船闸电气控制方案
2011-5-30
目 录
一 概述 . ................................................................................................................................................... 3 1 船闸的作用： .................................................................................................................................. 3 2 船闸工作原理： .............................................................................................................................. 3 二 电气设计 ............................................................................................................................................ 6 1 船闸控制原理： .............................................................................................................................. 6 2 电气控制设计原理： ...................................................................................................................... 6 2.1电源配置及动力设备 . ............................................................................................................... 6 2.2现地控制系统 . ........................................................................................................................... 7
2.2.1上位机系统 . ........................................................................................................................................ 7 2.2.2通讯系统............................................................................................................................................. 9 2.2.2 LCU系统............................................................................................................................................ 9 2.2.3 PLC工作流程 .................................................................................................................................. 14
3 保护系统 ........................................................................................................................................ 15 3.1 优先级与可靠性 . .................................................................................................................... 15 3.2 紧急关阀 . ................................................................................................................................ 15 4 现地系统在船闸运行中的意义 .................................................................................................... 16
一 概述
1 船闸的作用：
河道水利枢纽中一种过船建筑物。由闸室、上下游闸门、电动机构、充水设备及相关信号灯组成。利用闸室水位变动将船舶抬起或下降，使之通过水利枢纽。
2 船闸工作原理：
以一级船闸为例，船闸分为闸前、闸室、闸后、前后各有一个闸门，如图1-1所示：
图1-1
常规状态下，闸室水位与下游水位相同。前后闸门、通道均处于关闭状态。
当有船从上游驶来，前通道打开，使闸室与上游相通，形成连通器结构，经过一段时间后闸室水位与上游水位相同，如图1-2所示：
图1-2
此时关闭前通道，打开前闸门，轮船驶入闸室，如图1-3所示：
图1-3
