試論水利工程閘門自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

艾則孜江·那曼

(新疆疏附縣水利局水利工程質(zhì)量監(jiān)督站，新疆 喀什 844000)

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試論水利工程閘門自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

艾則孜江·那曼

(新疆疏附縣水利局水利工程質(zhì)量監(jiān)督站，新疆 喀什 844000)

閘門在實(shí)施建設(shè)水利工程中起到至關(guān)重要的作用，屬于自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)。運(yùn)用閘門自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)于分層分布式的結(jié)構(gòu)和水閘的遠(yuǎn)程監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，針對(duì)水庫(kù)閘門制動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的具體細(xì)節(jié)，深入了解水閘的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組件和設(shè)計(jì)的詳細(xì)內(nèi)容，應(yīng)用自動(dòng)化閘監(jiān)控系統(tǒng)有利于使抗洪救災(zāi)和水利發(fā)電達(dá)到最好的效果。

水利工程；閘門；自動(dòng)監(jiān)控

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)在水工建筑物的建設(shè)方面也取得了一定的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)建設(shè)也在不斷進(jìn)步中，水閘的建設(shè)卻始終處于重要地位。主要就是因?yàn)樵谒そㄔO(shè)的建筑當(dāng)中水閘的作用無(wú)可替代，在水工建筑中水閘如果不能發(fā)揮應(yīng)有的作用，整個(gè)工程也將形同虛設(shè)，防洪救災(zāi)的功能就不能得到有效發(fā)揮。由于以往的技術(shù)不成熟，傳統(tǒng)的水閘管理是以人工手動(dòng)管理為主，這種管理方式既浪費(fèi)了人力和物力也對(duì)水閘發(fā)揮應(yīng)有作用帶來(lái)了障礙，今后的水閘管理一定會(huì)向著自動(dòng)控制的方向發(fā)展，應(yīng)該積極做好水閘的管理及運(yùn)營(yíng)做好準(zhǔn)備。

1　水閘自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的主要組件

1.1傳感部件

傳感器的應(yīng)用在水閘自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中比較常見(jiàn)，主要運(yùn)用制動(dòng)位置傳感器、水位傳感器和野外測(cè)量。閘位傳感器還有一個(gè)名稱閘門開(kāi)度傳感器，主要工作原理與水位傳感器相同，由于對(duì)外輸出信號(hào)類型不同而分為模擬和數(shù)字傳感器。在初始階段模擬開(kāi)度式傳感器繞過(guò)精密的多圈線的電位器成為第一傳感器，閥門利用滾筒式的轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪從而到達(dá)旋轉(zhuǎn)軸電位器，閘門在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，電位器會(huì)由于旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致電位器的動(dòng)臂與固定電阻出現(xiàn)各種各樣的變化。在電壓位于二個(gè)固定臂時(shí)，能夠自一個(gè)移動(dòng)手臂取走一個(gè)點(diǎn)位數(shù)值。通常情況下，數(shù)字類型的傳感器有二個(gè)類型，編碼和計(jì)數(shù)制，計(jì)數(shù)器是普遍應(yīng)用的類型，主要工作原理是利用數(shù)字化的位移角，輸出的數(shù)據(jù)格式有格雷碼、BCD和二進(jìn)制代碼三種類型。

1.2信道

想要保證閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行暢通，通信占有至關(guān)重要的作用，只有通信穩(wěn)定才能使系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，這也是為什么通信系統(tǒng)會(huì)加大投資的原因。制動(dòng)系統(tǒng)及中心站通信，制動(dòng)控制站之間的聯(lián)系，都是由系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成，主要以應(yīng)警方式進(jìn)行溝通，以有線或是無(wú)線方式進(jìn)行連接。

1.3遠(yuǎn)程控制單元

各種不同類型的組件組合在一起構(gòu)成遠(yuǎn)程控制終端。為了達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的，很多國(guó)內(nèi)外研究部門和制造商將控制單元遠(yuǎn)程終端組合在一起，形成現(xiàn)在的遠(yuǎn)程控制單元，也就是RTU。可以保證安全運(yùn)行，性能穩(wěn)定，擁有較多功能。在較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展過(guò)程中，出現(xiàn)了各種不同的定型。遠(yuǎn)程控制單元作為一個(gè)獨(dú)立的工作站，利用本地控制和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，達(dá)到全面控制的目的。能夠?qū)崿F(xiàn)完整的連鎖控制，主要有前饋和后饋。在收集數(shù)據(jù)過(guò)程中，主要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，與站點(diǎn)和操作間的中央站連接在一起。遠(yuǎn)程控制單元的模塊組成部分是CPU單元，能夠?qū)崿F(xiàn)存儲(chǔ)和發(fā)送和接收天線。RTU要求首先進(jìn)行下載，應(yīng)用Visual c++編程語(yǔ)言完成這一程序。

