船闸机电控制系统的设计与应用.docx
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船闸机电控制系统的设计与应用
船闸机电控制系统的设计与应用
PLC控制四层电梯毕业设计
作者：
李勇伟出处：
阅读：
发布时间：
2006-6-308:
57:
00供稿：
浙江省交通规划设计研究院（310006杭州市环城西路...我国计算机应用的发展现状与趋势
PLC控制技术在梅溪桥闸的应用
GPRS远程数据采集检测系统
浅谈软起动
基于WEB的化工企业人力资源管...
1概述功率因数对软起动的影响
本机电控制系统，设计用于某四级航道的船闸中。
设计满足吨级船舶通航要求设计，也可满足吨级船舶通航要求。
转子变频
以太网与现场总线技术
本系统为船闸营运管理控制提供保证，包括机电、调度、收费三大内容。
用AT89C51设计智能流量显示仪
1、船闸运行自动控制系统，包括：
1）集中控制室程序运行控制
2）闸首就地站单闸首集控及单侧闸（阀）控制
3）通行信号灯程序控制
4）通航照明控制（包括闸室、靠船墩、引航道）
5）广播指挥系统
2、船闸运行视频监控系统
3、船闸过闸调度与收费系统，包括；
1）船舶登记、收费及调度
2）LED可变信息图文显示板
2自动控制系统
2.1主要控制对象技术参数及控制要求
2.1.1通航闸门及启闭机
1、技术参数
全闸共设扇三角闸门，上、下游各扇，每个闸首由左右扇三角门组成。
钢结构三角门面板为园弧形，朝向引航道。
上游
闸门高.6m，下游闸门高.8m，单扇闸门宽.357m（按弧长）。
闸门启闭机可以在一定水位差条件下动水启闭，均采用液压直推式启闭机，全闸共布置台，上、下闸首各台，同一闸首
同侧闸门启闭机与阀门启闭机共用套油泵泵站。
2、控制要求
同一闸首通过电液控制，完成扇闸门的同步开启、关闭。
1）关门
按下关门按纽，两扇门叶同时朝关门方向运行，当门叶旋转到离全关位置¡ã（关前位）时均自动暂停，然后两扇门同时运行
至全关位置，当门叶到达全关位置后，电磁阀复位，然后油泵电机自动停止工作。
2）开门
当闸门前后水位差小于cm时给出指示信号，按下开门按纽，启动油泵电动机，控制相应的阀组，使左右两扇门叶朝开门方
向运转，到达全开位置后自动停止。
2.1.2输水阀门及启闭机
1、技术参数
全闸共设扇阀门，上、下闸首各扇，采用单吊点潜孔式平面钢闸门。
阀门启闭机为动水启闭，均采用具有强落阀功能的液压直推式启闭机。
在正常运行情况下（门前后平压状态）靠自重关阀，
紧急情况下（门前后有水位差）时可强压关阀门。
2、控制要求
通过控制三位四通电磁换向阀来控制阀门的上升或下降操作。
1）开门
当另一闸首的闸门处于全关位置，按下开阀门按纽，同一闸首两侧边墩的输水阀门同时以调定的速度开启，至全开位置后停
止，并以信号显示。
阀门开启时可以锁定在任意高度的位置。
2）关门
按下关阀门按纽，同一闸首两侧边墩的输水阀门同时关闭（靠自重关阀），至全关位置后停止，并以信号显示。
2.1.3通行信号灯
1、技术参数
通行信号灯包括远程信号、进闸信号及出闸信号。
远程信号分别设置在上、下游引航道船舶停泊区端部，进闸及出闸信号分
别设置在正对船舶航行方向右侧的闸首进、出口处。
通行信号灯均采用红、绿双色LED信号灯，红色表示禁止通行，绿色表示允许通行。
2、控制要求
进闸及出闸信号采用程序控制，自动转换，操作地点为集控室。
远程信号灯采用手动转换，在闸首调度室进行操作。
2.1.4通航照明
1、技术参数
通航照明区域包括闸室，上、下游引航道闸首出口段，靠船墙（墩）段。
其中闸室段为分散照明，采用杆高m的双叉路
灯，双侧布置，间距为.4m，光源为x250W高压钠灯；上、下游引航道闸首出口段及靠船墙（墩）段为集中照明，设