轮船驶入闸室后，前闸门关闭，后通道打开，闸室与下游形成连通器结构，经过一段时间后闸室与下游水位相同，如图1-4所示：
图1-4
待闸室与下游水位相同后，关闭后通道，打开后闸门，轮船驶入下游，如图1-5所示：
图1-5
最后后闸门关闭，这样就完成了轮船从上游驶入下游的整个过程，如图1-6所示：
图1-6
二 电气设计
1 船闸控制原理：
通过对船闸的前闸门、前通道、后闸门、后通道，、报警装置、闸门开启/关闭时相关的灯光信号、仪表信号的监控，实现对船闸的远程控制，远程操作。最终能使轮船有序安全的通过船闸。
2 电气控制设计原理：
船闸的控制系统通常称为现地电气控制系统，是一个较大型的工业控制系统，从安装的角度看，现地电气控制部分只是由电气控制柜组成，外形美观，操作简便，硬件模块、软件配置均能达到即插即用，但实际上其内部所包含的运行工艺却比较复杂。采用PLC 控制系统及机电设备，主要包括以下几个方面的内容：
2.1电源配置及动力设备
电控系统的总进线电源为双路400 V电源输入，1路投入为整个系统提供电源，另1路为备用电源，备用电源可在主电源中断时自行切换投入。二次回路的电源均采用安全、稳定的UPS 供电方式，UPS 的输入电源从三相电中抽出一相获得。UPS 的电源输出主要是为现地系统提供AC220 V 的控制回路电源以及为直流整流装置提供电源。其中直流整流装置为系统弱电回路及PLC 模块提供DC24 V工作电压。
动力设备包括：闸门电机、电磁阀门、液压装置。
2.2现地控制系统
主要由三部分组成：上位机系统、通讯系统、LCU 系统。 系统结构图所示：
图2-1
2.2.1上位机系统
上位机就是使用工业组态软件编写生产工艺流程，以达到直观、清晰的显示现场工艺流程的效果，工业控制组态软件是可以从可编程控制器、各种数据采集卡等设备中实时采集数据，发出控制命令并监控系统运行是否正常的一种软件包，组态软件能充分利用Windows 强
大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便地构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表、历史数据库等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。
上位机软件结构以实时数据库为核心来实现功能，如图2-2所示。由于本系统是一个实时系统，它要求能够实时地从现场设备得到数据，进行运算、显示、报警等。所以对通信模块传送上到上位机的数据进行管理必须实时进行，即满足实时数据库的时间约束（包括数据的绝对时间一致性和相对时间一致性）。
图2-2上位机软件结构
一个好的、符合系统功能要求的上位系统软件应该由以下模块组成：通信模块、打印模块、监视模块、控制模块. 上位软件系统组成如图2-3所示：
图2-3上位机软件组成
2.2.2通讯系统
现地控制系统与监控计算机系统以及外部网络之间均通过冗余网络交换机实现通讯，通过网络交换机将LCU 系统采集的数据上传至监控计算机系统，同时监控计算机系统可以下发指令给LCU 系统，实现数据的无阻碍交换，即可高效地实现PLC 与上位监控系统的通讯，同时可将外部网络接入，最终可将现场数据传送到调控中心等更高一层的管理机构，实现统筹管理。 2.2.2 LCU系统
ＬＣＵ就是现地控制系统的简称，即下位机系统，核心器件为ＰＬＣ控制器。下位机主要分为两个部分：下位机软件、下位机硬件。
下位机软件：
一个下位机软件结构应包括数据参数、用户程序、报警信息，如图2-4所示:
图2-4 PLC软件结构图
一个PLC 软件的设计要达到以下基本要求： 紧密结合生产工艺 熟悉控制系统硬件结构 具备计算机和自动化方面的知识 一个PLC 软件的设计要遵循以下基本原则： 程序设计时，一般只需考虑用户程序的设计 对输入／输出信号，特别是输出信号要作统一操作 扫描周期时间不能无限制缩短
定时器的时间设定值不能小于周期扫描时间
用户程序中如果多次对同一参数进行赋值操作，则最后一次操作结果有效
一个典型PLC 软件的设计包含以下内容：
（1）参数表：输入信号表，输出信号表，中间标志表和存储单元表的定义。
（2）程序框图
依据工艺流程绘制的控制过程框图，程序框图包括两种：
① 程序结构框图：是全部应用程序中各功能单元的结构形式。根据结构框图去了解所有控制功能在整个程序中的位置。
② 控制功能框图：是描述某一种控制功能在程序中的具体实现方法及控制信号流程。根据功能框图编制实际控制程序。
先绘制程序结构框图，而后再详细绘制各控制功能框图，实现各控制功能。
（3）程序清单
（4）程序说明书
一个典型的PLC 软件运行过程如图2-5所示：
图2-5 PLC程序运行过程图
下位机硬件：
（1）LCU 电气原理
a 、电源部分
在LCU 系统中PLC 整体供电为从配电部分引入的220V 交流电，控制回路的供电都为从PLC 中引出的24V 直流电。仪表供电中交流220V 供电的如电磁流量计采用现场供电，直流24V 供电的采用从PLC 电源模块直接供电。
b 、控制回路部分
船闸中的控制是通过LCU 的控制回路来实现的。对于交流电控制回路，在控制的输入/输出端加装220VAC 继电器，起到隔离保护作用。对于直流电控制回路，则在控制的输入/输出端加装24VDC 继电器，
起到隔离保护作用。
（2）PLC 控制柜
PLC 控制柜内部安装的主要就是PLC 控制模块，PLC 即可编程控制器(Programmable Logic Controller) 作为船闸现地系统的控制核心，它最大的特点是：结构简单，编程方便，可靠性高。 PLC 组成：
PLC 由输入部分、逻辑部分、输出部分组成，其中逻辑部分由大规模集成电路构成的微处理器和存储器来组成。通过编程器来进行编制控制程序，将其内部的各种逻辑部件按照控制工艺进行组合后达到所要求的逻辑功能，最后按控制要求输出，这就是PLC 的基本控制原理。由于它应用了计算机技术，实质上就是一种专用的计算机。PLC 的主控单元是以CPU 为核心，配上系统ROM 以及RAM ，再加上输入输出接口就构成了一个计算机系统，而其扩展单元仅仅是输入输出点数的扩大。
