[简要信息]
【获奖类型】应用二等奖
【任务来源】横向合同
【课题编号】
【课题起止时间】2008年8月~2010年3月
【完成单位】北京中水科水电科技开发有限公司
湖南浯溪水电开发有限公司
【主要完成人】王德宽、赵勇飞、迟海龙、杨叶平、颜现波、田茂刚、龚传利、余建华、周 彤、张旭波、韦艳华、宋光照
[立项背景]
浯溪船闸位于湘江干流，船闸工程上下闸首各设人字门1套,及1套浮式检修门, 输水廊道上闸首设2扇工作阀门和2扇检修阀门，下闸首设2扇工作阀门，6扇阀门均为平面定轮门, 船闸共设浮式系船柱14套；上闸首两侧输水廊道进口设有拦污栅。
浯溪船闸设置人字门液压启闭机用于启闭船闸上、下闸首的人字工作闸门，油缸采用卧式安装，人字门在水平面内旋转67.5°，油缸本身摆动7.4°，每支油缸启闭一扇人字闸门。人字门启闭机设置缓慢启闭防止冲击的功能。油缸为铰轴式，铰轴位置在缸体的中前部，油缸铰轴通过支座固定于闸首边墩机房内。活塞杆行程控制装置的测量精度为1mm，最终显示数据为闸门的开启角度，行程控制装置将数据传送到现地控制单元。液压系统设置超压、欠压、安全、卸荷和锁紧等回路，满足闸门从全开到全关任意位置的启动和长期停留。人字门上下游水位差由设置在人字门上下游侧的水位计监测，上、下闸首共设置4支水位计，自动、连续监测，数据显示为上、下游水位值和闸门上、下游水位差。
为实现自动控制功能，浯溪船闸采用北京中水科水电科技开发有限公司自动化控制系统。船闸采用全计算机监控的方式，按“有人值班”设计，系统采用开放、分层分布式系统结构，以保证各子系统选用不同软硬件时的兼容性，系统扩展和设备更新时的可移植性。系统遵循以下设计原则：
（1）系统硬件设备冗余可靠。
（2）系统采用成熟的、可靠的、标准化的软件、网络结构和汉化操作系统。
（3）系统各LCU以可编程序控制器及触摸显示屏等构成，PLC直接上网。
（4）系统对外通讯应符合国家有关部门的自动化系统安全规范。
（5）系统人机接口功能强，操作控制简洁、方便、灵活。
[详细科学技术内容]
（1）总体思路
浯溪船闸自动化控制系统的实施，充分吸收最近十几年自动化控制技术，功能至少要达到国内领先水平。系统结构简洁，整体系统以高可靠性为前提。投运后，实现船闸计算机监控系统、保护系统、通航信号及广播指挥系统、船闸运营调度管理系统、UPS、GPS等相关功能。工作共分四个阶段开展。
第一阶段，认真进行船闸自动化系统的分析研究。针对已掌握的船闸情况，到国内相近规模、国内比较好的船闸自动化系统进行考察，了解他们的系统使用情况、问题、售后服务、备品备件等等情况。同时，到国内知名的船闸自动化控制系统研制单位进行考察，了解最新的发展趋势、技术，交流技术方案。根据以上了解的情况，确定本次实施的目标。
第二阶段，编制总体实施方案、总体施工计划、现场施工计划与措施。
2008年7月，湖南浯溪水电开发有限公司、湖南省水利水电设计研究院、湖南水利水电工程监理承包总公司、北京中水科水电科技开发有限公司召开第一次设计联络会，并进行多次的协商，确定了本次船闸自动化控制系统的总体实施方案、总体施工计划、现场施工计划与措施。总体实施方案包括实施的原则、目标分解、船闸相关设备投运的实施方案等。总体实施方案主要内容：
监控系统集成丰富的人机界面，提供给运行人员友善的接口，操作既方便又安全，既简单又可靠，既发挥多窗口的特点，又满足运行人员的习惯。系统软件采用模块化、结构化设计，保证系统的可扩性，满足功能增加及规模扩充的需要。
