通航设施管理系统助力船闸智能化

黄俊伟

张家港船闸管理处 江苏 苏州市 215600

摘 要：开发整合多项原有独立系统为通航设施管理系统，增强船闸预警预控手段，提升设备维护保障水平。

关键词：通航设施；船闸；PLC；多波束

1.概述

2019年9月，《交通强国建设纲要》（简称《纲要》）印发实施。《纲要》提出，要广泛应用智能高铁、智能道路、智能航运、自动化码头、数字管网、智能仓储和分拣系统等新型装备设施，开发新一代智能交通管理系统。作为一种航运新业态，智能航运是将传统航运要素与现代通信、人工智能等高新技术深度融合，使航运生产的环节更加经济可靠、日常运行环节更安全环保、监管和服务领域更加智能高效。

船闸作为航道运输的其中一环，是水路交通的重要通航枢纽。有了安全畅通的船闸,才能有航运业这种节能环保产业的可持续发展,才能吸引社会各界对航运业的投入,带动或保证相关行业的发展,诸如船舶制造业、煤炭业、电厂等高耗能型产业的发展。智能船闸是智能航运的一个组成部分，实现船舶过闸全部流程智能化是一个漫长的过程，为此，初步建设阶段重心为：通航设施管理系统。船闸通航设施的维护是指为了保证船闸及其设施达到规定的标准和技术要求，保障船闸畅通运行而进行的各项工作。随着船闸养护现代化发展的推进，智能船闸要求我们将精细化管理的理念、技术应用于船闸维护工作，实现船闸养护的制度化、规范化和科学化。

2.系统介绍

为将精细化管理应用在船闸维护组织管理、实施管理和考核管理中，实现船闸养护管理水平的提高，为设备的维护检修提供决策依据，统筹计划船闸运行和检修工作，我处组织开发整合多项系统为通航设施管理系统，系统分为三大模块：

2.1.监控模块

对运行设备（闸门、润滑系统、电控系统、供电系统、照明系统、调度、通讯系统、红绿灯）的运行状态进行监测或定期检测，对异常设备报警及故障诊断。

此模块基于已有的船闸PLC设备监控系统进行更改。系统监控对象：为二座船闸上、下闸首机房室内外各机电设备。主要包括:电动机、液压启闭机(电磁阀、各类传感器等)、水位计、限位开关、闸/阀门(开度仪)、交通信号灯以及室外照明灯等设备。其中,二线船闸在闸门启闭机的液压控制系统中,由PLC控制电比例泵达到无级变速,启、闭时间分别控制在3min。在油缸内安装有MTS位移传感器,用以检测油缸活塞杆运行位置,由PC控制油泵的排油量,以达到两扇闸门的同步到位。在阀门启闭机的液压控制系统中,由PLC控制电比例泵实现变速,阀门开启先以0.5m/min运行lmin,再以1.0m/min运行到位,并控制强制关闭阀门按2m/min(可调)的速度运行。阀门平水关闭时,采用差动回路。在油缸内安装有MTS位移传感器,用以随时观察阀门在水下的运行情况。

系统的组成设备及其作用：考虑到二座船闸控制运行的独立性、安全可靠性及相互关联性等因素,二座船闸分别采用计算机集散控制系统结构,上位机由船闸监控中心的二台工控型监控主机(互为备用)、数据库服务器、打印机等共同组成,实现对二座船闸的集中控制、数据管理、统计报表及打卬功能等,下位杌则为每座船闸各由 Scheider的2套PLC分别实现现地对上、下闸首闸、阀门等机械设备的现地控制,每套PLC系统由一个主站和一个远程站组成。其中,主站采用Schneider tsX Quantum平台PLC,远程站采用 Schneider tsx Quantum平台RIO,两者之间通过专用电缆(双缆)相连。

通讯部分则采用德国 Hirschman公司的冗余光纤工业以太网交换机(RS2-FX/FX)把控制系统网络组成环型结构,网络通信协议采用TCP/IP以太网协议,通过100Mbps全双工交换式多模光纤环网实现船闸监控中心监控主机和上、下闸首机房现地PLC之间及上、下闸首机房现地PLC之间的网络通信。二座船闸与船闸监控中心分别构成2个工业以太环网，采用星型拓扑结构，其优点是任一条线路发生故障均不会影响其他线路的工作因而具有很高的可靠性，并且连接简单、安装方便。由于光纤环网具有线路冗余功能及HIRSCHMANN RS2系列交换机属于完全工业级的网络产品它具有电源冗余和环网切换时间≤500ms等优点,极大地提高了控制系统网络传输的可靠性,同时也保证了数据传输的实时性。