PLC 主要特点：
PLC 主控单元构架：现地控制系统采用的是国际知名品牌的PLC 系统，模块化程序设计，将各项控制功能及任务进行模块化划分，理清各个模块的输入和输出参数，以及各个模块之间的调用关系，这是保证系统安全可靠运行及提高控制指令响应速度的关键。
PLC的输入输出单元： PLC I/O输入输出采取有选择冗余配置的方法，对双检测元件采用双输入点，其余采用单点输入；重要控制输出采用双输出点，其余输出采用单点输出。PLC 的I/O输入输出信号
各有两种，如下所示：
输入信号： 数字量DI 模拟量AI
输出信号： 数字量DO 模拟量AO
其中数字量输入信号DI 即是对一些操作开关、行程开关或继电器的触点进行采集的开关量；模拟量信号AI 则是对一些小电流量的采集，如电流变送器的电流信号、水位信号、油温油压传感器输出信号。
PLC 控制柜中不仅包含PLC 模块，还有人机界面和其他元器件，根据工艺流程及实现功能设计详细准确的控制柜，最终达到控制柜制作的要求。
2.2.3 PLC工作流程
现地PLC 系统处理指令的工作流程可分为三步，即接收指令→处理指令→输出指令。以关闸门为例：操作柜上的开关发出关闸令→该指令作为PLC 的输入信号DI 进入PLC 逻辑单元→经PLC 逻辑处理→PLC 输出关闸令信号DO →DO 信号使输出继电器动作，并转换为电机的接触器动作→电机动作并按设定的比例电压将比例泵打开一定开度→油压建立后，开始关闸→闸门的运行开度值同时反馈回PLC 。 以上由PLC 控制的人字门在运行的同时，人字门在运行中的反馈信号同时又决定了PLC 采取相应的控制来与之相适应，从而形成一个严密的闭环控制环网。
3 保护系统
除LCU 系统自带的继电器保护和程序保护外，紧急关阀在现地系统中也是非常重要的一种保护，主要作用是针对在突发的异常运行情况下，为保护本闸首的人字门设备而采取的一种紧急保护措施。
3.1 优先级与可靠性
在现地控制系统操作中，紧急关阀令的优先级最高，发令后，其他所有命令均被中止而执行紧急关阀令。紧急关阀令最终是使电磁阀动作，关门回油控制电磁阀，从而实施紧急关阀。在运行中只要UPS （内含提供逆变电源的蓄电池）电源存在，即使系统电源停电，仍可通过阀门自重达到紧急关阀的目的，故具有很高的可靠性。
3.2 紧急关阀
自动：闸首的闸、阀门在运行过程中，如果PLC 采集到相邻闸首闸、阀门闭锁信号丢失，则PLC 会根据采集到的这一信号变化自动进行逻辑处理，输出紧急关阀指令至相关电磁阀。
手动：闸首的闸、阀门在运行过程中如果出现不正常情况，可手动紧急关阀。
4 现地系统在船闸运行中的意义
现地系统的重要地位主要体现在：（1）在通讯网络中断的情况下，船闸的运行必须靠现地来操作完成；（2）在现地与集控的控制权上，现地具有控制优先权，这就保证了在紧急情况下现地处理故障的强制性；（3）从现地系统自身而言，其工作性能的好坏，将直接影响到船闸整个控制系统能否安全、可靠运行，所以在整个船闸控制系统中它的地位意义是决定性的。
船闸电气控制方案
2011-5-30
目 录
一 概述 . ................................................................................................................................................... 3 1 船闸的作用： .................................................................................................................................. 3 2 船闸工作原理： .............................................................................................................................. 3 二 电气设计 ............................................................................................................................................ 6 1 船闸控制原理： .............................................................................................................................. 6 2 电气控制设计原理： ...................................................................................................................... 6 2.1电源配置及动力设备 . ............................................................................................................... 6 2.2现地控制系统 . ........................................................................................................................... 7
