那一年，“數(shù)字”船閘比真實(shí)船閘還要忙
信物名稱(chēng)：
三峽船閘工控系統(tǒng)中的可編程邏輯控制器（PLC）
信物年代：
2022年
信物印跡：
以科技創(chuàng)新守護(hù)三峽船閘本質(zhì)安全
本網(wǎng)訊（王璐 平麗娜）三峽工程是長(zhǎng)江航運(yùn)的重要樞紐。長(zhǎng)江作為一條巨大的交通動(dòng)脈，其通暢與否，直接關(guān)系到沿江地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)安定。三峽工程早在設(shè)計(jì)之初，就對(duì)航運(yùn)方面作了充分而科學(xué)的論證。三峽雙線五級(jí)船閘、三峽升船機(jī)，是三峽樞紐工程的重要組成部分。作為世界上連續(xù)級(jí)數(shù)最多、總水頭和級(jí)間輸水水頭最高、技術(shù)最復(fù)雜的內(nèi)河船閘，三峽雙線五級(jí)船閘是長(zhǎng)江大動(dòng)脈上的“要津”。
三峽雙線五級(jí)船閘是全球最繁忙、技術(shù)最復(fù)雜的內(nèi)河船閘。以2023年為例，當(dāng)年三峽船閘運(yùn)行11066閘次，通過(guò)量1.69億噸，創(chuàng)歷史紀(jì)錄。
船閘水頭差113米，閘室、水位、閥門(mén)緊密耦合。船隊(duì)過(guò)閘單程需操作500多道指令，涉及海量數(shù)據(jù)代碼。
船閘控制系統(tǒng)的核心組件是可編程邏輯控制器（PLC）。
▲三峽船閘控制系統(tǒng)的可編程邏輯控制器（PLC）部分組件 （三峽工程博物館供圖）
啥是PLC？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它通過(guò)預(yù)先編寫(xiě)程序，給機(jī)器“定規(guī)矩”，讓其自動(dòng)運(yùn)行。例如，智能家居可基于PLC實(shí)現(xiàn)“如果天黑且有人經(jīng)過(guò)，就開(kāi)燈”。
“航運(yùn)‘要津’事關(guān)國(guó)計(jì)民生，一定要掌握在自己手中。”三峽集團(tuán)所屬流域管理中心樞紐管理部副主任專(zhuān)業(yè)師朱華偉說(shuō)。
為何要做自主可控改造？我們從兩扇門(mén)、一池水說(shuō)起。
三峽船閘“人字閘門(mén)”，單扇門(mén)高38.5米、寬20.2米，左右門(mén)葉的錯(cuò)位必須控制在幾個(gè)毫米內(nèi)，否則水力沖擊極易引發(fā)設(shè)備故障。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)將20年數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)量化成算法，每個(gè)閘首由300多個(gè)測(cè)點(diǎn)增加到700多個(gè)，通過(guò)自動(dòng)跟蹤動(dòng)作、動(dòng)態(tài)修正誤差，“指揮”兩扇閘門(mén)精準(zhǔn)同步，將以前近10毫米的誤差，縮小至2—5毫米。
“以前數(shù)據(jù)一旦異常，只能靠人拿著筆記本電腦聯(lián)機(jī)逐點(diǎn)排查。改造后，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自診斷，將故障定位時(shí)間從4小時(shí)縮短至15分鐘。”朱華偉介紹。
船過(guò)閘門(mén)，水面平穩(wěn)。
這背后，單級(jí)閘室最大工作水頭45.2米，水位升降時(shí)，水面波動(dòng)強(qiáng)烈，需等到水位平齊后，方能開(kāi)啟閘門(mén)。
水位何時(shí)能平齊？
傳統(tǒng)測(cè)量誤差一度為10厘米。“水位測(cè)量不準(zhǔn)，影響開(kāi)門(mén)時(shí)長(zhǎng)。對(duì)此，我們對(duì)波動(dòng)特性進(jìn)行分析，優(yōu)化濾波算法，將誤差降至5厘米以?xún)?nèi)。”朱華偉說(shuō)。
控制系統(tǒng)，復(fù)雜精細(xì)。改造之初，困難重重。
