淺議水閘電氣控制技術(shù)

黃廷宇

摘要：隨著水利建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，水閘電氣設(shè)備的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。為了提高水利工程信息化管理水平，水閘電氣控制中融入了更多的自動(dòng)控制技術(shù)和信息化技術(shù)。文章探討了水閘電氣控制技術(shù)和水閘自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：水閘；電氣控制；技術(shù)

水閘（sluice），是一種水工建筑物，修建于河（江）道、渠道或湖、海的出入水口，通過(guò)閘門的啟閉可進(jìn)行流量控制和水位調(diào)節(jié)。水閘由閘室及上、下游連接段組成，其中閘室是主體部分，裝有閘門和啟閉機(jī)等設(shè)備。按照SL 75-94《水閘管理規(guī)程》對(duì)水閘管理的要求，水閘的管理包括控制運(yùn)用（水位、流量控制）、檢查觀測(cè)（水情、水流形態(tài)監(jiān)視及水閘檢查、水文觀測(cè)）和養(yǎng)護(hù)修理。這些工作關(guān)系到水閘電氣控制的有：①電源的控制；②閘門啟閉的控制、測(cè)量、記錄和報(bào)警；③啟閉電機(jī)控制、保護(hù)和報(bào)警；④水位、流量的測(cè)量、記錄和報(bào)警；⑤遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制。本文針對(duì)水閘電氣控制的這些內(nèi)容進(jìn)行了分析和探討。

1 水閘電氣控制的主要內(nèi)容

1.1 電源、輸電線路的控制

電源、輸電線路的控制是保障水閘各項(xiàng)用電的基礎(chǔ)和重要環(huán)節(jié)，其控制要點(diǎn)如下：⑴變壓器的控制。檢查變壓器安裝位置、牢固程度，觀測(cè)油號(hào)、油位是否正常及油箱有無(wú)滲油現(xiàn)象；另外變壓器與各附件連接的導(dǎo)線外面要安裝保護(hù)套管，防止漏電。⑵輸電線路的控制。重點(diǎn)檢測(cè)線路的老化程度、安全性能。⑶雷電設(shè)施的控制。為了避免電氣設(shè)備受到雷擊影響，必須安裝防雷設(shè)施，并且加強(qiáng)監(jiān)測(cè)[1]。

1.2 閘上照明的控制

閘上照明包括控制室照明、現(xiàn)地控制單元照明、啟閉機(jī)照明和交通橋照明等，照明不僅是工作觀察的需要，閘身照明在節(jié)日還有美化的作用，所以要對(duì)照明線路和設(shè)施進(jìn)行檢查和維護(hù)。為了便于安裝、維護(hù)和檢修，在每臺(tái)啟閉機(jī)或液壓泵站附近應(yīng)設(shè)置三相插座和單相插座。

1.3 電機(jī)控制

按照SL 381-2007《水利水電工程啟閉機(jī)制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》對(duì)閘門啟閉機(jī)的分類方法，啟閉機(jī)有固定卷?yè)P(yáng)式、螺桿式、液壓式和移動(dòng)式4種類型。

所有采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的啟閉機(jī)都需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，如控制它的啟動(dòng)、停止及對(duì)過(guò)載、斷相、短路故障進(jìn)行限制保護(hù)；對(duì)電機(jī)的電壓、電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)及過(guò)值報(bào)警；有自動(dòng)監(jiān)控要求的啟閉機(jī)，還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和傳送。卷?yè)P(yáng)式、螺桿式和移動(dòng)式啟閉電機(jī)則需要控制轉(zhuǎn)向，包括正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)方向的控制。

1.4 閘門控制

閘門控制是水閘電氣控制的核心環(huán)節(jié)，不僅要控制閘門的開(kāi)啟、關(guān)閉，還要控制閘門開(kāi)啟或關(guān)閉的程度以及控制閘門的上、下限位。水閘由多個(gè)閘門組成時(shí)，還需要考慮各個(gè)閘門啟閉的順序。

按照閘門的控制地點(diǎn)分現(xiàn)地控制和遠(yuǎn)程控制。閘門控制的類型有分散控制和集中控制以及手動(dòng)控制和自動(dòng)控制等。

1.5 水位監(jiān)測(cè)

水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)既是水閘自動(dòng)控制的基礎(chǔ)，也是有關(guān)管理部門對(duì)水位進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制的依據(jù)。水位電氣監(jiān)測(cè)的方法是利用水位儀測(cè)量水位。水位儀由水位傳感器、水位顯示儀兩部分組成，水位傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)水位顯示儀處理后顯示出來(lái)。水位數(shù)據(jù)除了顯示，還要具備記錄、存儲(chǔ)、查詢和遠(yuǎn)送功能。

2 水閘的自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)

2.1 水閘自動(dòng)監(jiān)控的意義

水閘自動(dòng)監(jiān)控不僅有利于閘門、泵站等工程的自動(dòng)控制、自動(dòng)監(jiān)測(cè)，而且可實(shí)現(xiàn)閘門工況、水位數(shù)據(jù)、機(jī)電運(yùn)行狀態(tài)等各種信息數(shù)據(jù)的共享，使有關(guān)管理部門可以更及時(shí)、準(zhǔn)確地把握水情，有利于水害的防治及對(duì)水資源進(jìn)行統(tǒng)一管理、利用和監(jiān)督[2]，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)水閘控制“無(wú)人值班，少人值守”運(yùn)行管理模式的必然之選。

