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【摘 要】结合蜀山船闸工程实践，介绍了船闸自动化监控系统软件的组成及技术要求，分析了软件设计的可操作性、可扩展性和可修改性，完成了船闸自动化监控系统控制功能的实现，实现了船闸管控一体化。
【关键词】船闸 自动化 监控系统 控制技术
蜀山船闸位于余姚境内，前身是上世纪60年代在候青江、最良江、中舜江及郁浪浦建造的四座节制闸。由于建筑标准较低，年积月累，设施老化，且没有自动化控制系统，因而严重影响余姚城市防洪和姚江流域的排涝能力与通航能力，也制约了余姚城市的发展，因此决定新建蜀山船闸。新建蜀山船闸工程是余姚城市防洪工程的骨干项目，也是杭甬运河的组成部分，列为浙江省、宁波市的重点工程。船闸工程规模为500吨级（Ⅳ级航道）船闸、主要建筑物为Ⅲ级。
随着内河水路货物运输的需求不断增长，交通运输服务质量意识的不断提高，人们开始关注内河水运的服务质量、通航的便捷、安全可靠性、运输效率，特别是时间延误等问题，船闸的自动化建设显然是解决这些问题的关键。
一、船闸自动化监控软件
船闸综合自动化系统主要由船闸计算机监控子系统、收费调度管理子系统、工业电视子系统及广播通讯子系统、交通控制子系统组成。
而船闸自动化监控软件系统一般由系统软件、工具软件、应用软件组成。
（1）系统软件包括：a） 操作系统：Windows server 2000；b） 网络协议：TCP/IP；c） 数据库管理系统：SQL SERVER ，热备。
（2）工具软件包括：a） 组态软件：组态王 6.5版；b） PLC编程软件：STEP S7-300（西门子）；c） 数据库编程软件：SQLserver2000；d） 触摸屏编程软件：ProTool 6.0。
（3）应用软件包括：a） 现地PLC梯形图软件；b） 中控室监控及管理软件；c） 现地触摸屏操作员应用软件；d） 中控室数据库管理软件；e） WEB查询发布软件；f） 上、下闸首TPl70应用软件。
计算机操作系统软件结构如图1：
二、自动化监控系统软件技术要求
监控系统软件满足下列要求：
支持应用软件直接快速存取数据，以及对数据的修改、查询、擴充和实时处理；保持应用程序和数据之间的高度独立性，控制数据的完整性和统一性；保持数据库中数据的可靠性，采取措施确保有效的数据记录在数据库中；提供数据库保护，以防人为或程序造成不正当的修改；应用软件中可以使用数据库中的数据，完成性能监视的统计资料。
动态显示船闸运行状况，在集中控制室的上位机显示器和现地触摸屏上都有船闸运行状况的动态显示。
网络具有良好的扩展性：与上下游远调之间留有接口；与其他船闸之间留有接口；与管理网络联网留有接口等。
三、软件设计
软件配置在不影响系统总体功能的前提下，依据“危险分散”原则进行分散配置，分站不依赖中央，能完全独立地完成对所属区域或设备实施控制。软件采用模块化结构，系统具有最简易的可操作性、规模的可扩展性、数据的可修改性（如图2所示）。
（一）上位机软件
具备监测和管理两项功能，由运行监测、运行统计、WEB发布等模块组成，监控软件能使每一个节点与网络其他所有节点互相监控。
通过与下位机PLC的通讯，得到上下闸首的各种有关参数，并自动跟踪船闸运行过程。实时显示当前运行过程的有关参数，如：闸门开度、阀门开度、水位的动态模拟数值显示、故障内容显示和声音报警；上下行标志和通航指挥信号标志模拟显示，程序步运行指示；提供船闸总貌图、分组图、船闸闸阀门运行图、设备运行状态图（电气设备运行状态图如图3所示）、重要参数趋势图、运行棒图和报警的手动切换；每次运行过程的上下游水位、通航起始和终止时间、故障内容和故障时间的自动记录，形成日报表和故障表等。
