水閘控制系統(tǒng)的應(yīng)用

盧少同 ，李志芹 ，信 權(quán)

（1.天津市引灤工程爾王莊管理處，天津 寶坻 301802；2.引灤工程潮白河管理處，天津 寶坻 301800）

在我國(guó)所有的河道中，水閘是不可缺少的設(shè)施，并起到了非常重要的作用。近幾年來(lái)，現(xiàn)有的水閘升降控制系統(tǒng)已不適應(yīng)現(xiàn)行工程管理標(biāo)準(zhǔn)，為此，必須對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1 水閘升降控制現(xiàn)狀

1.1 基本情況

引灤工程是一項(xiàng)關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的大項(xiàng)目，由天津市政府投入巨資興建。為把水源有計(jì)劃地調(diào)入，在引灤入津工程中興建了大量水閘。每個(gè)水閘至少由兩個(gè)閘門組成，且由專門機(jī)構(gòu)和專職人員進(jìn)行管理。

1.2 水閘升降控制原理及過(guò)程

每道閘門由一臺(tái)三相異步電機(jī)做動(dòng)力，經(jīng)過(guò)制動(dòng)機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)升降機(jī)構(gòu)和閘門。其原理和控制過(guò)程是：利用外接電位器電阻值大小反應(yīng)閘門的位置；外接電位器滑線端與一個(gè)大槽圓盤連接；減速機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)小槽圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)線皮帶驅(qū)動(dòng)大槽圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，然后帶動(dòng)滑線變阻器，其電阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，經(jīng)過(guò)雙積分A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示閘門升降位置。水閘升降定位是通過(guò)預(yù)先設(shè)定一個(gè)電壓值（與水閘高度對(duì)應(yīng)），此電壓值經(jīng)過(guò)比較器驅(qū)動(dòng)繼電器，切斷電器自鎖電路，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。整個(gè)控制過(guò)程原理框圖1所示。

圖1 控制過(guò)程原理圖

圖1中可見(jiàn)，水閘上升時(shí)帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器微型絲杠正轉(zhuǎn)，電阻值增加，V值增大，反之，水閘下降時(shí)，V值減少。VR為高度設(shè)置電壓。來(lái)自滑動(dòng)電阻器上的電壓高于或低于VR值時(shí)，比較器輸出高或低電平，切斷自鎖電路，停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)正、反轉(zhuǎn)和停止操作，則通過(guò)外部按鍵手工操作。

1.3 水閘控制存在的問(wèn)題

基于當(dāng)時(shí)的電子技術(shù)水平，引灤工程水渠閘升降控制采用目前的控制方案，無(wú)論從成本上還是從環(huán)境和當(dāng)時(shí)的控制要求上是基本合理的。但是，隨著時(shí)間的推移，這種控制方式暴露出的缺點(diǎn)主要有：

1.3.1 可靠性差、誤差大

用滑動(dòng)變阻器模擬水閘升降位置，可靠性差、誤差大。主要原因：①由于滑動(dòng)變阻器活動(dòng)端是靠皮帶線輪帶動(dòng)的，很容易受外界擾動(dòng)，使滑動(dòng)端位置變化，造成整個(gè)升降過(guò)程位置定位不準(zhǔn)。②滑動(dòng)變阻器實(shí)質(zhì)是一個(gè)多電圈電位器，其阻值和轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)總是有限的。因此，滑動(dòng)端每轉(zhuǎn)一圈，其阻值變化應(yīng)與相應(yīng)的水閘升降高度嚴(yán)格一致。這在實(shí)際中是很難實(shí)現(xiàn)。③滑動(dòng)變阻器磨損大、易損壞。這個(gè)缺點(diǎn)造成故障率高、控制失靈或損壞。同時(shí)，滑動(dòng)端因磨損，造成接觸不良，使電阻值變化不連續(xù)，結(jié)果造成水閘位置顯示出跳躍現(xiàn)象。④由于閘門本身的自重，造成水閘上升速度和下降速度的差異，簡(jiǎn)單地由一個(gè)滑動(dòng)變阻器模擬水閘升降高度，影響了水閘的精確定位。

