1 引言
近年來，隨著水運市場的繁榮與發展，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複線船閘年通過量相當於兩個三峽。可以說，船閘的安全與暢通直接影響到全省乃至全國的經濟社會發展，成為世人矚目的焦點。船閘的電氣控制系統則是船閘安全與暢通的前提。因而船閘電氣控制系統的高度自動化、運行安全可靠、故障率低、便於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出閘信號的轉換、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。人字門和閥門多採用電力液壓驅動啟閉機，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;橫拉門採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製動器的接觸線圈或可控硅觸發電路[1]。輸水系統均採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，如果以閘閥門關終及下游水位為初始狀態，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
上述流程當中有著嚴格的運行閉鎖要求。
(1) 上游的閘閥門未關到位,下游閥門不能開啟,同樣,下游的閘閥門沒有關到位,上游閥門不能開啟;
(2) 上游閥門開啟之後，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，出閘信號燈應為綠色。同樣，下游閥門開啟之後，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，出閘信號燈應為綠色;
(3) 關閥應再閘門開到邊之後，自動或手動操作完成;
(4) 當閘室船舶全部出完之後，進閘信號才能轉換成綠燈，通知船舶進閘，面出閘信號應變成紅燈;
(5) 閘門關閉，應當由現場值班人員在船舶進入閘室之後手動操作，此時進閘信號燈應由綠色變成紅色，禁止船舶再進閘;
(6) 船閘一旦發生故障，要有緊急切斷電源或開關閘閥門的應急措施。
2.3 運行安全控制要求
根據船閘的工藝流程要求及現場運行維護需要，人們對船閘電氣控制系統提出了一些基本要求，即船閘的電氣控制系統應安全可靠、操作簡單、維護方便、經濟實用，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電路，確保自控系統安全可靠;
(2) 具備生產運行和調試所必需的操作方式，做到操作靈活以適應各種運行方式的需要;
(3) 滿足船閘預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、系統電壓種類最少，便於維護;
(4) 各種操作方式之間要有互鎖，電路應有使違反工藝流程的誤操作失靈的保安措施;
(5) 閘閥門應設有運行到位和越位檢測保護開關，人字閘門應有檢測閘門合攏的設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 船閘電氣控制系統的發展及PLC的引入
多年來，船閘的工藝流程未發生大的變化，但為了縮短船舶通過時間，不斷提高船閘電氣控制系統的自動化水平，隨著科學技術的發展及新產品、新技術的不斷引入和應用，船閘的電氣控制系統也得到了長足發展。最原始的閘閥門開閉採用人工手搖遊絲纜方式，後來發展到採用繼電器——接觸器控制卷揚機來進行閘閥門的開閉控制，進而隨著液壓傳動在船閘上的廣泛應用，與之配套步進器—接觸器控制系統的得到了大範圍的應用，並有了集中控制和分散控制二種模式，但由於這種控制系統故障率高，查找和維修故障費時費用，船閘的通航保率得不到保障，在使用幾年之後，人們開始尋求一種更為先進的控制系統。由於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點，得到了船閘電氣工程師們的青睞，並被引入到船閘控制系統中，且在極短的時間內取代了以往的其它形式的船閘電氣控制系統。目前，蘇北運河複線船閘的控制系統多採用某系列PLC控制，並將閘門錯位檢測、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，同樣可實現集中控制和現場分散操作，極大提高了控制系統的安全性能，降低了故障機率，有力保障了蘇北運河的安全與暢通，但由於該系列PLC受運算速度、函數功能、網路介面及支技網路協議等限制，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有很大優勢，同時具備完善的網路介面，擴展空間較大，便於與其它船閘進行聯網控制，因而為近年來蘇北運河新建三線船閘所普遍採用，並在一些新電改的複線船閘(如施橋一線、皂河二線等船閘)得到了推廣和使用。由於蘇北運河各船閘的施耐德Quantum PLC控制系統都極為相近，下面以筆者參加施工監理的皂河二線船閘電氣控制系統為例，介紹一下施耐德Quantum PLC船閘控制系統的實現。
4 施耐德Quantum系列PLC船閘控制系統的構成
皂河二線船閘電氣控制系統於2006年6月進行了電氣改造。使用施耐德Quantum PLC進行控制，其組成框圖如圖2所示。