m高倾倒式高杆灯若干座，间距约m，每组高杆灯装～只W投光灯，朝水面的¡ã范围内呈扇形布置。
2、控制要求
一般情况下，由设在集控室控制台上的计算机或通航照明控制箱进行控制。
也可以在闸首就地站对所辖照明线路配电开关
（接触器）进行就地控制操作。
通航照明将根据周围环境和运行照度要求合理选择控制方式，采取分区分组控制等措施，降低电能消耗，达到节能的目的。
2.2船闸运行方式
船闸运行方式是指按上行过闸和下行过闸的过程进行船舶过闸运行，二个过闸过程交替进行，上行过闸完毕即进入下行过闸
准备，下行过闸完毕即进入上行过闸准备。
1、上行过闸：
上行过闸是指船舶从下游到上游的过闸过程。
上行过闸时，下闸门已经打开，闸室水位与下游水位齐平，船舶可以从下游驶
入闸室停泊。
当全部上行船舶进闸完毕，关下闸门，下闸门关终后，打开上阀门，上游向闸室灌水（在反向水头时，闸室向
上游引航道泄水），当闸室水位与上游齐平时，打开上闸门，船舶出闸驶入上游。
2、下行过闸：
下行过闸是指船舶从上游到下游的过闸过程。
下行过闸时，上闸门已经打开，闸室水位与上游水位齐平，船舶可以从上游驶
入闸室停泊。
当全部下行船舶进闸完毕，关上闸门，上闸门关终后，打开下阀门，闸室向下游泄水（在反向水头时，下游引
航道向闸室灌水），当闸室水位与下游齐平时，打开下闸门，船舶出闸驶入下游。
3、单向过闸流程
2.3自动控制系统方案说明
2.3.1概述
系统根据集中控制和就地分散控制相结合的原则进行总体设计，采用基于PLC的集散型分布式控制结构。
系统功能分布在网络的各个节点中，各功能单元既独立又相互协调运作，任一节点的故障不影响其它节点的正常工作。
各单
元既可以对所辖对象进行单项控制操作，又可以通过通信网络，协同进行联合运行，连续自动地完成船舶上行过闸或下行过
闸的集中程序控制。
系统主要控制对象包括：
上、下闸首闸门和阀门启闭机组，进闸信号和出闸信号，与船闸运行有关的通航照明等。
2.3.2系统结构
1、系统采用集散型分布式结构，分为集中控制和现地分散控制2个层次，集中控制为主，分散控制为辅助手段。
2、集中控制层用于实现对整个船闸的程序集中控制，包括上行程序和下行程序。
由2套冗余热备的工业控制计算机和操作
台及其他外部设备（如打印机等）组成，布置于集控室内。
3、现地控制层共设4套现地PLC，分别设于上、下闸首两侧机房的控制柜内。
其中，设于靠闸管所一侧机房的PLC通过现
场总线与对侧的PLC进行通讯连接，可以完成单个闸首两侧闸门、阀门的现地集中控制，对侧PLC则不设此项功能，仅完成
本侧闸门、阀门的就地控制。
4、集中控制与现地控制相互闭锁，通过安装在现地PLC柜上的“本侧/双侧、“就地/远方”转换开关控制。
确保在同一时
间内，对闸、阀门的启闭只能用一种方式进行操作。
现地优先权最高，上位机其次。
5、上闸首集控PLC，下闸首集控PLC，船闸集控计算机之间通过光缆组成环型工业以太网，数据和命令的交互采用标准的
工业以太网通信协议。
2.3.3运行控制方式
1、按照操作地点分为：
集中控制和就地控制，2者互锁。
2、按照操作方式分为：
程序运行控制，单个闸首就地集中控制，单侧闸（阀）就地控制，3者互锁。
1）程序运行控制：
船闸正常运行时，均采用此方式。
设于船闸集控室，按预先编制的程序对全闸进行远程监控操作，并对
所有设备的运行状态进行监视，从而连续自动地完成船舶上行过闸或下行过闸。
2）单个闸首就地集中控制：
当集控计算机故障或网络通讯中断时采用，设于上、下闸首闸管所一侧的现地控制柜，通过控
制柜上的触摸屏或操作按钮向PLC输入控制指令，分别完成上闸首或下闸首的二扇闸门和阀门的同步开启和关闭。