1.3.2 控制操作麻煩，自動(dòng)化程度低

控制器采用分離元件制成，無(wú)記憶和定時(shí)功能，水閘的位置高度控制是靠預(yù)先電路設(shè)定完成的。這種控制器只能在水閘一定高度內(nèi)起作用。一旦水閘進(jìn)入極端位置，電位器活動(dòng)端進(jìn)入到盡頭，控制器便失去控制能力。這時(shí)只有靠人工點(diǎn)動(dòng)完成定位。此外，一些特殊操作要求，如：水閘鎖定操作，鋼絲繩左右擺度控制，也只能靠人工手動(dòng)操作完成，而且完成該項(xiàng)操作至少需要一人在水閘上，一人在水閘下，相互配合才能完成操作。

1.3.3 控制器抗干擾能力差

控制器僅在接觸器部分閉合觸點(diǎn)處加裝了消拉弧措施，無(wú)法采用軟件技術(shù)消除干擾（分離元件電路所至），時(shí)常出現(xiàn)外界干擾源干擾顯示器工作的現(xiàn)象和電機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制失控的問(wèn)題。

1.3.4 控制器互換性、通用性差

控制器互換性和通用性差的主要根源在位置取樣電位器上。位置取樣電位器是一個(gè)特殊制作的非標(biāo)準(zhǔn)元件，一旦磨損壞，除了控制器生產(chǎn)廠家外，用戶買不到替換電位器，加上這種電位器故障率高，給用戶維修帶來(lái)了很大不便。

2 水閘升降定位控制工作原理

引灤水渠縱橫交叉，水閘分布距離大，且處于露天環(huán)境，且在廣大鄉(xiāng)村地區(qū)。因此，水閘升降控制系統(tǒng)不宜采用外接傳感器來(lái)采集閘門位置、鋼繩松緊程度的信息。主要因?yàn)榭紤]到外接傳感器帶來(lái)的諸多弊端，如成本增加、維修維護(hù)費(fèi)用增加、外接引線接頭的自然銹蝕、雨水造成的短路和人為因素破壞等。

考慮到上述因素和向下兼容功能，為了能夠達(dá)到引灤考核標(biāo)準(zhǔn)，選用了一種新型的“水閘升降定位智能控制”儀器。該系統(tǒng)在不接任何外部傳感器的條件下，采用微控制器作智能控制部件，利用微電腦的精確計(jì)時(shí)功能，根據(jù)水閘行程H=Vt關(guān)系，在預(yù)先設(shè)定H下，根據(jù)上升、下降或標(biāo)定、鎖定外給信息，自動(dòng)完成水閘升降或完成特殊操作，如標(biāo)定、鎖定、鋼絲繩松緊控制操作。新一代控制器具有上升、下降和位置識(shí)別和記憶功能，在外部指令下能方便實(shí)行標(biāo)定、鎖定、鋼絲繩松緊控制操作。新一代控制器中除了必要的硬件抗干擾設(shè)計(jì)外，還配有“看門狗”電路和軟件抗干擾程序設(shè)計(jì)，一旦出現(xiàn)干擾，控制器能及時(shí)儲(chǔ)存水閘的當(dāng)前位置和工作狀態(tài)。

3 水閘升降定位智能控制適用范圍及特點(diǎn)

3.1 適用范圍

凡是應(yīng)用三相異步電動(dòng)機(jī)做動(dòng)力實(shí)現(xiàn)水閘或其他裝置升降定位控制的部門或行業(yè)均可采用此儀器。

3.2 水閘升降定位智能控制的特點(diǎn)

3.2.1 控制器操作方式

該控制器不僅增加了自動(dòng)控制功能，而且還保留原控制器的手動(dòng)操作功能，方便職工熟悉新儀器和完成操作任務(wù)。

3.2.2 新舊控制器相互兼容功能

該控制器在功能上、外形尺寸、控制方式、連接方式等方面都能與原控制器進(jìn)行兼容。這樣給在選擇儀器方面有了很大空間。為今后大批量改造帶來(lái)了諸多方便，而且減少了一定的開(kāi)支，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的效果。

3.2.3 升降定位控制功能

該儀器在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，根據(jù)水閘現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)定為3種：

①閘門下降到底部時(shí)，設(shè)定為標(biāo)定。

②將閘門上升到極限位置時(shí)，設(shè)定為鎖定。

③任意位置控制。該功能主要是為了方便職工在操作中的習(xí)慣性，可避免誤操作，確保安全輸水。

3.2.4 定位精度

水閘最大行程為2.54m。在該行程下誤差≤1%。

3.2.5 位置記憶功能

設(shè)置水閘位置記憶功能，其目的是停電后開(kāi)機(jī)或進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作時(shí)給操作者提供當(dāng)前水閘所處位置的信息，以便在此基礎(chǔ)上進(jìn)行升降高度決策，同時(shí)也時(shí)給控制系統(tǒng)一個(gè)水閘高度信息，以次高度為基礎(chǔ)，計(jì)算給定升降高度所需的時(shí)間。