上位机显示器上的图形显示、菜单操作等均在汉字环境下实现；操作系统采用Windows server 2000，增强系统的稳定性；采用多媒体技术实现闸阀门的动态运行显示，使显示画面更直观、形象生动。
（二）下位机软件
由PLC软件和触摸屏软件构成。具备开关量和模拟量采集输入、控制开关量输出、网络通讯等功能。它由卷扬式启闭机控制模块、水位采集处理模块、液压启闭机控制模块、人字门控制模块等模块组成。上下闸首之间的闭锁、闸阀门、水位差之间的闭锁均在下位机软件里实现。
PLC软件使用IEC1131-3规定的语言进行编程。各可编程控制器的程序是独立的，程序结构为模块式，内容包括控制运行、检测、故障诊断等。可离线模拟与调试已经编好的程序，亦可在线修改。
（三）数据库
数据库是监控系统软件的核心部分，是联系上位机和下位机的桥梁。下位机采集到的数据和上位机的控制数据都存储在数据库定义的变量中，对数据的访问、查询、更新以及数据交换、网络通信等功能都是建立在数据库的基础上。
考虑未来船闸运行期间对数据库的要求，采用基于网络模式的SQL SERVER数据库系统。依据船闸自动监控系统对数据管理的需要，开发的数据库具备以下基本功能：①有良好的安全维护性；②方便的数据查询功能；③有密码限制的数据修改功能。
（四）信息查询系统
采用ASP技术建立动态交互WEB界面浏览的信息查询系统。基于WEB服务器和SQL数据库服务器，Internet Explore等浏览器向WEB服务器递交查询请求（如图4所示），申请访问一个ASP文件，WEB服务器接受到请求后调用相应的ASP文件度解释执行，用ADO组件通过ODBC驱动程序访问数据库，再将查询的结果返回到用户端的浏览器页面（如下图5所示）。 四、船闸自动化监控系统控制功能的实现
船闸监控系统采取现地手动控制运行（现地手动控制子系统）、现地自动控制运行（触摸屏控制子系统）以及集中自动控制运行（集中控制子系统）三种控制方案。每种运行方案均以各个控制对象的现地开关柜为起点，但现地手动控制子系统的优先级最高，现地自动控制子系统优先级其次，集中控制子系统优先级最低，且具有互锁功能。
在船闸监控系统操作模块中设置了转换操作区、单步操作区、联动操作区。转换操作区设有单步与联动、上行与下行的转换指令；联动操作区设有进闸指令、联动启动指令；单步操作区设有上、下闸的转换、进船、出船、开闸、关闸、开阀、关阀、锁定、解锁、停机、停航指令（如图6所示）。
运用索引技术和自动切换技术，每步操作都有相应提示，一般运行人员均可在较短的时间内掌握，使操作人员很灵活地完成操作方式之间的投入、退出或转换。
（一）现地手动操作控制
每个闸首的启闭机现地控制柜上，设有各闸门、阀门开门/关门的启动/停止按钮和指示燈以及平板闸门锁定装置的锁定/解锁按钮和指示灯，对每扇闸门、阀门独立进行控制。
1.平板闸门的手动控制：
锁定：按下锁定按钮，液压系统电磁阀控制闸门锁定机构，实现对平板闸门的锁定。
解锁：按下解锁按钮，液压系统电磁阀控制闸门锁定机构，实现对平板闸门的解锁。
关门：按下关门按钮，平板闸门解锁行程开关到位后，起动卷扬机电动机组，闸门同步下降，当闸门到达全关位置后自动停止。
开门：按下开门按钮，启动卷扬机电动机，提升闸门，到达全开位置时自动停止。
2.人字闸门的手动控制：
关门：按下关门按钮，启动泵源，再由液压系统电磁阀驱动闸门关闭，当闸门到达全关位置后自动停止。
开门：按下开门按钮，启动泵源，再由液压系统电磁阀驱动闸门开启，达到全开位置后自动停止。
3.输水阀门的手动控制
开门：按下开启按钮，同一闸首两侧的输水阀门同时以调定的同一速度提升，至全开位置后自动停止。
关门：按下关门按钮，同一闸首两侧的输水阀门同时以调定的同一速度下降，至全关位置后自动停止。
