CN112068478B - 一种高水头大型船闸工艺安全应急保护系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种高水头大型船闸工艺安全应急保护系统及方法，是一种实现船闸正常运行控制具备的保护功能以外，可独立实现船闸关键工艺安全应急保护的系统和方法，重点实现船闸闭锁保护、合拢检测、高水头船闸动水关阀等工艺安全保护功能，有效降低操作人员工作强度、抵御网络安全风险，提高船闸运行安全性的产品。通过配置该系统，可实现与控制系统之间的冗余保护功能，原理简单，实施方便，功效显著，且具备双重保护、应急干预、兼容性强、可靠性高等优点。

Description

一种高水头大型船闸工艺安全应急保护系统及方法

技术领域

本发明属千船闸控制、监控技术领域，具体涉及一种对船闸运行关键工艺进行安全监控和应急保护的系统及其使用方法。

背景技术

据相关数据统计，全国共有船闸千余座。随着行业发展对船闸运行管控技术的深度融合需求日益增高，运行控制系统与信息服务系统数据交换将不可避免。传统的船闸工业控制系统的设计理念和应用技术目前已不能完全应对日趋严峻的网络安全风险。

此外，现有船闸控制系统一般采用PLC、计算机配合各类传感和执行器设备构成，船闸操作人员按照船闸正常运行工艺流程操作闸/阀门启闭，通过传感器采集信号进行设备状态监测和故障自动判断；但在传感器异常或其他原因造成船闸运行过程中关键安全工艺信号误判时，控制系统存在不能可靠实现自动应急保护的功能，特别是高水头船闸输水过程中关键工艺安全的应急保护对操作人员的依赖程度高，造成操作人员工作压力大。

因此，除正常的船闸工业控制保护功能外，亟需独立的船闸工艺安全应急保护系统来有效防范船闸运行过程中存在的潜在风险。故该系统的发明有广阔的市场前景和需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：在现有船闸控制系统实现船闸正常控制流程基础上，通过设置一套独立的、专用的工艺安全应急保护系统，实现对船闸运行关键工艺的安全监控和应急保护。减少船闸运行过程中存在的工艺安全隐患，降低值守人员的工作强度，抵御网络安全风险，提高船闸运行的安全保障能力。

本发明解决以上技术问题的方案是：

一种高水头大型船闸工艺安全应急保护系统，它包括工艺安全应急保护装置，工艺安全应急保护装置包括第一信号输入端、第二信号输入端、信号输出端，工艺安全应急保护装置的第一信号输入端用千接收船闸相邻闸阀门关终辅助信号、船闸相邻闸门合拢辅助信号、船闸闸首上下游水位辅助信号；工艺安全应急保护装置的第二信号输入端用于接收船闸相邻闸阀门关终信号、船闸相邻闸门合拢信号、船闸闸首上下游水位信号。

上述工艺安全应急保护装置还与显示输出单元连接，显示输出单元用于信号的显示、控制输出和报警输出。

上述工艺安全应急保护装置以及船闸控制系统可同时接收船闸相邻闸阀门关终信号、船闸相邻闸门合拢信号、船闸闸首上下游水位信号，工艺安全应急保护装置的信号输出端以及船闸控制系统的信号输出端均与船闸动力拖动系统的信号输入端连接。

上述船闸控制系统可对船闸动力拖动系统控制及驱动。

在进行船闸动水关阀保护工艺时，工艺安全应急保护装置接收船闸闸首上下游水位辅助信号及船闸闸首上下游水位信号，进行信号数据处理和一致性对比并按工艺流程计算船闸正确响应工况，在船闸控制系统动作响应不在本系统允许工况时，控制船闸控制系统进行动水关阀动作并进行报警输出。

在进行船闸闸首闭锁保护工艺时，工艺安全应急保护装置接收船闸相邻闸阀门关终辅助信号及船闸相邻闸阀门关终信号，进行信号数据处理和一致性对比并按工艺流程计算船闸正确响应工况，在控制系统动作响应不在本系统允许工况时，控制船闸控制系统禁止满足开阀输水条件并进行报警输出。

在进行输水合拢保护工艺时，工艺安全应急保护装置接收船闸相邻闸门合拢辅助信号及船闸相邻闸门合拢信号，进行信号数据处理和一致性对比并按工艺流程计算船闸正确响应工况，在控制系统动作响应不在本系统允许工况时，控制船闸控制系统禁止满足开阀输水条件并进行报警输出。