實(shí)現(xiàn)水閘位置記憶的功能，該儀器采用日歷時(shí)鐘芯片F(xiàn)C8583來(lái)完成。 利用FC8583內(nèi)部1K靜態(tài)RAM（1×1024位）空間，隨時(shí)保留任何一操作下的水閘位置。

3.2.6 鋼絲繩擺度控制功能

自動(dòng)操作系統(tǒng)中，在完成零點(diǎn)位置標(biāo)定和極限位置鎖定兩種狀態(tài)下的操作后，能夠準(zhǔn)確地保證鋼絲繩最大左右擺幅小于等于±15cm（主要依據(jù)引灤工程考核標(biāo)準(zhǔn)）

3.2.7 自動(dòng)鎖定功能

當(dāng)水閘由標(biāo)定位置升至到解鎖位置時(shí)，需要人工進(jìn)行穿鎖杠，2min后，計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制水閘下降，到達(dá)鎖定位置，并使鋼絲繩的左右擺幅小于等于±15cm。這樣減少了工作量，而且也為日常管理工作帶來(lái)了諸多方便。

3.2.8 不用外接傳感器功能

在不用任何外部傳感器的條件下，采用微控制器做智能控制部件，利用微電腦的精確計(jì)時(shí)功能，根據(jù)水閘行程H=Vt關(guān)系，在預(yù)先設(shè)定H下，根據(jù)上升、下降不同速度或標(biāo)定、鎖定外給信息自動(dòng)完成水閘升降或特殊操作。

3.2.9 采用液晶顯示

3.2.10 采用菜單提示、人—機(jī)對(duì)話操作功能

該功能由鎖定到標(biāo)定操作進(jìn)行演示:

（1）先接通儀器電源，再接通電機(jī)電源；

（2）儀器電源接通后，進(jìn)入主菜單，主菜單顯示畫面。手動(dòng)保留了原設(shè)備由人工方法進(jìn)行水閘升、降、停的操作，自動(dòng)則由計(jì)算機(jī)控制水閘的升、降、停動(dòng)作。

（3）由鎖定到標(biāo)定。①按動(dòng)主菜單上的自動(dòng)按鍵，進(jìn)入“標(biāo)定？”“鎖定？”“工作？”畫面。②若水閘位置在解鎖位置，按動(dòng)標(biāo)定按鈕，出現(xiàn)下降的畫面，顯示根據(jù)下降的時(shí)間和高度值，畫面上不斷顯示時(shí)間T和高度H的值，直到水閘達(dá)到標(biāo)定位置，電機(jī)停轉(zhuǎn)，顯示“上調(diào)？”或“下調(diào)？”畫面。此提示為鋼絲繩松緊的粗調(diào)提示。訩按“YES”鍵，計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行點(diǎn)動(dòng)操作，使閘門下行或上行。按“NO”鍵，停止上調(diào)或下調(diào)。訪只要執(zhí)行一次“上調(diào)”或“下調(diào)”操作，計(jì)算機(jī)就反復(fù)詢問(wèn)“上調(diào)？”“下調(diào)？”，一直到按動(dòng)“NO”鍵停止上調(diào)、下調(diào)，進(jìn)入調(diào)節(jié)鋼絲繩松緊的細(xì)調(diào)畫面。③若水閘在下降時(shí)需暫停下降，可以按動(dòng)面板下的手動(dòng)“停止”按鍵。顯示屏停止刷新顯示，固定顯示已下降的時(shí)間和已下降的高度。直到按動(dòng)面板上“確認(rèn)”按鍵，水閘繼續(xù)在當(dāng)前時(shí)間和現(xiàn)高度下，執(zhí)行下降操作。④調(diào)節(jié)鋼絲繩松緊的細(xì)調(diào)畫面“松嗎？ ”“緊嗎？ ”。 按“YES”或“NO”按鈕，計(jì)算機(jī)根據(jù)提示在提升水閘時(shí)，考慮鋼繩的松緊，決定提升高度，以校正由于鋼絲繩的鋼性等外界因素影響下降速度造成降落高度的誤差。

