西門子自動化產品在三峽雙線五級船閘控制中的應用
西門子自動化與驅動集團
三峽雙線五級船閘——人類歷史上的又一個奇跡
長江橫貫我國東、中、西部，是世界第三大河流，其干流有3000 多公里可以通航，占全國內河通航里程的70％，貨運量占全國河運量的80％，向有"黃金水道"之譽。三峽工程全稱為長江三峽水利樞紐工程，工程分三期，總工期17 年。一期工程5 年(1993―1997 年)，除準備工程外，主要進行一期圍堰填筑，導流明渠開挖等；二期工程6 年(1997―2003 年)，主要任務是修筑二期圍堰，左岸大壩的電站設施建設及機組安裝等；三期工程6 年(2003―2009 年)，進行右岸大壩和電站的施工，并繼續完成全部機組安裝。屆時，三峽水庫將是一座長達600 公里，最寬處達2000 米，面積達10000 平方公里，水面平靜的峽谷型水庫。
三峽工程是中國，也是世界上最大的水利樞紐工程，是治理和開發長江的關鍵性骨干工程，是座具有防洪、發電、航運、養殖、旅游、保護生態、凈化環境、開發性移民、南水北調、供水灌溉等巨大綜合效益的宏偉工程。樞紐主要建筑物由大壩、水電站、通航建筑物三大部分組成,三峽工程完成后,每年約有４臺機組投產。三峽每臺機組年平均發電32 億度，一臺機組就可以滿足一座百萬人口城市全部供電需求。未來６年，共有24 臺機組投產運行發電。其中通航建筑物包括永久船閘和升船機，船閘系統是三峽項目中難度最大的系統。
西門子公司為三峽永久船閘系統提供安全、可靠和先進的自動化技術，確保了船閘于2003 年6 月順利通航。
建設三峽工程雙線五級連續梯級船閘有一系列的重大技術難題，諸如泥沙淤積礙航問題、高水頭船閘水力學、高陡邊坡穩定問題、超大型人字閘門和高水頭輸水閥門及其啟閉機械的制造及安裝問題、極為復雜的運行工藝與極高的安全可靠性運行要求等等，尤其是人字門的安全可靠控制系統及無擾動故障切換問題。
基于上述眾多難題和高控制要求，三峽雙線五級連續船閘，在每線船閘兩側各布置1 條輸水廊道，各閘首閥門豎井內設置反向弧形工作閥門；在每線船閘的每個閘首兩側各設1 個液壓啟閉機房，每個液壓啟閉機房設1 個液壓站，用于相應的人字形閘門和輸水廊道工作閥門的啟閉操作。每線船閘各6 個閘首,每個閘首兩側各設一個套現地電氣控制站（簡稱現地站）, 共12 套現地站。兩線共設24 套現地站，主要功能是控制操作本閘首的液壓泵站、人字形閘門、輸水工作閥門、防撞裝置和通航信號指揮等設備。
船閘控制系統是一個非常復雜的控制系統, 在系統的安全性, 穩定性和可靠性方面有特別高的要求,任何故障都會導致整個航運系統的中斷。尤其是現地控制站, 因為現地控制系統在永久船閘系統中的重要地位主要體現在：
1、在通訊網絡中斷的情況下，船閘的運行必須靠現地來操作完成；
2、在現地與集控的控制權上，現地具有控制優先權，這就保證了在緊急情況下現地處理故障的強制性；
3、從現地系統自身而言，其工作性能的好壞，將直接影響到船閘整個控制系統能否安全、可靠運行，所以在整個永久船閘控制系統中它的地位意義是決定性的。同時，通過永船無水和有水調試運行，PLC 的實用性在三峽永船中也得到了很好的驗證。
針對這些特點,西門子全集成自動化解決方案極好地滿足了此控制系統的要求, 西門子PLC 作為三峽永久船閘現地系統的控制核心，它的最大的特點是：結構簡單，編程方便，控制器冗余,網絡冗余,I/O 冗余,可靠性高等。具體體現在如下幾個方面：
