包括4套闸阀门现地控制单元，每个现地控制单元包括现地紧急继电器手动控制、现地PLC远程I/O自动控制设备、触摸屏设备。实现船闸现地启闭操作、状态监视和故障保护功能。

第二层为分控中心控制层，主要指布置在1#-3＃船闸集中控制室内的分控中心设备。每座船闸均设置1套分控中心计算机监控系统，共3套。每套分控中心系统包括船闸控制网和分控工作站、双机热备PLC系统主站等设备，实现单座船闸的整体运行协调控制和监视管理，按选定的运行程序和现地设备状态，顺序向下层现地控制站动作命令、以及信息采集管理显示等。

第三层为集中控管层，主要指布置在控管中心的设备。控管中心计算机监控系统由中心控制网、监控工作站、工程师工作站、数据存储服务器、管理工作站、KVM切换器、打印机和其他设备等组成。其中，1#-3#操作员站负责完成三座船闸的整体运行协调控制和监视管理；数据存储服务器负责完成对运行数据的归档存储；工程师站负责船闸计算机监控系统的软件维护和管理，并同时具有培训功能，信息、文件的主题检索功能等；管理工作站用于船闸运行实时、历史数据的查询、趋势分析，生成和打印各项运行报表，负责设备资源管理工作。

三层结构之间有明确的分工：现地设备的动作由现地控制层进行控制，如人字闸门、输水阀门的启闭，防撞装置升降控制，通航指挥信号灯的转换，以及现地设备工作状态信息的采集与上送、故障保护等；分控层在集中控管层网络离线或经身份认证取得控制权时，能实现单座船闸的整体运行操作、控制和监视管理，按照运行工艺流程和现地设备状态，显示船闸的运行状态和控制船闸的运行等；集中控管层是三座船闸的一体化控管中心，主要承担三座船闸整体运行的协调控制和监视管理，实现葛洲坝三座船闸的集中监控与信息化的系统管理。

系统遵循“现地控制”、“分中心控制”、“中心远方控制”优先原则顺序。“现地控制”具有最高优先级，在任何情况下，现地操作具有绝对的优先权，且输水阀门的关闭操作优于人字门。只有当系统处于中心远方控制方式下，控管中心才能对系统实现控制功能，其它方式下，控管中心仅具有数据监视功能，不具有控制权。当某一现地控制设备处于现地控制或分控中心控制方式时，控管中心计算机监控系统的自动运行控制方式也将自动取消，但控管中心计算机监控系统仍可以进行远方监视。

2、软件设计

葛洲坝船闸集中监控系统改造工程软件包括：计算机操作系统软件、支持软件；计算机监控组态软件、工业数据库软件、PLC/触摸屏编程维护软件；船闸监控、PLC控制、触摸屏监控应用软件。

1）软件平台环境

船闸计算机监控系统采用标准的WINDOWS XP中文专业版操作系统，具有强大的通用性和易维护性。

2）软件开发工具

组态软件---Vijeo Citect。船闸计算机监控系统中各节点计算机监控软件采用工业组态软件开发，工业组态软件选择施耐德电气公司的Vijeo Citect产品，与现地站Unity Quantum PLC同为施耐德电气公司的产品，Vijeo Citect为Quantum控制平台量身定做，无缝集成施耐德电气的自动化产品，确保系统通讯及监控功能的可靠实现。Vijeo Citect组态软件采用客户机/服务器系统结构，内置冗余功能、Web Server及多种连接驱动，由服务器软件、客户端软件、归档数据库及WEB服务器软件等构成。软件授权支持系统开发及运行要求，采用USB加密狗授权方式。

数据库软件。Vijeo Citect软件基于SCADA系统的实时数据库管理平台，集成了全面完备的实时数据库、历史记录数据库和数据分析包。软件系统良好的兼容性保证了它能够胜任系统的数据处理工作。Vijeo Citect软件通过Modbus TCP/IP与3座船闸控制系统建立连接后，能自动采集定义的变量、报警、趋势，在实时数据库进行存储，并且为信息的分析处理、报表的生成提供平台。实时数据库服务器是整个系统的实时数据的存储中心，也是实时数据库管理软件的运行平台。同时，Vijeo Citect软件集成有基于SQL Server的历史数据库对定义的报警、归档和事件记录等进行数据库存储。Vijeo Citect软件能自动实现船闸控制系统实时数据和历史数据库数据记录功能之间快速有效的链接，实现历史数据的归档和查询。控管中心2台数据存储服务器之间通过配置磁盘阵列，实现2台数据服务器的数据一致性和冗余功能。

PLC编程软件---Unity Pro。Unity Pro是用于Quantum PLC的符合IEC 61131-3标准要求的编程、调试和运行的软件。软件采用模块化编程结构。

触摸屏组态软件---Vijeo Designer。Vijeo Designer软件是施耐德人机界面触摸屏专用组态配置软件。可运行于Windows2000或XP专业版操作系统。软件采用流行的视窗界面风格，拥有丰富的系统配置、画面组态、驱动连接、动画编辑功能，支持PC模拟仿真功能。

3）应用软件

葛洲坝船闸集中控制系统应用软件包括：控管中心计算机监控应用软件、分控中心计算机监控应用软件、现地控制应用软件。这些软件彼此相互联系，共同实现船闸的运行控制、监视、记录和查询等功能。

?荩船闸模拟与仿真设计

1、总体描述

为保证葛洲坝船闸集中控制系统厂内调试和出厂试验及验收能有效验证系统软硬件功能，通过设计开发一套船闸模拟仿真系统实现。

模拟仿真系统通过计算机软件开发配合系统模拟数据接口连接实现，系统能自动模拟船闸运行工艺过程中所有的信号状态。包括：上下游/闸室水位变化关系、船闸上下游闭锁信号、闸阀门启闭机状态和运行数据、船闸现场检测信号、电气及液压系统设备状态信号、模拟船闸事故门、活动桥、防撞等设备运行及状态信号。系统能根据船闸运行工艺过程自动实现信号变换，全面仿真船闸运行过程，通过网络，这些信号传递给集中监控的PLC系统，提供控制系统的原始信号模拟，验证控制功能。

2、软硬件结构

船闸模拟与仿真系统采用施耐德Vijeo Citect软件开发，运行于工程师站计算机平台，通过交换机，使用Modbus TCP/IP网络协议与控制系统热备PLC进行通讯。

3、模拟仿真功能

船闸模拟与仿真系统通过软件开发，模拟PLC控制系统所需的现场信号。控制系统在设计过程中，统筹考虑预留模拟测试功能接口，在工厂测试和验收过程中采用模拟地址区信号，进行系统工艺、功能及软件控制功能的验证。检验合格后，切换到实际地址区信号，不影响系统在现场调试、测试及验收时的整体结构和功能。

船闸模拟与仿真系统通过软件开发，提供丰富的状态显示及设置界面。可以自动模拟船闸正常过闸工艺流程，包括上行/下行过闸，验证集中监控系统 ；也可以手动设置流程意外事故信号，以便测试系统在故障时的各项保护和报警功能；还能对船闸所有信号状态和数据进行手动设置，以便验证系统报警检测、事件记录及权限管理等各项功能。

?荩结语

葛洲坝船闸计算机监控系统改造借鉴了三峡双线五级船闸计算机监控系统实施的成功经验，同时又采用了双光纤分布式I/O环网、分布式计算机监控软件平台、智能光纤传输紧急操作回路控制等先进技术，大大提高了系统整体性能，对于通航设施集群控制有重要推广意义。

(第一作者单位：武汉数字工程研究所)