2.2.1上位机系统 . ........................................................................................................................................ 7 2.2.2通讯系统............................................................................................................................................. 9 2.2.2 LCU系统............................................................................................................................................ 9 2.2.3 PLC工作流程 .................................................................................................................................. 14
3 保护系统 ........................................................................................................................................ 15 3.1 优先级与可靠性 . .................................................................................................................... 15 3.2 紧急关阀 . ................................................................................................................................ 15 4 现地系统在船闸运行中的意义 .................................................................................................... 16
一 概述
1 船闸的作用：
河道水利枢纽中一种过船建筑物。由闸室、上下游闸门、电动机构、充水设备及相关信号灯组成。利用闸室水位变动将船舶抬起或下降，使之通过水利枢纽。
2 船闸工作原理：
以一级船闸为例，船闸分为闸前、闸室、闸后、前后各有一个闸门，如图1-1所示：
图1-1
常规状态下，闸室水位与下游水位相同。前后闸门、通道均处于关闭状态。
当有船从上游驶来，前通道打开，使闸室与上游相通，形成连通器结构，经过一段时间后闸室水位与上游水位相同，如图1-2所示：
图1-2
此时关闭前通道，打开前闸门，轮船驶入闸室，如图1-3所示：
图1-3
轮船驶入闸室后，前闸门关闭，后通道打开，闸室与下游形成连通器结构，经过一段时间后闸室与下游水位相同，如图1-4所示：
图1-4
待闸室与下游水位相同后，关闭后通道，打开后闸门，轮船驶入下游，如图1-5所示：
图1-5
最后后闸门关闭，这样就完成了轮船从上游驶入下游的整个过程，如图1-6所示：
图1-6
二 电气设计
1 船闸控制原理：
通过对船闸的前闸门、前通道、后闸门、后通道，、报警装置、闸门开启/关闭时相关的灯光信号、仪表信号的监控，实现对船闸的远程控制，远程操作。最终能使轮船有序安全的通过船闸。
2 电气控制设计原理：
船闸的控制系统通常称为现地电气控制系统，是一个较大型的工业控制系统，从安装的角度看，现地电气控制部分只是由电气控制柜组成，外形美观，操作简便，硬件模块、软件配置均能达到即插即用，但实际上其内部所包含的运行工艺却比较复杂。采用PLC 控制系统及机电设备，主要包括以下几个方面的内容：
2.1电源配置及动力设备
电控系统的总进线电源为双路400 V电源输入，1路投入为整个系统提供电源，另1路为备用电源，备用电源可在主电源中断时自行切换投入。二次回路的电源均采用安全、稳定的UPS 供电方式，UPS 的输入电源从三相电中抽出一相获得。UPS 的电源输出主要是为现地系统提供AC220 V 的控制回路电源以及为直流整流装置提供电源。其中直流整流装置为系统弱电回路及PLC 模块提供DC24 V工作电压。
动力设备包括：闸门电机、电磁阀门、液压装置。
2.2现地控制系统
主要由三部分组成：上位机系统、通讯系统、LCU 系统。 系统结构图所示：
图2-1
2.2.1上位机系统
上位机就是使用工业组态软件编写生产工艺流程，以达到直观、清晰的显示现场工艺流程的效果，工业控制组态软件是可以从可编程控制器、各种数据采集卡等设备中实时采集数据，发出控制命令并监控系统运行是否正常的一种软件包，组态软件能充分利用Windows 强
大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便地构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表、历史数据库等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。
上位机软件结构以实时数据库为核心来实现功能，如图2-2所示。由于本系统是一个实时系统，它要求能够实时地从现场设备得到数据，进行运算、显示、报警等。所以对通信模块传送上到上位机的数据进行管理必须实时进行，即满足实时数据库的时间约束（包括数据的绝对时间一致性和相对时间一致性）。
图2-2上位机软件结构
一个好的、符合系统功能要求的上位系统软件应该由以下模块组成：通信模块、打印模块、监视模块、控制模块. 上位软件系统组成如图2-3所示：
图2-3上位机软件组成
2.2.2通讯系统