由主控级和现地单元控制级组成，采用基于TCP/IP协议的100M以太网络分层分布式结构。现地LCU与上位机采用光缆通信，其它工作站采用100M双绞线连接。主控级设备包括网络设备、操作员站、厂内通信站等设备。现地单元控制级共有2个现地控制单元，包括上闸首LCU、下闸首LCU。系统具有船闸设备单步命令下发操作、自动命令下发操作、参数监视、各类信息报警、网络通信、报表、打印等功能。
船闸自动化控制系统与电站层监控系统采取规约通讯方式，实现遥信、遥测功能，同时该系统与保护、电能量等系统进行通信，实现船闸实时数据的交互。
浯溪船闸保护系统采用微处理器构成的全数字式继电保护系统，实现船闸10kV进线保护，及10kV进线备自投保护等，满足可靠性、灵敏性、选择性和速动性的要求。系统采用标准化的机箱和插件板设计，所有组件通过标准机箱组装在保护柜内。保护柜内包含保护功能、监视、信号、检测、人机对话、通讯接口部件，并能实现事故记录等。具有人机接口设备，用于运行监视、保护系统的调试、整定值的设定及记录、事故显示、确认以及对保护系统的电流、电压、功率、相位等实测值进行显示与记录。人机接口设备应适应于缺乏程序设计知识的人使用。人机对话时应自动闭锁保护出口回路，使人机对话中出现的错误不影响保护系统。
通航信号及广播指挥设备用于船舶过闸行驶的指挥、停位指示以及广播调度。包括交通信号自动控制设备和显示设备，以及电铃、广播等。根据船闸有关设备的工作状况以及船只的通航情况，及时发出允许通过、准备通过和禁止通过的绿色、黄色、红色灯光信号，以及电铃协同指挥船舶进闸、出闸通行。
船闸运营调度管理系统实现航道的管理，操作的安排以及规范安操作等。
UPS装置提供持续、稳定、不间断的电源供应。增强系统设备的安全性与可控性。
GPS装置为浯溪船闸唯一的时钟源，保证船闸各系统的时钟同步，提高系统的故障分析能力。
总体施工计划给出了经过目标分解的各个里程碑的时间与目标值。现场施工计划与措施给出了完成总体实施方案、总体施工计划具体措施、步骤等。
第三阶段，制造单位生产监控系统，并发货到现场。
本阶段监控系统提供单位北京中水科水电科技开发有限公司，完成设备订货、软件开发、画面数据库集成。电厂审查制造单位各种图纸、设计方案、参与制造单位的系统集成工作、参与设备系统内部联调、出场验收。
第四阶段，现场进行安装调试。
本阶段按照已经制定好的总体实施方案、总体施工计划、现场施工计划与措施分步执行，完成系统的最终投运。
（2）监视控制
浯溪船闸自动化系统，负责完成船闸数据采集及控制，安全运行监视，事件顺序记录，打印记录，屏幕显示，事故处理指导和恢复操作指导，数据通信，运行和维护管理，语音报警，程序开发及模拟培训。可实现与当前流行的开放标准工业级模块化以太网交换机直接联网。具有自诊断功能，即使主计算机发生故障，自动切换到备用计算机。
系统集中控制层与各现地控制柜PLC之间采用光纤以太网联接。可在线和离线对计算机、外围设备、通讯接口、通道等自检硬件故障，通过系统诊断程序，硬件故障能定位到各模块；可在线和离线自检各种应用软件和基本软件故障，在线诊断时不影响计算机系统对各设备的监控功能。
系统针对操作人员、系统管理人员、调度员等设置相应的用户与口令，并赋予相应的操作权限，保证船闸安全运行，并对操作过程进行记录备查。
船闸监控系统采取集中控制与现地控制两种方式，现地控制层设置工作方式选择开关，实现控制方式的切换，两种方式之间相互闭锁。船闸的控制流程采用船闸单步控制模式，船闸运行全过程控制模式等两种模式。
在船闸单步控制模式下，操作人员通过监控系统，按照船舶的过闸流程，对各设备进行单步控制，实现人字门、输水门的启、停、闭操作，信号灯、电铃等的单步操作，实现船舶正常安全的通过。