3.2.11 控制器具有較強(qiáng)的抗電磁干擾功能

（1）提高電源抗干擾能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，70%左右的干擾是從的電源藕合而來(lái)的，因此提高電源的質(zhì)量很關(guān)鍵。本系統(tǒng)采取以下措施：加電源低通濾波器和隔離變壓器共同來(lái)完成。加電源濾波器僅允許50HZ交流通過(guò)，對(duì)混入的高頻和中高頻（100～3000kHZ）干擾電壓由較好的衰減作用，是提高抗干擾性能的關(guān)鍵。電源變壓器一次和二次線圈間加靜電屏蔽層，同時(shí)將變壓器進(jìn)行磁屏蔽以減少漏磁通的影響。

（2）抑止執(zhí)行僅夠動(dòng)作回饋的干擾。對(duì)于交流接觸器的常閉、常開(kāi)觸點(diǎn)，采用RC方法。電容器C把觸點(diǎn)斷開(kāi)的電弧電壓到達(dá)最大值的時(shí)間推遲到觸點(diǎn)完全斷開(kāi)，用來(lái)抑制觸點(diǎn)間放電，用電阻R抑制觸點(diǎn)閉合時(shí)的短路電流。

（3）接地防止干擾。接地在消除干擾上起很大作用。本系統(tǒng)中把交流地線、直流地線、模擬地和數(shù)字地嚴(yán)格分開(kāi)。具體的講，即指模擬電路地與數(shù)字電路地分開(kāi)接地，然后匯合成一點(diǎn)。繼電器大電流地單獨(dú)引至接地點(diǎn)。印刷版上地線形成足夠?qū)挾鹊木W(wǎng)絡(luò)狀，以減少各地線點(diǎn)之間的電位差。

（4）控制程序的監(jiān)視保護(hù)。采用上述措施只能在一定程度上起抗干擾作用，但不能完全消除干擾，仍可能會(huì)使該機(jī)控制失控。本設(shè)備采取了軟硬件相結(jié)合的辦法，如：555時(shí)基電路程序監(jiān)視器，對(duì)程序?qū)嵭斜O(jiān)視，一旦程序失控，便可自動(dòng)復(fù)位保護(hù)。

4 水閘升降系統(tǒng)改造后的實(shí)際效果

水閘升降系統(tǒng)改造后經(jīng)過(guò)這一年的運(yùn)行效果很好。

（1）該控制器采用的是微電腦的計(jì)時(shí)、記憶、判斷和運(yùn)行的功能，很好地保證了該控制器的控制定位精度，及時(shí)準(zhǔn)確地完成了全年的所有操作任務(wù)。

（2）該控制器具有很好的抗干擾功能，使該控制器在這一年多的運(yùn)行中從來(lái)沒(méi)有造成程序跑飛、死機(jī)、CPU丟失信息等現(xiàn)象，很好地完成了全年的工作任務(wù)。

（3）該控制器沒(méi)有采用任何的外接位置、水位、位移等傳感器，從而減少了故障率的發(fā)生，可以降低使用成本，并且該控制器在保養(yǎng)方面也很方便。

（4）該控制器具有自動(dòng)鎖定功能，使工作人員在進(jìn)行水閘操作時(shí)，完全能夠一次性操作成功，而不必由兩個(gè)人協(xié)作完成操作。這樣，在日常的管理工作中，既減少了工作人員的工作量，又減少了勞動(dòng)支出。

5 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)在提高水閘管理水平上，有很重要的作用。另外根據(jù)設(shè)備的不同，其提高水閘管理水平的途徑也各不相同。在爾王莊管理處的應(yīng)用有一定的通用性，值得借鑒與參考。

［1］浙江大學(xué)，華北水利電力學(xué)院.電工學(xué)及電氣設(shè)備［M］.北京：水利出版社，1980.

［2］張毅剛，修林成，胡振江.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1996.

［3］嚴(yán)煦世，范瑾初.給水工程（第三版）［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

［4］哈爾濱建筑工程學(xué)院.排水工程（第二版）［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

［5］陳道舜.電機(jī)學(xué)［M］.北京：水利電力出版社，1987.

［6］丘傳忻.泵站工程［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2001.

［7］陳慈萱，潘文霞.電工學(xué)與電氣設(shè)備［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

［8］陶有抗.電工與電氣設(shè)備［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

［9］李燕生.實(shí)用電工問(wèn)答［M］，北京：金盾出版社， 2006.

［10］張仁田，張平易，閻文立.大型泵站裝置性能換算方法的研究［J］.江蘇農(nóng)業(yè)研究，1998.