在现地操作控制台面板上还设有“急停”紧急处理按钮，以确保船闸的运行安全。
紧急关阀：在船闸控制系统出现紧急情况时，将按下“紧急关阀”按钮，以确保船闸的运行安全。
（二）现地自动控制
通过现地控制单元（LCU）中的现地操作控制台触摸屏来实现闸阀门的PLC程序控制操作。
触摸屏采用船闸剖面图作为闸阀门运行指示区的背景，将闸阀门动作情况、水位计数据、系统控制方式、通航信号等内容实时指示出来，使操作人员进行本闸首操作时，并能了解另一闸首的闸阀门情况。
通过触摸屏和LCU控制，对上、下闸首分别以一个命令实现输水阀门和闸门的顺序开启和关闭。
1.上闸首现地程序控制：
程序充/泄水的顺序为：启阀门→启闸门→锁定→闭阀门
程序闭门的顺序为：解锁→闭闸门
2.下闸首现地程序控制：
程序充/泄水的顺序为：启阀门→启闸门→闭阀门
程序闭门的顺序为：闭闸门
当对侧闸首的闸门和输水阀门都处在全关位置时，才允许本闸首进行单项控制和程序控制。
（三）集控程序控制
集中控制是指在集中控制室实现的集控联动运行和集控单步运行（如图7所示）。
操作人员在集中控制室操作，由上下闸首PLC程序按船闸过闸工艺程序，自动控制上下闸首闸、阀门顺序运行，完成船舶过闸。
在集中控制室控制面板也设有“急停”紧急处理按钮，以确保船闸的运行安全。
五、结语
船闸自动化控制系统是在综合了计算机网络技术、自动控制技术和通信技术基础上发展起来的一种通用工业自动控制装置，具有功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，特别是它的高可靠性和具有很强的适应恶劣工作环境的能力，应用相当广泛；蜀山船闸自动化控制系统的使用，缩短了上下行流程的平均流程时间，提高了船闸的运行效率；由于运行效率的提高，水运优势体现得更加明显，从而改变了杭、甬、绍的产业布局与运输格局，为浙江经济的可持续发展提供了基础保障。
作者简介：
王一城，男，1993.08一，籍贯：浙江杭州，浙江大学在读本科，研究方向自动化控制。
【关键词】船闸 自动化 监控系统 控制技术
蜀山船闸位于余姚境内，前身是上世纪60年代在候青江、最良江、中舜江及郁浪浦建造的四座节制闸。由于建筑标准较低，年积月累，设施老化，且没有自动化控制系统，因而严重影响余姚城市防洪和姚江流域的排涝能力与通航能力，也制约了余姚城市的发展，因此决定新建蜀山船闸。新建蜀山船闸工程是余姚城市防洪工程的骨干项目，也是杭甬运河的组成部分，列为浙江省、宁波市的重点工程。船闸工程规模为500吨级（Ⅳ级航道）船闸、主要建筑物为Ⅲ级。
随着内河水路货物运输的需求不断增长，交通运输服务质量意识的不断提高，人们开始关注内河水运的服务质量、通航的便捷、安全可靠性、运输效率，特别是时间延误等问题，船闸的自动化建设显然是解决这些问题的关键。
一、船闸自动化监控软件
船闸综合自动化系统主要由船闸计算机监控子系统、收费调度管理子系统、工业电视子系统及广播通讯子系统、交通控制子系统组成。
而船闸自动化监控软件系统一般由系统软件、工具软件、应用软件组成。
（1）系统软件包括：a） 操作系统：Windows server 2000；b） 网络协议：TCP/IP；c） 数据库管理系统：SQL SERVER ，热备。
（2）工具软件包括：a） 组态软件：组态王 6.5版；b） PLC编程软件：STEP S7-300（西门子）；c） 数据库编程软件：SQLserver2000；d） 触摸屏编程软件：ProTool 6.0。
（3）应用软件包括：a） 现地PLC梯形图软件；b） 中控室监控及管理软件；c） 现地触摸屏操作员应用软件；d） 中控室数据库管理软件；e） WEB查询发布软件；f） 上、下闸首TPl70应用软件。