一种高水头大型船闸工艺安全应急保护方法，它包括以下步骤：

1)在船闸每个现地子站安装一套工艺安全应急保护装置；

2)将所有安装的工艺安全应急保护装置进行组网，形成工艺安全保护监控系统；

3)工艺安全保护监控系统和船闸控制系统并线运行，运行过程中，工艺安全应急保护装置同时接收本地子站的船闸相邻闸阀门关终辅助信号、船闸相邻闸门合拢辅助信号、船闸闸首上下游水位辅助信号，船闸相邻闸阀门关终信号、船闸相邻闸门合拢信号、船闸闸首上下游水位信号；

4)工艺安全应急保护装置对各个信号进行收集、处理；

5)在船闸控制系统动作响应不符合本系统允许工况时，对应动作子站的工艺安全应急保护装置会控制船闸控制系统或船闸动力拖动系统进行船闸动水关阀保护工艺或船闸闸首闭锁保护工艺或船闸输水合拢保护工艺，同时进行报警输出。

在步骤4)中，工艺安全应急保护装置在进行信号处理时，采用以下步骤：

(1)接收本地子站数据并将船闸闸首上下游水位辅助信号与船闸闸首上下游水位信号、船闸相邻闸阀门关终辅助信号与船闸相邻闸阀门关终信号、船闸相邻闸门合拢辅助信号与船闸相邻闸门合拢信号进行一致性对比并将结果发送至其它子站工艺安全应急保护装置；

(2)根据其它现地子站工艺安全应急保护装置的数据，通过预设正确工艺流程进行计算，推算出正常工况运行范围；

(3)比较各个子站工艺安全应急保护装置计算的正常工况运行范围结果，当结果一致时，确定正常工况运行范围。

在步骤4)中，若数据一致性不满足，将报警提醒，本方法还包括所述高水头大型船闸工艺安全应急保护系统。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1.实现船闸控制系统和工艺安全应急保护系统的双重保护；

2.根据船闸工艺安全应急保护要求，定制安全应急保护策略，实现预警、报警、保护等不同等级的干预措施；

3.采用模块化网络结构，适用于不同类型船闸；

4.系统基于工业级、嵌入式开发，具有高可靠性、高稳定性；

5.系统具有良好兼容性，可与船闸目前采用的任何品牌控制系统兼容；

6.本发明不需要改变船闸现有控制系统的结构、无需增加很多设备，原理清晰，结构简单，并不影响船闸现有运行控制流程和功能，也不改变各个系统的网络，硬件以及参数设置。能够可靠高效的实现船闸正常运行控制与工艺安全应急保护的自动处理，具备很好的应用前景；

7.在现有船闸控制系统实现船闸正常控制流程基础上，通过设置一套独立的、专用的工艺安全应急保护系统，实现对船闸运行关键工艺的安全监控和应急保护，减少船闸运行过程中存在的工艺安全隐患，降低值守人员的工作强度，抵御网络安全风险，提高船闸运行的安全保障能力；

8.本发明能实时监控船闸生产运行过程中工艺安全的状态，对网络安全异常风险和运行工艺应急状态进行自动预警、报警、保护及干预，从而实现船闸运行过程的工艺安全保护，降低操作人员工作强度，抵御网络攻击带来的安全风险，提高船闸运行安全性；

附图说明

图1工艺安全应急保护系统结构示意图；

图2工艺安全应急保护系统系统网络结构图；

图3工艺安全应急保护系统动水关阀保护工艺原理图；

图4工艺安全应急保护系统闸首闭锁保护工艺原理图；

图5工艺安全应急保护系统输水合拢保护工艺原理图。

具体实施方式

如图1至图5所示，一种高水头大型船闸工艺安全应急保护系统，它包括工艺安全应急保护装置1，工艺安全应急保护装置1包括第一信号输入端、第二信号输入端、信号输出端，工艺安全应急保护装置1的第一信号输入端用于接收船闸相邻闸阀门关终辅助信号2、船闸相邻闸门合拢辅助信号3、船闸闸首上下游水位辅助信号4；工艺安全应急保护装置1的第二信号输入端用于接收船闸相邻闸阀门关终信号5、船闸相邻闸门合拢信号6、船闸闸首上下游水位信号7。

工艺安全应急保护装置1还与显示输出单元连接，显示输出单元用于信号的显示、控制输出和报警输出。

工艺安全应急保护装置1以及船闸控制系统8可同时接收船闸相邻闸阀门关终信号5、船闸相邻闸门合拢信号6、船闸闸首上下游水位信号7，工艺安全应急保护装置1的信号输出端以及船闸控制系统8的信号输出端均与船闸动力拖动系统9的信号输入端连接。