上、下闸
首之间通过硬接线对分段控制程序的闭锁条件进行判断。
3）单侧闸（阀）就地控制：
该控制方式仅在设备调试、检修时采用。
此功能设于上、下闸首两侧的现地控制柜，可独立进
行本侧闸墩三角门、阀门的开启和关闭。
3、船闸的闸、阀门启闭，在同一时间内，只能用一种方式进行操作。
正常运行情况下，船闸的运行控制均采用程序控制方
式。
2.3.4程序运行控制流程
1、上行程序
关下游闸门―>开上游输水阀门―>水位持平后自动开上游闸门－>关上游输水阀门。
该过程为集中连续过闸的上行过程，操作人员在集控室发关闸令后，控制系统通过程序自动判断运行条件，关闭下游闸门。
当下游闸门关终后，程序自动生成上游开输水阀门的指令。
等待上闸首充水水平后，自动生成开启上闸首闸门指令，闸门开
终后生成关闭上闸首输水阀门指令，阀门关终后上行程序流程结束。
2、下行程序
关上游闸门―>开下游输水阀门―>水位持平后自动开下游闸门－>关下游输水阀门
该过程为集中连续过闸的下行过程，操作人员在集控室发关闸令后，控制系统通过程序自动判断运行条件，关闭上游闸门。
当上游闸门关终后，程序自动生成下游开输水阀门的指令。
等待下闸首充水水平后，自动生成开启下闸首闸门指令，闸门开
终后生成关闭下闸首输水阀门指令，阀门关终后下行程序流程结束。
3、说明
船闸的集中程序控制方式是系统正常运行后使用最多的运行方式。
该方式对操作人员要求较低，只需形成初始启动信号即
可。
集中程序控制在软件实现上采用流程转步方法。
正确判断每个流程的当前程序步，形成各程序步控制指令。
同时，控制
系统在流程过程中，实时检测船闸的上下游闭锁关系及各类故障状态。
一旦发生故障，立即中断程序步的执行，确保系统的
安全可靠。
2.3.5系统功能
1、闸、阀门就地控制功能
就地控制包括了单个闸首就地集中控制、单侧闸（阀）就地控制两种方式，两者控制对象的范围不同。
以下仅对就地集中控
制的功能进行具体说明：
1）实时数据采集
采集的数据信息包括：
Ø闸门前、后水位
Ø电网电压、电流
Ø进线断路器合/分状态
Ø主电机和备用电机断路器合/分状态
Ø控制电源状态；
Ø“就地/远方”控制方式；
Ø电机运行状态；
Ø两侧闸门运行状态、运行位置和实时开度
Ø两侧阀门运行状态、运行位置和实时开度
Ø液压系统油压，压力报警信号（超压、欠压），滤油器堵塞报警信号，油箱油位过低报警信号
Ø闸门和阀门开终、关终行程开关状态
Ø上、下游闭锁状态
Ø进闸、出闸信号灯状态
Ø通航照明配电开关合/分状态等
2）运行显示及操作控制
Ø就地控制柜操作面板上装有液晶触摸屏（HMI）和LED信号指示灯，操作人员可以直观地了解本闸首所有设备运行、操作
的状态。
当闸（阀）门开/关指令下达后，触摸屏自动显示相应的监视画面。
画面以顺控流程框图的形式实时显示每个工步
的执行情况，或提示在工况转换过程受阻的部位及原因。
Ø就地控制柜在就地控制方式下，可以通过控制柜操作面板上的触摸屏（HMI）或按钮可进行开闸（阀）门、关闸（阀）
门、暂停、紧停等单项自动操作和应急处理操作。
Ø就地控制柜在远方集控方式下，通过工业以太网与集控计算机进行数据通信，执行上位机下发的控制命令，自动完成开闸
（阀）门、关闸（阀）门、暂停、紧急停止等各种操作，并将运行结果及时上送上位机。
Ø控制方式通过装于就地控制柜操作面板上的“就地/远方”钥匙转换开关来进行选择切换。
Ø进、出闸信号灯由预先编定的程序自动转换。
3）安全保护
4）故障报警
设有反映故障、越限等状态的音响报警和灯光报警装置，对重要的参数进行越限监视，并启动相应的处理程序。
5）应急处理功能
包括：
Ø暂停程序运行
Ø紧停主回路电源：
脱离PLC独立完成，直接作用于操作对象。