500多道控制流程需緊密銜接，操作頻率以秒級(jí)計(jì)。廠商沒(méi)有成熟方案可循，怎么辦？
“三峽特色是和世界級(jí)難度‘過(guò)招’。”朱華偉說(shuō)。這一次，朱華偉牽頭的研發(fā)團(tuán)隊(duì)想法超前：再造一個(gè)“三峽船閘”。
2022年末，經(jīng)過(guò)一年的研發(fā)調(diào)試，國(guó)內(nèi)首個(gè)船閘自主可控仿真平臺(tái)——三峽船閘工業(yè)控制系統(tǒng)自主可控仿真測(cè)試平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生，該平臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
打開(kāi)電腦、輕點(diǎn)鼠標(biāo)，一座數(shù)字仿真船閘映入眼簾。小到充水特性，大到五級(jí)閘室聯(lián)動(dòng)策略，一切都可以在線上“預(yù)演”。
2023年，三峽船閘貨運(yùn)量再創(chuàng)歷史新高。“這一年，數(shù)字仿真船閘比真實(shí)船閘還要忙！”
在仿真平臺(tái)上，團(tuán)隊(duì)模擬了諸多極端工況：兩倍于常規(guī)運(yùn)行的強(qiáng)度、傳感器失靈……一邊測(cè)，一邊改，鍛造可靠系統(tǒng)。
以冗余熱備為例，該項(xiàng)功能是船閘安全的“基石”。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如主控制系統(tǒng)宕機(jī)，備用系統(tǒng)可迅速補(bǔ)位。聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，但這背后涉及海量數(shù)據(jù)和管理權(quán)限切換，哪些數(shù)據(jù)移交、哪些流程不變、哪個(gè)環(huán)節(jié)需人為確認(rèn)？
團(tuán)隊(duì)“死磕”一道道細(xì)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)兩套系統(tǒng)快速交接、無(wú)擾過(guò)渡。
整整一年，充分的“預(yù)演”讓船閘工控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試打下“有準(zhǔn)備之仗”。
2003年，三峽船閘首次運(yùn)行前，安裝調(diào)試歷經(jīng)9個(gè)月。
這一次，是45天。
“工控系統(tǒng)改造的研發(fā)團(tuán)隊(duì)核心成員有20多名，跨越計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、水動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科。我們團(tuán)隊(duì)里既有參與過(guò)當(dāng)年船閘建設(shè)的‘老三峽’，也有剛畢業(yè)的博士。”朱華偉說(shuō)。
在他看來(lái)，自己蹚出的路，才是最好的路。
憑著不循舊例、只求解法的決心，研發(fā)團(tuán)隊(duì)從底層代碼、一線調(diào)研、單個(gè)廠家開(kāi)始，一段段接起我國(guó)船閘工控系統(tǒng)供應(yīng)鏈，實(shí)現(xiàn)船閘工控系統(tǒng)從“人有我用”走向“人有我優(yōu)”。
“這是一個(gè)很垂直的行業(yè)，研發(fā)生態(tài)和場(chǎng)景底子薄，我們只有自力更生、共同成長(zhǎng)，才能將創(chuàng)新之路走寬走長(zhǎng)。”朱華偉說(shuō)，“只有做到本質(zhì)安全，我們才敢說(shuō)把大國(guó)重器牢牢掌握在自己手里。”
在三峽工程博物館，記者有幸見(jiàn)到PLC部分組件。
那是幾十厘米見(jiàn)方的黑色立方體，樸實(shí)平常，過(guò)目即忘。可它見(jiàn)證了三峽人以千分位、萬(wàn)分位為精度，攜手產(chǎn)業(yè)伙伴，求索航運(yùn)安全與效率的創(chuàng)新征程。
編輯：李雷 任賢 盧西奧