在船闸运行全过程控制模式下，操作人员通过启动船闸自动控制流程，对船闸相关设备进行自动控制。闸门的自动控制流程分为船舶上行流程和船舶下行流程，分别实现船舶上、下行通过船闸的全过程控制。
船舶下行流程分为四个子流程，下行上闸首开闸流程、下行上闸首关闸流程、下行下闸首开闸流程、下行下闸首关闸流程，船闸相关设备在流程中进行自动控制，完成船舶经船闸由上游到达下游的全过程控制与指挥，如图1。
船舶上行流程分为四个子流程，上行下闸首开闸流程、上行下闸首关闸流程、上行上闸首开闸流程、上行上闸首关闸流程，船闸相关设备在流程中进行自动控制，完成船舶经船闸由下游到达上游的全过程控制与指挥，如图2。 SHAPE \* MERGEFORMAT 
船闸自动化系统对设备的可靠性和运行的安全性有很高的要求，因此总体设计,把安全性和可靠性放在第一位，对此采取相关安全保障措施。相应人字门、输水门之间的设置联锁保护和控制,确保两者开启的先后顺序与流程；人字门平压保护，防止因水压引起的损坏；人字门和输水阀门的极限保护；人字门合拢位置检测及保护；现地控制层设置关闭人字门、输水门及停止人字门运行的按钮。在任何状态下,均能无条件关闭；常规电气保护和控制，使控制系统具有完善的故障自动保护和控制功能；并且上、下闸首人字门，阀门动作间设置互锁与水平开闸门连锁。在流程和软件上，设置闭锁功能，保证系统的操作按照设定的安全流程执行，对非安全操作闭锁输出，并进行报警提示。
（3）实施效果
本工程项目通过充分的系统策划、考察论证、分步实施， 2010年3月18日，顺利通过了由湖南浯溪水电开发有限公司组织的，湖南水利水电工程监理承包总公司，中水十六局浯溪水电站项目部参加的竣工验收，并给予浯溪船闸自动化控制系统高度评价。
浯溪水电站船闸自动化控制系统作为我公司投运的第一套船闸系统，自2010年3月投入运行以来，一直担负着浯溪船闸的运行任务，，船闸系统根据航道的繁忙程度制定运行方案，保证了湘江航道的安全通畅。
1）浯溪船闸自动化控制系统是整个船闸设施的中心指挥系统,由船闸控制系统、通航信号及广播指挥设备、工业电视、船闸运营调度管理等模块组成的自动化控制系统减轻了船闸操作人员及维护人员的工作强度。
2） 浯溪船闸自动化控制系统的应用，其强大的闭锁等功能，防止了人为造成的操作错误或不当操作，保护了设备的安全，避免了对过往船只安全的影响。
3）浯溪船闸采用自动化控制系统，提高了船闸的通过率、利用率，产生显著经济效益。
[发明及创新点]
针对浯溪船闸自动化控制系统的具体技术要求，以最新计算机技术、网络技术、自动控制理论等为基础，进行了系统总体设计、内部数据规约设计和功能设计，使系统在实时性、安全性、可靠性、灵活性、人机友好性等方面符合船闸的需求，实现了系统的设计目标，得到运行及维护人员的一致好评。系统创造了良好的经济效益和社会效益，具有广阔的推广应用前景。现将该系统的关键技术及创新点简要介绍如下：
1）浯溪船闸自动化控制系统包含船闸计算机监控系统、保护系统、通航信号及广播指挥系统、船闸运营调度管理系统、UPS装置、GPS装置等，实现了各功能系统一体化与船闸的统一调度管理，通过一套自动化控制系统监视控制船闸各功能系统。而在传统的船闸控制中，船闸控制系统中各个模块间较为独立，运行人员需要关注多个系统状态。浯溪船闸自动化控制系统结构清晰，集成度高，较简洁的配置实现了各项功能需求，相对于其他船闸控制系统节省了投资。
2）相比较于其他船闸系统，浯溪船闸自动化控制系统采用无主设计理念，系统配置多硬件节点，各节点之间不存在相互依赖的逻辑关系，使系统具有高可控性，重要硬件节点均采用冗余配置，当任何一个硬件节点故障时，通过自动切换或授权调整可进行功能的重新分配，用其它节点替代某故障的节点。软件上各功能软件采用模块化设计开发，某一模块的故障不影响其他模块的运行，提高了系统运行的可靠性与可用率。自投运以来，一直稳定运行，保证了湘江航道的通畅。