1、 現地控制系統采用西門子公司高級冗余控制器S7-417H 26 個，兩個互為熱備的13 對417 CPU 可分別安裝在閘首兩岸現地控制室及主控中心，現地控制站兩制器之間通過150m 長的光纖電纜連接，既實現了兩個CPU 之間的數據和信息的快速同步，同時光纜能提供很高的抗干擾能力. 一旦主站CPU 發生故障，系統將自動在0.1 秒內無擾動地切換到從站CPU，由從CPU 繼續負責整個系統的控制，以確保系統在出現任何故障的情況下都不影響船閘的啟閉過程和正常通航。系統網絡結構圖如下圖所示：
2、現地控制站之間以及現地控制站與主控中心之間的通訊采用西門子100M 光纖雙環網來實現網絡的全冗余功能.通過在現地控制站S7-417H 的中央機架上分別安裝兩塊工業以太網卡CP443-1 和在主控中心的監控服務器上也分別安裝兩塊工業
以太網卡CP1613，實現了整個控制系統的高可靠性的冗余光纖雙環網。以確?，F地控制站之間及現地控制站與主控中心之間的通訊暢通,實現各站之間的連鎖互動,協調管理不住和船閘的安全通航。
3、現場控制器與現場I/O 之間以現場總線-Profibus 來實現冗余的通訊連接, 現場控制器與現場I/O 站ET200M 之間通過ET200M 機架上的雙IM153 模塊實現雙通道切換，除網絡冗余外,現場I/O 點的采集和控制也是冗余的,一旦某個I/O 點出現故障，系統CPU 也會自動切換到熱備的I/O 點上讀寫數據，以保證相關I/O 點和網卡及整個網絡的全冗余自動切換，進而保證對閘門的安全、穩定控制。
4、高精度、高速定位功能是確保船閘安全運行,準確定位的關鍵,西門子公司的特殊功能模塊SM338 在此項目中的完美應用體現了西門子自動化產品的博大精深。SM338 模塊在此項目中用于快速精確定位，以確保閘門能安全到位，既不會因運行距離過長而出現兩扇門相頂撞事故，也不會因不到位而使閘門關閉不嚴的事故。
5、WinCC 以其良好的穩定性,有好的用戶界面,開放的數據庫和網絡協議成為船閘控制系統的上位監控軟件,實現了對船閘真正的遠程快速監控。
三峽大壩蓄水發電后，顯著改善了宜昌至重慶660 公里的長江航運航道，航道,單向年通船能力由原來的約1000 萬噸提高到5000 萬噸，運輸成本也降低了35-37%。永久船閘連通萬里長江、打通華夏大陸水上出海通道，使長江客貨運能力提高了5 倍，萬噸級船隊可由上海經永久船閘直抵重慶，客輪的運輸能力相當于20 條北京至廣州的鐵路干線。永久船閘也將成為世界上經典的水上通航建筑物。
從三峽工程建設一開始， 西門子公司就致力為世界上這一巨大的水利水電項目作貢獻。至今，西門子公司已參與三峽工程中一些重要的子項目：如左岸發電站6 臺發電機和水輪機組勵磁調速裝置和50 萬伏主變壓器，其中自動化與驅動部與國內系統集成商和設備制造商合作，參與了臨時船閘，“永久船閘、大壩和電站廠房二期工程”中的液壓啟閉機現地控制站和部分門橋機以及左岸電站廠房、泄洪壩段和永久船閘低壓配電系統等項目在三峽雙線永久船閘的建設過程中，西門子公司提供了先進、安全、可靠的技術和設備，特別是永久船閘系統自2003 年6 月運行以來，一直運行正常，從未發生過任何系統控制上的問題，保證了每天來往船只的正常通過，充分體現了西門子高級控制系統的高質量、高可靠性和高穩定性，為西門子可編程控制器今后在相關水利工程的應用中奠定了堅實的基礎。同時，西門子公司將繼續為這一世界矚目的工程提供全面的技術支持，使工程在安全可靠無故障運行的基礎上早日達到預期的社會經濟效益。
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