现地控制系统与监控计算机系统以及外部网络之间均通过冗余网络交换机实现通讯，通过网络交换机将LCU 系统采集的数据上传至监控计算机系统，同时监控计算机系统可以下发指令给LCU 系统，实现数据的无阻碍交换，即可高效地实现PLC 与上位监控系统的通讯，同时可将外部网络接入，最终可将现场数据传送到调控中心等更高一层的管理机构，实现统筹管理。 2.2.2 LCU系统
ＬＣＵ就是现地控制系统的简称，即下位机系统，核心器件为ＰＬＣ控制器。下位机主要分为两个部分：下位机软件、下位机硬件。
下位机软件：
一个下位机软件结构应包括数据参数、用户程序、报警信息，如图2-4所示:
图2-4 PLC软件结构图
一个PLC 软件的设计要达到以下基本要求： 紧密结合生产工艺 熟悉控制系统硬件结构 具备计算机和自动化方面的知识 一个PLC 软件的设计要遵循以下基本原则： 程序设计时，一般只需考虑用户程序的设计 对输入／输出信号，特别是输出信号要作统一操作 扫描周期时间不能无限制缩短
定时器的时间设定值不能小于周期扫描时间
用户程序中如果多次对同一参数进行赋值操作，则最后一次操作结果有效
一个典型PLC 软件的设计包含以下内容：
（1）参数表：输入信号表，输出信号表，中间标志表和存储单元表的定义。
（2）程序框图
依据工艺流程绘制的控制过程框图，程序框图包括两种：
① 程序结构框图：是全部应用程序中各功能单元的结构形式。根据结构框图去了解所有控制功能在整个程序中的位置。
② 控制功能框图：是描述某一种控制功能在程序中的具体实现方法及控制信号流程。根据功能框图编制实际控制程序。
先绘制程序结构框图，而后再详细绘制各控制功能框图，实现各控制功能。
（3）程序清单
（4）程序说明书
一个典型的PLC 软件运行过程如图2-5所示：
图2-5 PLC程序运行过程图
下位机硬件：
（1）LCU 电气原理
a 、电源部分
在LCU 系统中PLC 整体供电为从配电部分引入的220V 交流电，控制回路的供电都为从PLC 中引出的24V 直流电。仪表供电中交流220V 供电的如电磁流量计采用现场供电，直流24V 供电的采用从PLC 电源模块直接供电。
b 、控制回路部分
船闸中的控制是通过LCU 的控制回路来实现的。对于交流电控制回路，在控制的输入/输出端加装220VAC 继电器，起到隔离保护作用。对于直流电控制回路，则在控制的输入/输出端加装24VDC 继电器，
起到隔离保护作用。
（2）PLC 控制柜
PLC 控制柜内部安装的主要就是PLC 控制模块，PLC 即可编程控制器(Programmable Logic Controller) 作为船闸现地系统的控制核心，它最大的特点是：结构简单，编程方便，可靠性高。 PLC 组成：
PLC 由输入部分、逻辑部分、输出部分组成，其中逻辑部分由大规模集成电路构成的微处理器和存储器来组成。通过编程器来进行编制控制程序，将其内部的各种逻辑部件按照控制工艺进行组合后达到所要求的逻辑功能，最后按控制要求输出，这就是PLC 的基本控制原理。由于它应用了计算机技术，实质上就是一种专用的计算机。PLC 的主控单元是以CPU 为核心，配上系统ROM 以及RAM ，再加上输入输出接口就构成了一个计算机系统，而其扩展单元仅仅是输入输出点数的扩大。
PLC 主要特点：
PLC 主控单元构架：现地控制系统采用的是国际知名品牌的PLC 系统，模块化程序设计，将各项控制功能及任务进行模块化划分，理清各个模块的输入和输出参数，以及各个模块之间的调用关系，这是保证系统安全可靠运行及提高控制指令响应速度的关键。
PLC的输入输出单元： PLC I/O输入输出采取有选择冗余配置的方法，对双检测元件采用双输入点，其余采用单点输入；重要控制输出采用双输出点，其余输出采用单点输出。PLC 的I/O输入输出信号
各有两种，如下所示：
输入信号： 数字量DI 模拟量AI
输出信号： 数字量DO 模拟量AO
其中数字量输入信号DI 即是对一些操作开关、行程开关或继电器的触点进行采集的开关量；模拟量信号AI 则是对一些小电流量的采集，如电流变送器的电流信号、水位信号、油温油压传感器输出信号。
PLC 控制柜中不仅包含PLC 模块，还有人机界面和其他元器件，根据工艺流程及实现功能设计详细准确的控制柜，最终达到控制柜制作的要求。
2.2.3 PLC工作流程
现地PLC 系统处理指令的工作流程可分为三步，即接收指令→处理指令→输出指令。以关闸门为例：操作柜上的开关发出关闸令→该指令作为PLC 的输入信号DI 进入PLC 逻辑单元→经PLC 逻辑处理→PLC 输出关闸令信号DO →DO 信号使输出继电器动作，并转换为电机的接触器动作→电机动作并按设定的比例电压将比例泵打开一定开度→油压建立后，开始关闸→闸门的运行开度值同时反馈回PLC 。 以上由PLC 控制的人字门在运行的同时，人字门在运行中的反馈信号同时又决定了PLC 采取相应的控制来与之相适应，从而形成一个严密的闭环控制环网。
3 保护系统
除LCU 系统自带的继电器保护和程序保护外，紧急关阀在现地系统中也是非常重要的一种保护，主要作用是针对在突发的异常运行情况下，为保护本闸首的人字门设备而采取的一种紧急保护措施。
3.1 优先级与可靠性
在现地控制系统操作中，紧急关阀令的优先级最高，发令后，其他所有命令均被中止而执行紧急关阀令。紧急关阀令最终是使电磁阀动作，关门回油控制电磁阀，从而实施紧急关阀。在运行中只要UPS （内含提供逆变电源的蓄电池）电源存在，即使系统电源停电，仍可通过阀门自重达到紧急关阀的目的，故具有很高的可靠性。
3.2 紧急关阀
自动：闸首的闸、阀门在运行过程中，如果PLC 采集到相邻闸首闸、阀门闭锁信号丢失，则PLC 会根据采集到的这一信号变化自动进行逻辑处理，输出紧急关阀指令至相关电磁阀。
手动：闸首的闸、阀门在运行过程中如果出现不正常情况，可手动紧急关阀。
4 现地系统在船闸运行中的意义
现地系统的重要地位主要体现在：（1）在通讯网络中断的情况下，船闸的运行必须靠现地来操作完成；（2）在现地与集控的控制权上，现地具有控制优先权，这就保证了在紧急情况下现地处理故障的强制性；（3）从现地系统自身而言，其工作性能的好坏，将直接影响到船闸整个控制系统能否安全、可靠运行，所以在整个船闸控制系统中它的地位意义是决定性的。