閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)在水利工程中的應(yīng)用

崔高麓

(常州市武進(jìn)水利工程有限公司，江蘇 常州 213000)

1 電氣自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)以及重要性

電氣自動(dòng)化技術(shù)是一種可靠、效率高的控制技術(shù)，可以運(yùn)用在水利工程中。電氣自動(dòng)化技術(shù)就是通過傳感器、控制器等自動(dòng)控制原件的引入，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和調(diào)整。系統(tǒng)的電信號(hào)作為輸入信號(hào)經(jīng)過采集和處理后傳輸?shù)娇刂婆_(tái)，控制臺(tái)對(duì)采集到的信息分析后形成指令輸送到閘門控制設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)閘門系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

通過電氣自動(dòng)化技術(shù)的介入，大大降低了人的工作內(nèi)容，簡(jiǎn)化了操作步驟，節(jié)省了大量的人力物力成本，大幅提高了工作效率，并且為電力系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)，便于工作人員隨時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)。

1.1 節(jié)省人力成本

傳統(tǒng)的閘門系統(tǒng)需要工作人員定期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢查以及實(shí)施閘門的開合操作，在有緊急需求時(shí)，如果閘門控制開關(guān)附近沒有人駐守則可能存在安全隱患。因此在運(yùn)用電氣自動(dòng)化技術(shù)之后，工作人員不需要定期對(duì)閘門進(jìn)行檢查，隨時(shí)可以通過監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)整個(gè)閘門系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行控制和檢查，降低了工作難度。

1.2 提高工作效率

由于電氣自動(dòng)化技術(shù)的介入，不再需要工作人員親自到閘門開關(guān)處進(jìn)行操作，可以隨時(shí)通過控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制閘門開關(guān)，并查看閘門狀態(tài)，用電氣設(shè)備來替代人工操作，因此大幅提高了自動(dòng)化水平進(jìn)而提高了工作效率。

1.3 實(shí)現(xiàn)安全保障

閘門系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性是重中之重，傳統(tǒng)的閘門系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，大多是出現(xiàn)問題后盡快發(fā)現(xiàn)和解決問題。通過電氣自動(dòng)化技術(shù)的引入不但可以快速實(shí)施閘門的開合，同時(shí)可以通過系統(tǒng)設(shè)置，在關(guān)鍵數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)提前判斷故障的發(fā)生以及故障類型，并及時(shí)處理，以免出現(xiàn)問題。整個(gè)系統(tǒng)減少了人為失誤的可能，保證了閘門系統(tǒng)的安全、可靠。

2 閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.1 先進(jìn)性

在設(shè)計(jì)閘門系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該具備一定的超前意識(shí)，在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的前提下，采用較為先進(jìn)的設(shè)備的和技術(shù)，滿足日后的發(fā)展需求。

2.2 開放性

閘門自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該具備較高的開放性，可以采用模塊化設(shè)計(jì)來保證未來研發(fā)出更新的軟件系統(tǒng)后可以與現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)，子系統(tǒng)之間保留有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，保證整個(gè)系統(tǒng)的兼容性，為未來的更新?lián)Q代保留可能性。

2.3 可靠性

監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該具有較高的可靠性，設(shè)備可以穩(wěn)定工作，監(jiān)控系統(tǒng)可以通過傳感器和控制器來獲取相關(guān)的參數(shù)并可靠控制閘門的開合。系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)有備用方案保證系統(tǒng)的可靠。

2.4 安全性

監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)的訪問和存儲(chǔ)以及更改具有一定的安全措施，防止數(shù)據(jù)被修改、盜竊以及破壞。

2.5 故障預(yù)警

具備故障檢測(cè)和分析功能，在監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，能夠快速根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行分析幫助維修人員快速確定故障處以及故障原因，并具備一定的故障修復(fù)功能，保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

3 閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的功能

3.1 閘門的控制功能

閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)閘門的開合、在緊急情況下可以自動(dòng)關(guān)閉閘門。

3.2 閘門關(guān)鍵相關(guān)參數(shù)的采集和處理

監(jiān)控系統(tǒng)可以自動(dòng)采集水位、閘門移動(dòng)狀態(tài)以及電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)。

水位數(shù)據(jù)包括閘門前后的水位、攔污柵的堵塞情況以及水位數(shù)據(jù)。

閘門移動(dòng)狀態(tài)包括閘門的位移數(shù)量、閘門的運(yùn)行方向、閘門的卡停、飛車、下滑等狀態(tài)。

電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)包括電流、電壓以及電機(jī)線圈溫度的數(shù)據(jù)。