Ø紧急强迫落阀：
脱离PLC独立完成，直接作用于操作对象。
6）互锁功能
包括：
闸门和阀门运行的互锁，上行、下行分段控制的闭锁。
7）数据通讯功能
就地PLC通过工业以太网与集控计算机进行通信，上传现场采集的数据和事件信息，并接受集控计算机下发的控制命令。
8）硬件自诊断功能
2、船闸集中控制计算机功能
集控计算机负责协调和管理上、下闸首集控单元，收集现场有关的信息并作相应处理和存储，主要功能包括对整个船闸自动
化控制系统的管理，数据库管理，在线及离线计算功能，各图表、曲线的生成，事故故障信号的分析处理等。
计算机同时供运行人员使用，具有图形显示、运行监视、发布操作控制命令等功能。
在船闸运行集控室，通过计算机预先编
制的自动控制程序，实现船闸运行的连续自动控制或单项控制，同时对所有设备的运行状态进行监视。
船闸所有的操作控制都可以通过鼠标器及键盘而实现；通过显示器可以对全站的生产、设备运行作实时监视，并取得所需的
各种信息。
主要功能如下：
1）数据采集与处理
2）运行监视
3）控制操作和应急处理
4）安全运行监视及事件报警
5）数据统计、报表输出功能
6）自诊断和冗余切换
7）双机冗余容错功能
2.3.6主要控制设备组成和布置
1、信号采集传感器
由水位计，闸门开度传感器，阀门开度传感器，压力变送器，电压、电流变送器等组成，均分散布置于现场。
2、现地控制柜
分别设于上、下闸首靠闸管所两侧机房内，共4套。
3、集控计算机
设于船闸运行集控室内，共2套。
4、集控操作台
设于船闸运行集控室内，共1套。
5、网络通信设备
主要由光纤环网交换机等组成，共3套，分别布置于上、下闸首靠闸管所一侧的控制柜和船闸集控室内。
2.4控制系统的现场检测
1、概述
运行控制系统的现场检测包括电机拖动系统主回路电气参数、控制回路电气参数、水位、闸门和阀门的运行位置、各项互锁
状态、液压系统参数等。
2、闸（阀）门开度传感器
开度传感器用于检测闸（阀）门的运行位置，是非常重要的检测量。
宜采用带双恒力盘簧收绳装置的绝对型光电编码器，装
置内设有精密齿轮丝杆传动装置，可安装行程开关，行程开关的发讯位置可方便地通过位置螺杆进行调整，从而解决了闸门
行程开关难以解决的问题。
编码器输出采用SSI或Profibus总线接口直接接入PLC，由于没有数模转化的过程，可以充分保
证测量的精度要求。
3、水位计
水位信息在船闸自动控制中起着至关重要的作用，目前市场上的水位计常用的有：
浮子式，液位变送器式，超声波型等。
超声波型水位计为无接触式传感器，相比其它型式水位计具有与被测介质无关、安装简单、维护方便、可靠性高等诸多优
势，在目前水利系统水文测量中已广泛使用。
2.5通航照明控制
每侧闸室段的双叉路灯均按1、3、5、7…；2、4、6、8…的方式成组控制，按通航照明的需要，最多的时候灯全亮，最少
的时候仅二分之一的灯亮。
上、下游引航道闸首出口段及靠船墙（墩）段每只高杆灯分为3组进行控制，最多的时候灯全亮，最少的时候三分之一的灯
亮。
通航照明控制由设在集控室操作台上的计算机或由通航照明控制箱进行控制，也可以在闸首就地站对所辖照明线路配电开关
（接触器）进行就地控制操作。
2.6广播指挥系统
1、概述
广播指挥是配合船舶过闸调度运行的一个重要的手段，本设计采用业务广播和服务广播相结合的方式。
系统根据过闸调度的
业务需要，采用分区广播的方式，可以同时在多个地点对各个分区进行内容不同的广播。
系统由智能化广播主机、前端音源部分、遥控寻呼站、功能模块、功放及终端扬声器等组成。
2、广播区域及分区
包括：
上游引航道，下游引航道，上闸首上游侧、闸室侧，下闸首下游侧、闸室侧。
考虑到环保要求，室外扬声器均采用指向性强、对周围环境影响小的号角式扬声器。