计算机操作系统软件结构如图1：
二、自动化监控系统软件技术要求
监控系统软件满足下列要求：
支持应用软件直接快速存取数据，以及对数据的修改、查询、擴充和实时处理；保持应用程序和数据之间的高度独立性，控制数据的完整性和统一性；保持数据库中数据的可靠性，采取措施确保有效的数据记录在数据库中；提供数据库保护，以防人为或程序造成不正当的修改；应用软件中可以使用数据库中的数据，完成性能监视的统计资料。
动态显示船闸运行状况，在集中控制室的上位机显示器和现地触摸屏上都有船闸运行状况的动态显示。
网络具有良好的扩展性：与上下游远调之间留有接口；与其他船闸之间留有接口；与管理网络联网留有接口等。
三、软件设计
软件配置在不影响系统总体功能的前提下，依据“危险分散”原则进行分散配置，分站不依赖中央，能完全独立地完成对所属区域或设备实施控制。软件采用模块化结构，系统具有最简易的可操作性、规模的可扩展性、数据的可修改性（如图2所示）。
（一）上位机软件
具备监测和管理两项功能，由运行监测、运行统计、WEB发布等模块组成，监控软件能使每一个节点与网络其他所有节点互相监控。
通过与下位机PLC的通讯，得到上下闸首的各种有关参数，并自动跟踪船闸运行过程。实时显示当前运行过程的有关参数，如：闸门开度、阀门开度、水位的动态模拟数值显示、故障内容显示和声音报警；上下行标志和通航指挥信号标志模拟显示，程序步运行指示；提供船闸总貌图、分组图、船闸闸阀门运行图、设备运行状态图（电气设备运行状态图如图3所示）、重要参数趋势图、运行棒图和报警的手动切换；每次运行过程的上下游水位、通航起始和终止时间、故障内容和故障时间的自动记录，形成日报表和故障表等。
上位机显示器上的图形显示、菜单操作等均在汉字环境下实现；操作系统采用Windows server 2000，增强系统的稳定性；采用多媒体技术实现闸阀门的动态运行显示，使显示画面更直观、形象生动。
（二）下位机软件
由PLC软件和触摸屏软件构成。具备开关量和模拟量采集输入、控制开关量输出、网络通讯等功能。它由卷扬式启闭机控制模块、水位采集处理模块、液压启闭机控制模块、人字门控制模块等模块组成。上下闸首之间的闭锁、闸阀门、水位差之间的闭锁均在下位机软件里实现。
PLC软件使用IEC1131-3规定的语言进行编程。各可编程控制器的程序是独立的，程序结构为模块式，内容包括控制运行、检测、故障诊断等。可离线模拟与调试已经编好的程序，亦可在线修改。
（三）数据库
数据库是监控系统软件的核心部分，是联系上位机和下位机的桥梁。下位机采集到的数据和上位机的控制数据都存储在数据库定义的变量中，对数据的访问、查询、更新以及数据交换、网络通信等功能都是建立在数据库的基础上。
考虑未来船闸运行期间对数据库的要求，采用基于网络模式的SQL SERVER数据库系统。依据船闸自动监控系统对数据管理的需要，开发的数据库具备以下基本功能：①有良好的安全维护性；②方便的数据查询功能；③有密码限制的数据修改功能。
（四）信息查询系统
采用ASP技术建立动态交互WEB界面浏览的信息查询系统。基于WEB服务器和SQL数据库服务器，Internet Explore等浏览器向WEB服务器递交查询请求（如图4所示），申请访问一个ASP文件，WEB服务器接受到请求后调用相应的ASP文件度解释执行，用ADO组件通过ODBC驱动程序访问数据库，再将查询的结果返回到用户端的浏览器页面（如下图5所示）。 四、船闸自动化监控系统控制功能的实现
船闸监控系统采取现地手动控制运行（现地手动控制子系统）、现地自动控制运行（触摸屏控制子系统）以及集中自动控制运行（集中控制子系统）三种控制方案。每种运行方案均以各个控制对象的现地开关柜为起点，但现地手动控制子系统的优先级最高，现地自动控制子系统优先级其次，集中控制子系统优先级最低，且具有互锁功能。
