常州市北塘河船闸卧式闸门动态控制与研究

摘要

江苏省交通与水利部门管理的54座船闸，其中大多数处于繁忙运行状态，船舶过闸经常出现拥挤状况，船舶等待过闸时间较长，影响了船闸的运行效率。为提高船舶过闸效率，对船闸运行方式进行优化调度管理的研究则具有重要意义。本课题以常州北塘河船闸项目为背景，设计并开发了卧式闸门船闸自动化监控系统。
　　根据船闸运行控制与自动化监测功能的需求，系统采用了网络通信技术、可编程逻辑控制器(PLC)、上位机组态软件(组态王6.55)、各种传感器及现场监测仪器，结合船闸闸门动态控制与优化策略，完成了对船闸运行方式的优化调度管理。
　　介绍了船闸自动化监控系统的国内外发展的现状和趋势，然后通过对北塘河船闸自动化监控项目的功能需求分析，确定了该自动化系统的主要功能和设计方案。系统采用分层分布式系统结构，按功能分为三层，分别为船闸现地测控层，中心数据处理层与远程监督控制层。
　　船闸现地测控层以西门子PLC为核心控制部件，进行闸门开度、闸室内外水位、电力参数的测量以及闸门开度的控制，具有故障提醒及应急处理功能。现地上、下闸首设有人机交互设备触摸屏，能够直观的显示船闸运行情况，可靠性高。船闸现地测控单元通过以太网通讯将船闸运行状态信息，以及各个传感设备采集的信息实时的传送到中心数据处理层，并且现地测控单元可以接受远程监督控制层发出的控制命令，从而实现船闸设备的远程控制。中心数据处理层设有SCADA服务器，负责与上、下闸首现地测控单元之间的数据通信，与远程监控层的客户机构成典型的C/S模式监控系统;远程监控层设有两个工作站，监控工作站以及视频工作站。监控工作站实现以下功能:船闸运行状态监控，实时报表生成、历史报表的查询和数据管理等。视频工作站通过对船闸运行现场的图像采集，作为对船闸自动化监控系统的补充。现地测控层、中心数据层以及运程监控层通过工业以太网联通形成了一个完整的船闸自动化监控系统。
　　针对船舶的待闸时间长，过闸效率低等问题，根据水工模型试验研究结果，采用非线性控制算法，在保证不同水位差下船闸充放水时闸室内的水流流速均能满足船只安全停靠要求下，动态控制船闸启闭机的运行速率，优化了不同水位条件下船闸运行通行能力，从而充分挖掘船闸通航能力的潜力。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 船闸闸门结构形式及其运行控制方式

1．2．1 船闸闸门的分类

1．2．2 平面中枢卧倒闸门的特点

1．2．3 闸门的运行控制方式

1．3 研究的必要性

1．4 国内外研究进展

1．4．1 船闸优化运行的研究

1．4．2 国内外关于船闸自动化控制的现状和趋势

1．5 研究的路线、方法与应用技术创新

第二章 北塘河船闸概况及其水流态模型试验

2．1 北塘河船闸工程概况

2．2 水文资料

2．3 模型试验情况

2．3．1 实验目的

2．3．2 实验手段与方法

2．4 模型试验结论

2．4．1 船闸下闸首试验工况

2．4．2 船闸上闸首试验工况

2．4．3 结论与建议

第三章 船闸自动化系统方案

3．1 基本要求

3．2 网络设计

3．3 功能要求与设计

3．3．1 船闸现地数据采集与控制

3．3．2 上位机监控系统

3．3．3 历史数据存储与管理

3．3．4 船闸优化控制调节

3．4 系统组成与结构

3．4．1 控制系统的组成与结构

3．4．2 控制系统各单元的功能

3．4．3 监控系统的架构

3．4．4 系统硬件组成

第四章 船闸自动化系统程序开发

4．1 系统体系与开发平台

4．2 信号采集与通信

4．2．1 数据采集程序设计

4．2．2 模拟量信号输出及变频控制调节

4．3 设备组网与通信

4．3．1 以太网通信简介

4．3．2 S7-200间的以太网通信

4．4 基于modbus协议的数据通信

4．4．1 Modbus协议

4．5 软件开发设计

4．5．1 船闸闸门开度测量及闸室水量计算程序

4．5．2 船闸开度控制程序

第五章 船闸闸门控制优化的研究与实现

5．1 船闸闸门动态控制与优化的目的

5．2 船闸闸门动态控制与优化手段和方法

5．3 优化调节基本实现

5．3．1 船闸闸门控制模型设计

5．3．2 构造一阶滤波环节

5．3．3 基于PID算法的控制设计

5．3．4 基于Lyapunov法的稳定性控制设计

5．4 仿真验证及分析

第六章 上位机自动化软件系统开发

6．1 上位机监控软件

6．2 上位机监控系统开发与设计

6．2．1 组态王与PLC通信功能实现

6．2．2 上位机监控功能的实现

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

附录

致谢

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