系统共分四个区，其中：
上游引航道，下游引航道各为1个区，上闸首上游侧、闸室侧为1个区，下闸首下游侧、闸室侧为1
个区。
3、广播方式
调度人员正常情况下在集控室对各分区进行业务广播或服务广播，也可以在闸管所管理房、上闸首机房（或调度站）、下闸
首机房（或调度站）通过远程寻呼话筒进行区域应急广播或全局广播。
4、主要功能
Ø实现背景音乐、语音分区广播及远程异地寻呼广播；
Ø闸管所及各闸首机房均设远程寻呼站，可进行点对点寻呼；
Ø预留有电话接口、消控接口；
3船闸运行视频监控系统
为了直观地反映船闸现场情况，保证船闸各部门安全正常的运转，预防和制止各种误操作，利用先进的视频监控设备，可有
效的加强对船闸的管理，直观及时地反映重要地点的现场情况，增强安全保障措施，如实地显示和记录各个场所现场图像资
料，是船闸自动运行控制和信息化管理的有力工具。
3.1监视范围
包括：
船闸闸首（闸门内、外两侧）、闸室全范围，引航道，靠船墙，液压启闭机房等船闸运行的关键部位。
3.2监控方式
运行人员在船闸集中控制室通过组合电视墙完成所有图像信息的集中监视和调用，也可以通过视频监控计算机进行多画面分
割显示。
现场摄像点的控制通过集控室操作键盘完成，可以进行云台转动、焦距变化等操作。
3.3系统组成与结构
系统由摄像机、传输设备、控制室内切换控制设备三部分组成。
前端摄像机得图像信号，经视频光端机点对点传输到船闸集控室，然后经视频分配器分配后，分别进入视频控制矩阵和硬盘
录像机，其中视频控制矩阵输出信号到组合电视墙做显示，而硬盘录像机则进行数字化编码、录像存储。
硬盘录像机兼作视
频网络服务器，联在局域网内的计算机可以通过视频监控客户端软件，根据授权密码通过网络进行远程图像调看、监视。
3.4系统特点及功能
1、系统特点
系统具有模拟与数字相结合的特点，监控室采用模拟方式使前端图像逼真清晰，保证图像效果；存储采用硬盘录像机数字编
码保存、查询方便，管理简单；硬盘录像机同时将图像数字化并接入局域网，实现远程异地浏览图像的功能。
2、系统功能
1）全天候、全方位监视功能
2）图像调度功能
通过视频控制矩阵，任一监控点的图像均可以切换显示到电视墙上，并且可以根据需要进行分区成组切换。
通过数字远程视频软件，可以使船闸局域网上的每一台授权计算机都成为图像监视终端，实现远程监视、切换，最多可以同
时显示16画面图像。
3）图像的记录和备份功能
系统配有2台MPEG4或H.264数字硬盘录像机，图像在集控室进行统一数字录像记录，可以通过硬盘或光盘刻录机对需要的
图像进行备份。
4）图像抓拍
如果运行中发现有突发事件，或者出现事故报警，则可以抓拍相应图象。
同时矩阵联动输出相对应区域的视频显示并进行硬
盘录象，以便事故的调查、分析和备案。
5）网络视频服务
提供局域网视频服务功能，方便授权网络用户进行远程图像监视。
4过闸调度和收费系统
4.1船舶过闸调度收费过程简述
1、上行过闸和下行过闸的概念
上行过闸和下行过闸是船闸运行的技术术语，已在自动控制的方案中作了说明。
对于单向水头的船闸，一般从上游高水位到
下游低水位的过闸过程称为下行过闸，从下游低水位到上游高水位的过闸过程称为上行过闸。
对于双向水头的船闸，当反向
水头出现时，下行过闸和上行过闸的含义仍以设计确定的上游和下游来决定。
当船闸在通闸状态运行时，下行过闸和上行过
闸的含义仍然不变。
船舶过闸调度方法各船闸不完全相同，但先登记、然后缴纳过闸费，再调度过闸的基本程序是相同的。
当过闸船舶密度很大时，过闸船舶需要在锚地等侯过闸，此时需要设立远方调度站。
2、下行过闸过程简述
当船舶要下行过闸时，船舶应先到设在上游锚地的远方调度站进行登记，当上游引航道有空余待闸泊位时，船舶进入上游引