3）浯溪船闸自动化控制系统控制模式设计上除传统的船闸设备单步控制，也可以进行船闸运行全过程控制模式，并进行控制模式参数设定。在船闸单步控制模式下，操作人员对各设备进行单步控制。在船闸运行全过程控制模式下，操作人员通过启动船闸自动控制流程，对船闸相关设备进行自动控制。
4）相比较于其他船闸控制，浯溪船闸自动化控制系统提供了完善的通讯方式，实现与外部各系统的数据与命令交互，包括与电站监控系统、保护、水位、电能系统等，并预留了船闸远程控制接口，在条件允许的情况下，可实现船闸系统的远方调度控制。
5）船闸系统对设备的可靠性和运行的安全性有着很高的要求，因此总体设计，把安全性和可靠性放在第一位，对此采取相关安全保障措施。除传统船闸控制的设备间联锁保护和流程闭锁外,在软件上设置闭锁和安全校核功能，从用户、主机、权限的各方面保证系统的操作按照设定的安全流程执行，对非安全操作闭锁输出，并进行报警提示。提高了操作控制安全性。
[与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较]
目前国内外的船闸控制，功能模式上比较单一，较少与外部系统互联，浯溪船闸控制系统采用分层分布式结构，结构清晰，采用多种控制模式，同时集成了强大的规约库，提供了与其他系统的各项接口，为实现多个系统的统一管理调度提供可行性。系统结构清晰，集成度高，较简洁的配置实现了更多的功能模块，相对于其他船闸控制系统节省了投资。
[成果应用情况及社会经济效益]
（1）应用情况
浯溪水电站船闸计算机监控系统在湖南浯溪水电开发有限公司的大力支持，各级部门的通力合作下，工程进展顺利。至2010年3月止，顺利完成了全部合同规定的船闸自动化控制系统的投运工作，作为我公司完成的第一个船闸自动化控制系统，非常值得认真总结，推广。
船闸自动化控制系统投运完成后，整套系统运行稳定可靠，取得了显著的经济和社会效益。
（2）社会经济效益：
a. 浯溪船闸自动化控制系统功能齐全，自动化、智能化水平高，运行稳定可靠，大大地减轻了运行人员的劳动强度以及维护人员的工作量，提高了自动化水平及管理自动化水平，在完成系统的试运行后，运行维护人员同时负责船闸自动化控制系统与浯溪水电站监控系统，相应减少了运行维护人员，节省了人力资源。
b. 浯溪船闸自动化控制系统是船闸唯一的监控设备，具有完备的安全防误措施，杜绝了人为误操作而造成的损坏设备或影响航道安全的事故发生，提高了船闸安全运行水平，其本身的间经济效益和社会效益巨大。
c. 浯溪船闸自动化控制系统全过程控制，缩短了船只通过船闸的时间，减少了运行人员的劳动强度和错误率，通行率和安全性大大增强，为实现航道的安全运行创造了条件，提高了船闸通航能力。
浯溪船闸自动化控制系统的合理设计与实现，提高了浯溪船闸维护的质量，缩短了故障处理的响应时间，减少运行维护强度，具有很强的使用价值。系统自投入运行以来，工作状况良好，运行稳定可靠，各项指标及性能均满足设计要求。对实现湘江航道的通畅，具有重要的保证作用，取得了良好的经济和社会效益。
[成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题]
在推广浯溪船闸自动化控制系统的过程中，感到有几个方面可以改进提高。首先是解决用于消化、吸收国内外技术的配套资金；其次是提高国内人士对软件成果的认可程度，加大人力、物力的投入。