在船闸监控系统操作模块中设置了转换操作区、单步操作区、联动操作区。转换操作区设有单步与联动、上行与下行的转换指令；联动操作区设有进闸指令、联动启动指令；单步操作区设有上、下闸的转换、进船、出船、开闸、关闸、开阀、关阀、锁定、解锁、停机、停航指令（如图6所示）。
运用索引技术和自动切换技术，每步操作都有相应提示，一般运行人员均可在较短的时间内掌握，使操作人员很灵活地完成操作方式之间的投入、退出或转换。
（一）现地手动操作控制
每个闸首的启闭机现地控制柜上，设有各闸门、阀门开门/关门的启动/停止按钮和指示燈以及平板闸门锁定装置的锁定/解锁按钮和指示灯，对每扇闸门、阀门独立进行控制。
1.平板闸门的手动控制：
锁定：按下锁定按钮，液压系统电磁阀控制闸门锁定机构，实现对平板闸门的锁定。
解锁：按下解锁按钮，液压系统电磁阀控制闸门锁定机构，实现对平板闸门的解锁。
关门：按下关门按钮，平板闸门解锁行程开关到位后，起动卷扬机电动机组，闸门同步下降，当闸门到达全关位置后自动停止。
开门：按下开门按钮，启动卷扬机电动机，提升闸门，到达全开位置时自动停止。
2.人字闸门的手动控制：
关门：按下关门按钮，启动泵源，再由液压系统电磁阀驱动闸门关闭，当闸门到达全关位置后自动停止。
开门：按下开门按钮，启动泵源，再由液压系统电磁阀驱动闸门开启，达到全开位置后自动停止。
3.输水阀门的手动控制
开门：按下开启按钮，同一闸首两侧的输水阀门同时以调定的同一速度提升，至全开位置后自动停止。
关门：按下关门按钮，同一闸首两侧的输水阀门同时以调定的同一速度下降，至全关位置后自动停止。
在现地操作控制台面板上还设有“急停”紧急处理按钮，以确保船闸的运行安全。
紧急关阀：在船闸控制系统出现紧急情况时，将按下“紧急关阀”按钮，以确保船闸的运行安全。
（二）现地自动控制
通过现地控制单元（LCU）中的现地操作控制台触摸屏来实现闸阀门的PLC程序控制操作。
触摸屏采用船闸剖面图作为闸阀门运行指示区的背景，将闸阀门动作情况、水位计数据、系统控制方式、通航信号等内容实时指示出来，使操作人员进行本闸首操作时，并能了解另一闸首的闸阀门情况。
通过触摸屏和LCU控制，对上、下闸首分别以一个命令实现输水阀门和闸门的顺序开启和关闭。
1.上闸首现地程序控制：
程序充/泄水的顺序为：启阀门→启闸门→锁定→闭阀门
程序闭门的顺序为：解锁→闭闸门
2.下闸首现地程序控制：
程序充/泄水的顺序为：启阀门→启闸门→闭阀门
程序闭门的顺序为：闭闸门
当对侧闸首的闸门和输水阀门都处在全关位置时，才允许本闸首进行单项控制和程序控制。
（三）集控程序控制
集中控制是指在集中控制室实现的集控联动运行和集控单步运行（如图7所示）。
操作人员在集中控制室操作，由上下闸首PLC程序按船闸过闸工艺程序，自动控制上下闸首闸、阀门顺序运行，完成船舶过闸。
在集中控制室控制面板也设有“急停”紧急处理按钮，以确保船闸的运行安全。
五、结语
船闸自动化控制系统是在综合了计算机网络技术、自动控制技术和通信技术基础上发展起来的一种通用工业自动控制装置，具有功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，特别是它的高可靠性和具有很强的适应恶劣工作环境的能力，应用相当广泛；蜀山船闸自动化控制系统的使用，缩短了上下行流程的平均流程时间，提高了船闸的运行效率；由于运行效率的提高，水运优势体现得更加明显，从而改变了杭、甬、绍的产业布局与运输格局，为浙江经济的可持续发展提供了基础保障。
作者简介：
王一城，男，1993.08一，籍贯：浙江杭州，浙江大学在读本科，研究方向自动化控制。