航道待闸。
引航道无空余泊位时，在锚地等候，根据登记的前后顺序，由远方调度指挥船舶进入上游引航道待闸。
船舶进入上游引航道后，先到上调度员处报到确认，并接受有关检查后，到收费处缴纳过闸费。
缴完过闸费后，船舶进入下
行过闸的候闸序列，上调度员根据缴费的先后顺序和有关优先过闸的条件，安排船舶过闸。
3、上行过闸过程简述
当船舶要上行过闸时，船舶应先到设在下游锚地的远方调度站进行登记，当下游引航道有空余待闸泊位时，船舶进入下游引
航道待闸。
引航道无空余泊位时，在锚地等候，根据登记的前后顺序，由远方调度指挥船舶进入下游引航道待闸。
船舶进入下游引航道后，先到下调度员处报到确认，并接受有关检查后，到收费处缴纳过闸费。
缴完过闸费后，船舶进入上
行过闸的候闸序列，下调度员根据缴费的先后顺序和有关优先过闸的条件，安排船舶过闸。
4、当过闸的船舶密度不是很大，可不设远方调度站，船舶进入引航道后，到登记处登记，然后缴费过闸，过闸过程如前所
述。
4.2系统网络结构
系统网络结构采用以中心网络交换机为核心的星形拓扑结构，系统在物理上为独立的局域网，与其他系统如船闸运行控制系
统、办公自动化系统等进行隔离（或用VLAN进行逻辑划分），提高系统的网络安全性。
在设计中考虑了系统的可扩展性，为上、下游远调工作站和办公区域留有网络接口，从而为整个船闸调度管理做好前期准
备。
4.3系统软件
系统软件结构采用客户机/服务器模式（Client/Server），通过基于网络的数据库访问和服务，实现各工作站的数据库应
用。
4.4系统组成和各工作站主要功能
1、系统组成
船闸过闸的登记，收费和调度应全部列入计算机管理，为此须建立船闸微机调度收费系统。
调度收费系统为一个专用的局域网，系统一般应包括下列工作站：
1）上游远调工作站（本期不上）；
2）下游远调工作站（本期不上）；
3）登记工作站；
4）运行班长工作站；
5）收费工作站；
6）上调度工作站；
7）下调度工作站；
8）财务工作站；
9）系统管理工作站；
2、各工作站主要功能（略）
4.5调度收费软件功能模块的设置和要求
1、系统软件功能模块的设置
按生产调度收费的需要，系统应设置下列相对独立的模块。
1）登记模块；
2）违章记录模块；
3）运行报表模块：
包括运行班的日、旬、月、年报表和综合的旬、月、年报表；
4）运行人员岗位置入模块；
5）收费模块；
6）现金交接模块；
7）银行卡结算模块；
8）统付结算收费模块；
9）上行调度模块；
10）下行调度模块；
11）信息显示屏操作模块；
12）违章、欠款处理模块；
13）船籍管理模块；
14）闸管处和上级检查运行情况模块；
15）口令管理模块；
16）综合报表模块；
2、各模块的主要功能（略）
3、需要研究的问题是要不要取消统付结算，这几年经过改制，国营的船舶或船队已极少，原来对国营企业先过闸后收费的
优惠措施已没有再实施的必要，这样也不利于闸费的及时入库，增加了追讨欠款的麻烦。
所以本系统将参照高速公路，设计
成一律现金收费。
4.6系统配置说明
1、数据库服务器（双机热备）
为了保障微机调度收费系统稳定、连续的运行，使系统在各种突发情况下正常运行，保障数据的连续性、安全性和可靠性，
数据库服务器采用双机热备加磁盘阵列的方式。
2、工作站
各工作站均采用当前主流配置的商用微机。
3、大屏幕LED信息图文显示屏
在船闸上游南侧、下游北侧分别布置1面3米X2米（宽X高）LED图文显示屏。
图文显示屏主要显示的内容包括过闸船舶通知、通闸预告、闸次预告、过闸须知、停航通知、灾害性天气预报
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