船闸控制系统8可对船闸动力拖动系统9控制及驱动。

在进行船闸动水关阀保护工艺时，工艺安全应急保护装置1接收船闸闸首上下游水位辅助信号4及船闸闸首上下游水位信号7，进行信号数据处理和一致性对比并按工艺流程计算船闸正确响应工况，在控制系统动作响应不在本系统允许工况时，控制船闸控制系统动水关阀并进行报警输出。

在进行船闸闸首闭锁保护工艺时，工艺安全应急保护装置1接收船闸相邻闸阀门关终辅助信号2及船闸相邻闸阀门关终信号5，进行信号数据处理和一致性对比并按工艺流程计算船闸正确响应工况，在控制系统动作响应不在本系统允许工况时，控制船闸控制系统禁止满足开阀输水条件并进行报警输出。

在进行输水合拢保护工艺时，工艺安全应急保护装置1接收船闸相邻闸门合拢辅助信号3及船闸相邻闸门合拢信号6，进行信号数据处理和一致性对比并按工艺流程计算船闸正确响应工况，在控制系统动作响应不在本系统允许工况时，控制船闸控制系统禁止满足开阀输水条件并进行报警输出。

本发明在现有船闸控制系统实现船闸正常控制流程基础上，通过设置一套独立的、专用的工艺安全应急保护系统，与船闸控制系统并线运行、相互独立，工艺安全应急保护系统仅对船闸运行状态进行在线监测而不影响船闸的正常运行，一旦发生涉及工艺安全的误操作、误动作、不响应事件，船闸控制系统没有做出正确动作的时候，工艺安全应急保护系统会提前进行工艺安全的预警、报警、保护等动作，有效防范船闸控制系统因设备故障、外部入侵、人为误操作等造成的影响船闸运行工艺安全的行为，实现对船闸运行关键工艺的安全监控和应急保护。

本发明将船闸运行控制的关键工艺安全信号接入现有船闸控制系统，同时设置一套独立的辅助关键工艺安全信号检测，通过双信号采集，在工艺安全应急保护系统中进行数据逻辑对比和信息处理，实现对船闸动力拖动系统的保护干预，并输出信号进行报警和控制。

本系统通过对船闸动水关阀、船闸闭锁条件、船闸输水合拢三种关键工艺进行监视控制，达到保护目的。

进一步的，为了便于本领域技术人员进一步的理解和实施，作出如下说明；

本发明可在船闸每个闸首进行部署，其结构如图2所示。

通过在原船闸控制系统基础上增加该系统，连接原检测信号和新增辅助检测信号接入该系统，设置系统通讯接口IP地址，连接至工艺安全应急保护集中监控系统，保证应急保护网络通讯正常。

在船闸正常生产运行过程中，该系统在线监测涉及工艺安全的设备状态和传感器信号，同步比对新增辅助信号状态，通过预设的工艺安全策略及保护参数设置，实现船闸运行过程中涉及工艺安全的异常报警、应急保护，紧急状态下切断原控制系统输出并进行控制接管的应急保护功能。

本发明中系统的硬件平台有以下部分构成：①在集中控制层和现地闸/阀门机房设置独立的安全控制PLC站；＠独立千船闸控制网络的应急控制网络系统；＠)分散采集上下游闸/阀门运行位置信号、上下游及闸室水位信号的传感设备。

本发明中系统的软件功能有以下内容：①主控PLC系统失效保护功能。包括：主控PLC运行状态监测、主控网络运行状态监测，主控PLC失效保护、主控网络失效保护(包括报警提示、闸门紧急停机、阀门自动关阀等)。＠船闸运行关键运行工艺保护功能。包括：主控PLC运行过程数据同步功能；闸门禁停区监测与保护、闸阀门闭锁工艺监测与保护、间歇式开阀工艺过程动态监测与保护、动水关阀工艺过程监测动态与保护功能、多级船闸水级保护和闸室补水运行工艺过程监测动态与保护功能等。＠船闸运行故障信息智能解析功能。包括：同步主控PLC运行故障信息，建立故障逻辑体系，自动解析故障信息等。

本发明在使用时，采用以下步骤：

1)在船闸每个现地子站安装一套工艺安全应急保护装置l。

2)将所有安装的工艺安全应急保护装置1进行组网，形成工艺安全保护监控系统11,以现地控制、单闸(分)控制、总控三种控制形式组网为例。

3)工艺安全保护监控系统和船闸控制系统并线运行，运行过程中，工艺安全应急保护装置l同时接收本地子站的船闸相邻闸阀门关终辅助信号2、船闸相邻闸门合拢辅助信号3、船闸闸首上下游水位辅助信号4,船闸相邻闸阀门关终信号5、船闸相邻闸门合拢信号6、船闸闸首上下游水位信号7；