2　閘門自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)工作體制選擇

2.1可編程控制器(即 PLC 系統(tǒng))

現(xiàn)場(chǎng)的PLC系統(tǒng)主要在測(cè)量控制過(guò)程中應(yīng)用，擁有強(qiáng)大的測(cè)量和控制功能，運(yùn)行也較安全，由于擁有這些優(yōu)點(diǎn)所以得到普遍應(yīng)用，但當(dāng)前還只是應(yīng)用于通信領(lǐng)域。

2.2分布式數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)(即 SCADA 系統(tǒng))

SCADA系統(tǒng)主要應(yīng)用中小尺寸的測(cè)量和控制，主要由三個(gè)部分組成：遠(yuǎn)程控制單元、通信網(wǎng)絡(luò)、控制中心。擁有大量的優(yōu)點(diǎn)，如能夠輕松實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與控制，保證資源共享。在這個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，不但可以應(yīng)用有線的通信系統(tǒng)，而且也可以應(yīng)用無(wú)線的通信系統(tǒng)。

SCADA普遍在石油、電力、水利等行業(yè)中得到應(yīng)用，尤其可以應(yīng)用于環(huán)境條件較差的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。當(dāng)前，在很多領(lǐng)域當(dāng)中，中小型水閘自動(dòng)控制系統(tǒng)得到了人們的重視，從而實(shí)現(xiàn)了大力推廣，發(fā)展前景不可限量。

3　應(yīng)用實(shí)例分析

水庫(kù)制動(dòng)控制自動(dòng)化系統(tǒng)的主要內(nèi)容包括水情遙測(cè)子系統(tǒng)、自動(dòng)閘門監(jiān)控子系統(tǒng)、超聲波流量測(cè)量子系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，負(fù)責(zé)測(cè)量降雨量的遙測(cè)站有三個(gè)，負(fù)責(zé)測(cè)量雨量或水量的測(cè)試站有一個(gè)，存在三孔閘門自動(dòng)監(jiān)測(cè)站一個(gè)、閘門測(cè)控中心一個(gè)、超聲波其流量測(cè)試站一個(gè)。水通道的入口部位，能夠控制進(jìn)水量的閘門有一個(gè)，利用人工完成操作。在整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)電時(shí)，由車間里的工作人員利用電話與閘站的值班人員取得聯(lián)系，閘站的工作人員利用手工對(duì)閘門進(jìn)行控制。這種工作模式不但工作強(qiáng)度大，而且也不易提高工作效率，使大量的勞動(dòng)力成本流失，而且由于利用人工控制水電站的水位變化，也不能實(shí)現(xiàn)與實(shí)際發(fā)電同步，這種狀況不利用水電站的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。本文在考慮當(dāng)前這些設(shè)備的前提下，力爭(zhēng)進(jìn)一步優(yōu)化水電站的控制系統(tǒng)，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控，從而解放人力物力。

3.1閘門控制方式

閘門控制過(guò)程中，傳統(tǒng)操作主要依靠機(jī)械和電氣系統(tǒng)、有時(shí)也利用可編程的電子控制器。利用研究有關(guān)數(shù)據(jù)得出，區(qū)域控制門領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)主要有：手動(dòng)控制、繼電器接觸器控制、PLC控制。

1)手動(dòng)控制模式

電動(dòng)閥控制是其中最為簡(jiǎn)單的一種，人可以利用一把閘刀或一個(gè)轉(zhuǎn)換手柄實(shí)現(xiàn)控制。在操作過(guò)程中，一般情況下是利用人眼來(lái)觀測(cè)閘門開(kāi)啟的高度的。應(yīng)用這種工作模式通常誤差較大，而且不能有效保護(hù)電動(dòng)機(jī)，而且不同的工作人員造成的誤差不同，因此常常不能如期實(shí)現(xiàn)工作目標(biāo)。

2)PLC閘門控制方式

轉(zhuǎn)換繼電器的工作原理是利用邏輯控制的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)真正控制閘門。但假如在邏輯電路中增加一個(gè)或多個(gè)繼電器，那么整個(gè)設(shè)備會(huì)因?yàn)槔^電器的數(shù)量過(guò)多，控制系統(tǒng)的可靠性將不能保證。不但如此，即使閘門這樣的控制方式并不復(fù)雜的順序動(dòng)作，則要求必須兼顧到機(jī)電的控制系統(tǒng)，就是由于它不但能夠在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)連續(xù)工作，而且在排除一些故障時(shí)對(duì)技術(shù)的要求也不會(huì)太高。