2.2 水閘自動(dòng)監(jiān)控的方法

水閘自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)一般由閘門電氣控制柜、PLC控制器、交換機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)、傳感器和通訊系統(tǒng)等組成。傳感器將收集到的現(xiàn)場(chǎng)信息如閘門開(kāi)度、上下游水位等數(shù)據(jù)，上傳至PLC控制器。PLC將數(shù)據(jù)處理后再傳至操作屏和交換機(jī)，在操作屏上可以實(shí)時(shí)顯示這些數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)交換機(jī)傳到監(jiān)控主機(jī)上。操作人員可以利用操作屏或監(jiān)控主機(jī)掌握這些信息，并作出具體的控制決定，經(jīng)過(guò)PLC處理后傳回閘門電氣控制柜，就能及時(shí)控制各個(gè)閘門的狀態(tài)。同時(shí)監(jiān)控主機(jī)通過(guò)ADSL路由器（或?qū)拵д{(diào)制解調(diào)器）將信息上傳至互聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)和主管部門同時(shí)獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。如圖1所示。

由于主管部門、遠(yuǎn)程控制站、監(jiān)控主機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)操作屏都能控制閘門狀態(tài)，這里面就有一個(gè)優(yōu)先級(jí)的問(wèn)題，一般做法是越靠近現(xiàn)場(chǎng)閘門電氣控制柜，優(yōu)先級(jí)越高。而且控制方式有手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式，手動(dòng)的優(yōu)先級(jí)高過(guò)自動(dòng)方式。

2.3 水閘視頻監(jiān)控

雖然傳感器能夠得到準(zhǔn)確的閘門、水位等實(shí)時(shí)信息，但對(duì)于遠(yuǎn)程控制而言畢竟未身臨現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)實(shí)際情況難以了解清楚，所以自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)一般都要配備視頻監(jiān)控裝置。視頻監(jiān)控的對(duì)象是所有閘門、水閘的上下游、啟閉機(jī)房等。視頻監(jiān)控設(shè)備應(yīng)使用具變焦鏡頭、全方位云臺(tái)的球攝像機(jī)及數(shù)字硬盤機(jī)、解碼器、監(jiān)視器等。視頻監(jiān)控信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后可傳至監(jiān)控主機(jī)，再上傳到遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)和主管部門計(jì)算機(jī)上。

2.4 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件的選用

閘位傳感器是對(duì)閘門開(kāi)度進(jìn)行精確測(cè)量和控制的關(guān)鍵元件，其類型有模擬式和數(shù)字式，目前多用數(shù)字式閘位開(kāi)度傳感器。數(shù)字式閘位傳感器又有計(jì)數(shù)式和直接編碼式兩種。計(jì)數(shù)式傳感器主要是通過(guò)閘門轉(zhuǎn)軸的角位移進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)輸出格式是二進(jìn)制、BCD碼或者格雷碼，但由于這種傳感器掉電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失，故不推薦選用。直接編碼式傳感器采用碼盤、微動(dòng)開(kāi)關(guān)、光電器件測(cè)量轉(zhuǎn)軸的角位移，掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，是閘位傳感器的首選。對(duì)于液壓式啟閉機(jī)，閘門開(kāi)度的檢測(cè)可使用磁致伸縮位移傳感器測(cè)量液壓缸活塞的行程，這種傳感器有內(nèi)置式和外置式兩種，信號(hào)輸出也有模擬式和數(shù)字式之分。內(nèi)置式損壞后維修困難，一般應(yīng)選用外置式。也可同時(shí)配置增量式位移傳感器。閘位傳感器經(jīng)與閘門開(kāi)度數(shù)顯控制儀連接，就可以達(dá)到測(cè)量、顯示閘門開(kāi)度的目的。閘門開(kāi)度數(shù)顯控制儀應(yīng)選用數(shù)字式智能閘高儀，能適應(yīng)平板閘門、弧形閘門的控制。此外，用于閘門控制的還有荷重傳感器。

水位傳感器的類型很多，如接觸式、壓力式、浮子式，還有利用超聲、微波、激光測(cè)距的。選擇水位傳感器的依據(jù)是測(cè)量精度、傳感器行程及結(jié)構(gòu)。水位測(cè)量顯示儀的作用與閘門開(kāi)度數(shù)顯控制儀相似，與水位傳感器相連可測(cè)量、顯示水位。

采用PLC控制器時(shí)，閘位傳感器、水位傳感器、荷重傳感器可通過(guò)RS485接口或數(shù)字輸入接口與PLC通信。PLC控制單元由CPU模塊、數(shù)字及模擬輸入輸出模塊、以太網(wǎng)模塊等組成。為了保證電源供應(yīng)，還應(yīng)配備UPS電源。

2.5 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

PLC控制器的軟件可以使用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)系統(tǒng)的劃分方法分成多個(gè)模塊，如采用數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)更新、圖形處理、閘門監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、搜索查詢等子系統(tǒng)，可設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)模塊、系統(tǒng)安全管理模塊、控制決策模塊、閘門實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)查詢模塊、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊等軟件模塊。上位機(jī)監(jiān)控軟件可采用成熟的組態(tài)軟件，以提高編程的效率。對(duì)PLC編程可實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

水閘電氣控制的目的是準(zhǔn)確、可靠地調(diào)節(jié)水位、控制水量及對(duì)水資源進(jìn)行監(jiān)控和管理。通過(guò)運(yùn)用自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和傳感器技術(shù)建立起水閘自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)更精確、穩(wěn)定、安全、快速和靈活控制水閘的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]譚品忠.水閘電氣設(shè)備控制探討[J].北京電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012.

[2]宋春杰，王輝.水閘自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的組成及關(guān)鍵設(shè)計(jì)[J].科技資訊，2012.