4)工艺安全应急保护装置1处理步骤如下；

步骤(1)接收本地子站数据并将船闸闸首上下游水位辅助信号4与船闸闸首上下游水位信号7、船闸相邻闸阀门关终辅助信号2与船闸相邻闸阀门关终信号5、船闸相邻闸门合拢辅助信号3与船闸相邻闸门合拢信号6进行一致性对比并将结果发送至其它子站工艺安全应急保护装置l；

步骤(2)根据其它现地子站工艺安全应急保护装置l的数据，通过预设正确工艺流程进行计算，推算出正常工况运行范围；

步骤(3)比较各个子站工艺安全应急保护装置l计算的正常工况运行范围结果，当结果一致时，确定正常工况运行范围。

5)在船闸控制系统动作响应不符合本系统允许工况时，对应动作子站的工艺安全应急保护装置1会控制船闸控制系统8或船闸动力拖动系统9进行船闸动水关阀保护工艺或船闸闸首闭锁保护工艺或船闸输水合拢保护工艺，同时进行报警输出。

其中，在步骤1)中工艺安全应急保护装置1的信号输出端以及船闸控制系统8的信号输出端均与船闸动力拖动系统9的信号输入端连接；

其中，在步骤1)中工艺安全应急保护装置1还与显示输出单元连接，显示输出单元用于信号的显示、控制输出和报警输出。

其中，在步骤3)中工艺安全应急保护装置1除监测上述关键工艺数据外，还包括主控网络运行状态、主控PLC运行状态并将结果形成判断字参与步骤4的正确工况范围逻辑判断中。

其中，在步骤4)中，若数据一致性不满足，本系统将报警且不计算正确工况运行范围。

所述方法可与所述系统相配合。

其中，在步骤5)中根据船闸闸首上下游水位辅助信号4与船闸闸首上下游水位信号7数据计算结果，船闸控制系统动作响应未符合本系统允许工况时，对应子站工艺安全应急保护装置1启动船闸动水关阀保护工艺，进行动水关阀并进行报警输出。

其中，步骤5)根据船闸相邻闸阀门关终辅助信号2与船闸相邻闸阀门关终信号5，数据计算结果，船闸控制系统动作响应未符合本系统允许工况时，对应子站工艺安全应急保护装置1启动船闸闸首闭锁保护工艺禁止船闸控制系统开阀输水并进行报警输出。

其中，步骤5)根据船闸相邻闸门合拢辅助信号3与船闸相邻闸门合拢信号6数据计算结果，船闸控制系统动作响应未符合本系统允许工况时，对应子站工艺安全应急保护装置1禁止船闸控制系统开阀输水并进行报警输出。

上述只是本发明的一个实施例，根据工程实际情况的不同，本发明还可以有其它实施方案。可根据工程需要有单系统、多系统、选配集中工艺安全应急保护监控系统等不同配置，覆盖单级船闸、多级船闸、低水头船闸、高水头船闸等不同类型船闸的工艺安全应急保护。只要通过设置独立的应急保护系统和方法实现船闸工艺安全保护的技术方案均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高水头大型船闸工艺安全应急保护系统，其特征在于：它包括工艺安全应急保护装置（1），工艺安全应急保护装置（1）包括第一信号输入端、第二信号输入端、信号输出端，工艺安全应急保护装置（1）的第一信号输入端用于接收船闸相邻闸阀门关终辅助信号（2）、船闸相邻闸门合拢辅助信号（3）、船闸闸首上下游水位辅助信号（4）；工艺安全应急保护装置（1）的第二信号输入端用于接收船闸相邻闸阀门关终信号（5）、船闸相邻闸门合拢信号（6）、船闸闸首上下游水位信号（7）；

工艺安全应急保护装置（1）以及船闸控制系统（8）可同时接收船闸相邻闸阀门关终信号（5）、船闸相邻闸门合拢信号（6）、船闸闸首上下游水位信号（7），工艺安全应急保护装置（1）的信号输出端以及船闸控制系统（8）的信号输出端均与船闸动力拖动系统（9）的信号输入端连接；

在进行船闸动水关阀保护工艺时，工艺安全应急保护装置（1）接收船闸闸首上下游水位辅助信号（4）及船闸闸首上下游水位信号（7），进行信号数据处理和一致性对比并按工艺流程计算船闸正确响应工况，在控制系统动作响应不在本系统允许工况时，控制船闸控制系统动水关阀并进行报警输出；