2.2诊断模块

通过采集设备本身提供信号、故障代码和加装传感设备，录入设备诊断系统，诊断其工作状态是否良好，从而增加设备的安全性，最大限度减少损失、降低费用，提高设备利用率。

基于多年船闸助航设施设备维修的经历发现，人工的巡检固然重要，但人总有松懈疏忽的时候，自动化的预警设备必不可少。

诊断模块在PLC通电后，首先执行自诊断程序，检查PLC各模块是否正常工作，并将检查的结果反馈于系统界面，工作人员可直接查询。自诊断的内容为I/O部分、存储器、CPU等。PLC控制单元的前面板上设有了RUNLED、ERRLED、PROGLED、ALARMLED指示灯。系统的用户程序在执行过程中，一旦出现故障或异常，即可通过上述指示灯显示给操作人员，以便及时排障，保证设备稳定运行。PLC对开关量的识别是对输入模块传来信号的识别，设备运行时，设备中的温度、压力、急停、跑偏、速度、过再以及各按钮按键、行程开关的传感器都和PLC输入模块连接，每个输入模块的输入端子都定义一个地址，PLC的内部电路可以感知开关量信号，根据读取的地址，能够识别各种故障，再通过组态软件、工业监控系统活着地址的链接，主动弹出报警信息，提示检修人员，帮助检修人员快速找出故障点。对于维护人员来说最重要的是能最快速度找到故障的原因，迅速排除故障，尽快恢复系统的运行，这种诊断方法定位准确，界面直观，适合船闸通航设施养护运维中使用。

2.3航道与建筑物观测模块

船闸引航道、船闸土工建筑物的关键部位增设沉降位移观测点和断面扫描点，记录过闸设施沉降位移变化和航道淤积情况，为航道养护提供依据。

沉降位移观测为人工观测，我处委托观测公司每年两次为我闸引航道、通航建筑物进行观测记录，也曾尝试过通过信息手段实现沉降位移观测自动化，但还是遇到了很多困难，比如观测点位置设置，在已建成建筑物安置观测点难度很高，如果是建设过程中会简单很多；精度高的测量设施价格会相当的贵，单个对比不明显，观测点多的话，成本会相当高。因此现阶段沉降位移观测仍为人工观测与记录。

断面扫描则是依托苏州市航道管理处成熟的多波束扫测技术，多波束测深是水声技术、计算机技术、导航定位技术和数字化传感器技术等多种技术的高度集成，最开始使用在海洋环境中，现在在航道中也广泛采用。多波束测深系统打破了传统单波束以点为基础的离散式的作业模式，而代之以空间面为基础的立体式作业模式，实现了立体测图、智能处理以及自动化成图。多波束能同时获得多个（典型如127，256个）相邻窄波束的回声测深系统。测深时，载有多波束测深系统的船，每发射一个声脉冲，不仅可以获得船下方的垂直深度，而且可以同时获得与船的航迹相垂直的面内的多个水深值，一次测量即可覆盖一个宽扇面。多波束测深系统一般由窄波束回声测深设备（换能器、测量船摇摆的传感装置、收发机等）和回声处理设备（计算机、显示器、存储设备、数字绘图仪、系统输入设备等）两大部分组成。

其工作原理是通过换能器阵进行声波广角度定向发射、接收，运用各种传感器（比如GPS卫星定位系统、运动传感器、电子罗盘、声速剖面仪等）对各个波束测点的空间位置进行归算，能获得与航向垂直的条带式高密度水深数据。与传统的单波束测深技术相比较，多波束测深系统的先进性体现在：①测量以带状方式进行，波束连续发射和接收，测量覆盖程度高，对水下地形可100%覆盖，单波束是点、线的反映，而多波束是面的反映；②多波束测量成果更为真实可靠，由于是全覆盖，其大量的水深点数据使等值线生成真实可靠，而单波束是将断面数据进行摘录成图以插补方式生成等值线，存在一定偏差；③多波束系统同步记录船体姿态信息，起伏、纵摇、横摇、船向等，由专用后处理软件对测量结果进行校正，可是测量结果受外界不利因素影响降至最低；④多波束系统应用的采集软件具有实时成像功能，可以直观地看到水下的地形起伏，以及护岸工程的效果，同时还能对同一测区不同测次进行比较及土方计算；⑤多波束系统通过后处理软件可以绘制任意比例尺水下图形图，可以满足高精度的水利工程测量要求。

3.结语

研究开发通航设施管理系统,将原有的多个独立系统信息整合,通过对数据的分析整理,与故障现象的相关性分析，及时发现设备的故障趋势和安全隐患，增强船闸预警预控手段，提升设备维护保障水平，为船闸的养护管理决策提供了科学依据，推进智能船闸科学发展，为实现建设人民满意、保障有力、世界前列的交通强国目标迈出属于自己的一小步。

参考文献：

[1] 刘伟林、浅谈船闸自动控制系统-PLC干扰源的控制、物流工程与管理，2016，04、173-175

[2] 任晓东，舒晓明、ATLAS FS20多波束扫测系统在航道中的应用与探讨、中国水运（下半月）,2011,06、64-66