圖2 Quantum PLC系統配置圖
4.1 PLC硬體配置
CPU模塊:140CPU43412A;
電源模塊:140CPS11420(雙電源冗餘);
乙太網模塊:140NOE77111;
開關量輸入模塊:140DDI35300(3塊);
模擬量輸入模塊:140ACI04000(2塊);
繼電器輸出模塊:140DRA84000(6塊);
工業網路交換機:499NES18100;
工業光電收發器:499NTR10100。
4.2 周邊配置設計
採用三台研華原裝工業控制計算機(PIV 2.4G，512 MDDR，80G×2，WIN2000 SP4，RAID 1鏡像)。選用三台三星液晶17寸顯示器SAMSUNG 173P+(1280×1024@75Hz)，不閃爍，無輻射。組態軟體選用組態王6.51(2005年12月發布)。變頻調速系統:施耐德ATV-71變頻器及其成套濾波附件。本系統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、梅蘭日蘭系列產品。
考慮到船閘控制系統既能進行集中操作，也滿足分散現地運行的需要，並且保證控制系統在船閘大修等特殊時期的安全運行，將船閘控制櫃、動力櫃放置於下游左岸三樓機房，並配置了一個集中操作台，滿足船閘集中操作運行的需要。操作檯面板上安裝上、下游閘閥門運行狀態指示燈，以便於直觀了解船閘閘閥門運行狀況。同時安裝程式控制/分散控制手動轉換開關以及船閘控制的相應操作按鈕。
上下游值班崗亭內各設置一台操作台，上下游操作台上各配置一台原裝研華工控計算機並配以組態軟體，面板上各配一台液晶顯示器，並將收費系統顯示器嵌放於操作檯面板上，收費計算機放置於操作台內部，操作員既能直觀了解船閘狀況及PLC工作狀態，在上位機上可以進行船閘的所有控制操作，又不影響船閘收費系統的正常運行。上下游兩操作台功能完全相同，且互為備用，即一旦某一操作台的上位機發生故障，另一操作台任可進行船閘的所有操作。兩操作台上位機與集控室PLC之間通訊採用光纖連接，既保證通訊的速度，亦可有效避免外界干擾、雷電波對系統安全穩定性的影響。
上下游機房手動箱上安裝上、下游閘閥門狀態指示燈及船閘控制的相應操作按鈕。操作員可通過上位機進行船閘操作，也可通過控制按鈕進行船閘操作，兩種操作方法互為備用。
閘門採用變頻調速系統，保證閘門安全平穩運行，同時，為減少變頻器對電網及控制系統的干擾，對變頻器加裝相應的設備以減少高次諧波對系統的干擾。
5 系統的功能與安全設計
5.1 系統的功能設計
該PLC控制系統能直接和上位機相連，並使用組態控制軟體，能在線編程和操作控制，使船閘的控制更為直觀。系統採取程式控制與分散運行相結合，正常程序運行情況下，系統自動控制閘閥門的開關動作，並具備多重自動保護功能，自動檢測動力、控制電源的電壓、電流，閘閥門電機電流，自動形成資料庫存入計算機，系統管理員能準確了解系統在過去任意時刻動力、控制電壓、電流數值，以及電機運行時電流大小情況。由於在上下游閘首及閘室安放水位感測器，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，上位機可進行自動廣播，操作全部可在操作面板上進行。對通航信號指示燈系統根據船閘運行的實際狀況自動進行切換控制。上位機平時顯示閘閥門狀態畫面及三級水位，需要時，可進入報表界面，參數記錄界面及故障報報警界面。
控制系統採用施耐德電動操作機構，可實現遠程遙控分合閘。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，系統自動合上動力電源。此外，考慮到今後擴展、聯網的需要，系統的所有開關量、模擬量輸入、輸出模塊留有一定的空餘點數，所有控制電纜均留有一定的未用芯數，所有動力電纜的容量也留有一定的裕度。使得一旦系統的功能需要進一步完善，現有的PLC輸入輸出點及電纜能在一定範圍內滿足要求。
5.2 系統的主要安全保護措施
控制系統電源與動力電源完全隔離，控制電源經精密凈化穩壓后再經在線式UPS輸出到控制系統，控制按鈕全部使用24V直流電源。有效保護操作員及機電人員的操作、維護安全。
接觸器採用施耐德產品，具有質量好、體積小、噪音小、使用壽命長等優點。接觸器上端安裝斷路器，便於斷開電源檢修維護。
PLC輸出端全部安裝自動空氣斷路器，任一線路發生短路等故障時，能迅速斷開，機電養護人員能迅速知道故障原因，並且無需更換熔絲。
對閘閥門電機採用雙重保護措施:
(1) 動力驅動櫃內安裝閥門電機綜合保護器(閘門變頻器本身就是性能較好的電機保護器)，在電機過壓、過流、缺相、短路等情況下自動斷開電源以保護電機;
(2) 在閘閥門電機上端加裝電流感測器，信號送至PLC，PLC對感測器信號進行模/數處理后，發現異常情況斷開相應的接觸器電源。
閘閥門限位開關均使用進口元器件，動作可靠，並全部使用雙限位，即一旦某一限位開關發生故障后，不影響船閘的安全運行，系統對限位開關的運行狀況具有自動檢測功能，便於機電養護人員進行檢修。
6 結束語
自施耐德Quantum系列PLC在船閘控制系統中應用以來，以其優異的性能，極低的故障率，大大提高了船閘控制系統的安全性與可靠性，有力地保障了蘇北運船閘的安全與暢通。可以預見，隨著船閘電氣自動化控制要求的逐步提高，最終將實現船閘綜合自動化，施耐德Quantum PLC必將在船閘有著更廣泛的應用。