在进行船闸闸首闭锁保护工艺时，工艺安全应急保护装置（1）接收船闸相邻闸阀门关终辅助信号（2）及船闸相邻闸阀门关终信号（5），进行信号数据处理和一致性对比并按工艺流程计算船闸正确响应工况，在控制系统动作响应不在本系统允许工况时，控制船闸控制系统禁止满足开阀输水条件并进行报警输出；

在使用时，采用以下步骤：

1）在船闸每个现地子站安装一套工艺安全应急保护装置（1）；

2）将所有安装的工艺安全应急保护装置（1）进行组网，形成工艺安全保护监控系统（11）；

3）工艺安全保护监控系统（11）和船闸控制系统（8）并线运行，运行过程中，工艺安全应急保护装置（1）同时接收本地子站的船闸相邻闸阀门关终辅助信号（2）、船闸相邻闸门合拢辅助信号（3）、船闸闸首上下游水位辅助信号（4），船闸相邻闸阀门关终信号（5）、船闸相邻闸门合拢信号（6）、船闸闸首上下游水位信号（7）；

4）工艺安全应急保护装置（1）对各个信号进行收集、处理；

5）在船闸控制系统动作响应不符合本系统允许工况时，对应动作子站的工艺安全应急保护装置（1）会控制船闸控制系统（8）或船闸动力拖动系统（9）进行船闸动水关阀保护工艺或船闸闸首闭锁保护工艺或船闸输水合拢保护工艺，同时进行报警输出。

2.根据权利要求1所述的高水头大型船闸工艺安全应急保护系统，其特征在于：所述工艺安全应急保护装置（1）还与显示输出单元连接，显示输出单元用于信号的显示、控制输出和报警输出。

3.根据权利要求1所述的高水头大型船闸工艺安全应急保护系统，其特征在于：所述船闸控制系统（8）可对船闸动力拖动系统（9）控制及驱动。

4.根据权利要求1所述的高水头大型船闸工艺安全应急保护系统，其特征在于，在进行输水合拢保护工艺时，工艺安全应急保护装置（1）接收船闸相邻闸门合拢辅助信号（3）及船闸相邻闸门合拢信号（6），进行信号数据处理和一致性对比并按工艺流程计算船闸正确响应工况，在控制系统动作响应不在本系统允许工况时，控制船闸控制系统禁止满足开阀输水条件并进行报警输出。

5.一种高水头大型船闸工艺安全应急保护方法，其特征在于，它包括以下步骤：步骤1）在船闸每个现地子站安装一套工艺安全应急保护装置（1）；

步骤2）将所有安装的工艺安全应急保护装置（1）进行组网，形成工艺安全保护监控系统（11）；

步骤3）工艺安全保护监控系统（11）和船闸控制系统（8）并线运行，运行过程中，工艺安全应急保护装置（1）同时接收本地子站的船闸相邻闸阀门关终辅助信号（2）、船闸相邻闸门合拢辅助信号（3）、船闸闸首上下游水位辅助信号（4），船闸相邻闸阀门关终信号（5）、船闸相邻闸门合拢信号（6）、船闸闸首上下游水位信号（7）；

步骤4）工艺安全应急保护装置（1）对各个信号进行收集、处理；

步骤5）在船闸控制系统动作响应不符合本系统允许工况时，对应动作子站的工艺安全应急保护装置（1）会控制船闸控制系统（8）或船闸动力拖动系统（9）进行船闸动水关阀保护工艺或船闸闸首闭锁保护工艺或船闸输水合拢保护工艺，同时进行报警输出。

6.根据权利要求5所述的高水头大型船闸工艺安全应急保护方法，其特征在于，在步骤4）中，工艺安全应急保护装置在进行信号处理时，采用以下步骤：

步骤（1）接收本地子站数据并将船闸闸首上下游水位辅助信号（4）与船闸闸首上下游水位信号（7）、船闸相邻闸阀门关终辅助信号（2）与船闸相邻闸阀门关终信号（5）、船闸相邻闸门合拢辅助信号（3）与船闸相邻闸门合拢信号（6）进行一致性对比并将结果发送至其它子站工艺安全应急保护装置（1）；

步骤（2）根据其它现地子站工艺安全应急保护装置（1）的数据，通过预设正确工艺流程进行计算，推算出正常工况运行范围；

步骤（3）比较各个子站工艺安全应急保护装置（1）计算的正常工况运行范围结果，当结果一致时，确定正常工况运行范围。

7.根据权利要求5或6所述的高水头大型船闸工艺安全应急保护方法，其特征在于，在步骤4）中，若数据一致性不满足，将报警提醒，本方法还包括权1至权4其中之一所述的系统。

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