以運(yùn)動(dòng)序列為標(biāo)準(zhǔn)的閘門在開(kāi)啟與關(guān)閉過(guò)程中會(huì)停止，而且閘門的開(kāi)度受水庫(kù)中原來(lái)設(shè)定的水位來(lái)控制，也就是人們常講的級(jí)聯(lián)控制。如果應(yīng)用這種控制系統(tǒng)，那么可以利用改變開(kāi)啟與關(guān)閉的時(shí)間和間歇周期來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且規(guī)定的水位高低也可以預(yù)先設(shè)置。如果利用電氣控制不能達(dá)到這種目的，那么就可以利用PLC控制來(lái)解決。

3.2整體方案設(shè)計(jì)

本文在研究過(guò)程中，重點(diǎn)放在閘門自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)于分層分布式的結(jié)構(gòu)和水閘的遠(yuǎn)程監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。圖1顯示了閘門監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，主要包括二個(gè)部分：

圖1　閘門監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1)閘門監(jiān)控中心

實(shí)現(xiàn)閘門控制則主要依靠計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心、人機(jī)界面和外圍設(shè)備。主機(jī)利用工業(yè)計(jì)算機(jī)，同時(shí)安裝鍵盤和音響，達(dá)到全面控制的目的。主要負(fù)責(zé)閘門監(jiān)控中心處理數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控和安全監(jiān)控等。

2)現(xiàn)場(chǎng)控制單元

為了發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的作用，要求在水閘門的前面或后面安裝上三個(gè)水位傳感器，把位于閘門監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制單元中的微處理器打開(kāi)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元在整個(gè)系統(tǒng)中全面利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，利用微處理器在數(shù)字通信和計(jì)算方面的功能可以打開(kāi)閘門，在將來(lái)的發(fā)展中，將會(huì)有更多的智能微處理器利用現(xiàn)場(chǎng)總線集中在一起，從而形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3.3微處理器的選擇

閘門控制系統(tǒng)位于的地理環(huán)境不容樂(lè)觀，特別是那些現(xiàn)場(chǎng)控制單元位于一些擁有大量電磁和較大濕度的區(qū)域。因此微型控制器的選擇具有非常重要的地位。當(dāng)前，在測(cè)量和控制方面應(yīng)用的主要設(shè)備有：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PLC和單片機(jī)。其中具備強(qiáng)大功能的當(dāng)屬工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，主要優(yōu)點(diǎn)集中在溝通和人機(jī)接口方面，所以應(yīng)用范圍較大，但也存在著大量的不足，如體積大、價(jià)格不菲，而且移動(dòng)起來(lái)非常不便。PLC通常應(yīng)用于工業(yè)控制當(dāng)中，擁有體積小、容易攜帶、可靠性高、功能多的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是價(jià)格較貴、不能實(shí)現(xiàn)靈活控制等。

可以看出不管是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展還是日常生活都離不開(kāi)水資源，所以強(qiáng)化閘門管理力度，進(jìn)行全面管理監(jiān)控是非常重要的一項(xiàng)工作。第一，對(duì)河流及水位變化做出及時(shí)跟蹤，對(duì)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，合理管控閘門，為正確、準(zhǔn)確調(diào)控水資源做好準(zhǔn)備。依據(jù)閘門上游和下游水位的不同，結(jié)合水資源調(diào)度的需要，從而明確現(xiàn)在控制閘門的可行性方案。利用實(shí)現(xiàn)閘門的自動(dòng)化，可以準(zhǔn)確控制閘門的開(kāi)啟與關(guān)閉，有利于準(zhǔn)確控制開(kāi)放水時(shí)間，有利于實(shí)現(xiàn)水資源的總體調(diào)度。第二，應(yīng)用自動(dòng)化閘監(jiān)控系統(tǒng)有利于使抗洪救災(zāi)和水利發(fā)電達(dá)到最好的效果。閘門是水利工程中最為重要的一環(huán)，主要負(fù)責(zé)防汛救災(zāi)，可以促進(jìn)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)達(dá)到保護(hù)自然環(huán)境的目的。為了使水電站發(fā)揮更好的作用，使其功效達(dá)到最佳，使人民的生命財(cái)產(chǎn)不受洪水災(zāi)害的威脅，真正提高水電站調(diào)度的管理水平，則要求必須實(shí)現(xiàn)閘門綜合自動(dòng)化，應(yīng)用自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。第三，在控制閘門時(shí)應(yīng)用計(jì)算機(jī)有利于節(jié)省大量的人力物力，在傳統(tǒng)操作過(guò)程中，利用手工操作耗費(fèi)了大量的時(shí)間與精力，而且也不易收到較好的效果。而利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，可以使人不進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)就能準(zhǔn)確控制閘門，達(dá)到全面控制的目的。

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[3]段家貴.水利工程中閘門自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].水利技術(shù)監(jiān)督.2014(02).

2016-03-14

艾則孜江·那曼(1987-)，男，新疆喀什人，助理工程師，主要從事水利工程質(zhì)量監(jiān)督，工程設(shè)計(jì)，招投標(biāo)，水利工程驗(yàn)收等方面的研究。

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