閘門的所有重要參數(shù)會(huì)自動(dòng)記入監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，便于操作人員隨時(shí)查詢。

3.3 自動(dòng)判斷功能

閘門監(jiān)控系統(tǒng)可以將傳感器獲取的相關(guān)參數(shù)與標(biāo)定值進(jìn)行比較，并判斷閘門系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)是否安全、平穩(wěn)。在監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到異常數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)該能夠分析故障類型，簡(jiǎn)單故障可以自行糾錯(cuò)；出現(xiàn)重大故障時(shí)應(yīng)該及時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒工作人員進(jìn)行緊急處理。

3.4 系統(tǒng)的保護(hù)功能

3.4.1 卡停

當(dāng)閘門因外部異物或其他原因?qū)е麻l門卡停時(shí)，應(yīng)該減小閘門的運(yùn)行速度或停止閘門運(yùn)動(dòng)。閘門控制系統(tǒng)應(yīng)該及時(shí)切斷電源回路，停止閘門運(yùn)動(dòng)，并發(fā)出警報(bào)。

3.4.2 飛車

閘門在上升過程中或處于高位時(shí)突然失去控制向下落下時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到閘門位移的相關(guān)數(shù)據(jù)快速變化，此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該自動(dòng)切斷電源回路，采取緊急制動(dòng)措施停止閘門飛車，并發(fā)出警報(bào)。

3.4.3 下滑

閘門在處于高位時(shí)應(yīng)該保持在某一位置上時(shí)候如果監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到閘門位移發(fā)生變化，應(yīng)該自動(dòng)將閘門位置移回設(shè)定的位置。

3.4.4 越限

閘門達(dá)到最高點(diǎn)或最低點(diǎn)時(shí)如果還存在位移變化，閘門系統(tǒng)應(yīng)該自動(dòng)切斷電源回路，停止閘門的運(yùn)動(dòng)，并發(fā)出報(bào)警。

3.4.5 阻塞

當(dāng)攔污柵前后水位差超過標(biāo)定值時(shí)說明攔污柵被堵，影響水流通過。此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)可以發(fā)出指令讓攔污柵清理機(jī)構(gòu)自動(dòng)清理，并在系統(tǒng)中記錄。

4 閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的組成

水利工程的閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)主要包含三個(gè)部分，即傳感器、PLC控制器以及閘門動(dòng)力系統(tǒng)。傳感器可以獲取閘門前后的水位信息、閘門的開合程度、上下游水位等參數(shù)。PLC控制器用于獲取傳感器穿來的數(shù)據(jù)并接受控制系統(tǒng)傳來的指令。

4.1 傳感器

傳感器可以采用精度較高的旋轉(zhuǎn)時(shí)編碼器，該編碼器可以通過旋轉(zhuǎn)的位置對(duì)應(yīng)閘門的開合程度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)參數(shù)的精準(zhǔn)獲取。數(shù)字閘門傳感器包括編碼和計(jì)算兩種方式。

4.2 PLC控制單元

PLC控制單元除了可以精準(zhǔn)獲取傳感器傳輸?shù)男畔?，?jì)算閘門的位置和水位定相關(guān)信息，通過操控電動(dòng)機(jī)來控制閘門的開合。PLC控制單元可以將獲取的信息傳輸給控制系統(tǒng)，可以將閘門的實(shí)時(shí)狀態(tài)通過顯示器顯示出來。借助PLC控制單元可以實(shí)現(xiàn)閘門系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作。PLC控制單元中還可以設(shè)置預(yù)定參數(shù)，傳感器獲取的信息可以與預(yù)定參數(shù)進(jìn)行比較并進(jìn)行自動(dòng)控制。PLC控制單元具備較高的穩(wěn)定性，出現(xiàn)問題時(shí)可以自動(dòng)分析并報(bào)警。

5 閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中存在的問題

電氣自動(dòng)化系統(tǒng)具備較高的穩(wěn)定性，不容易出現(xiàn)問題。但是閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中包含較多的傳感器以及電力設(shè)備。在使用過程中傳感器的精度和準(zhǔn)確度會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)有很大的影響；同時(shí)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于電力的依賴程度較高，一旦電力供應(yīng)出現(xiàn)問題，監(jiān)控系統(tǒng)將無法實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的功能，因此閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該配有備用供電系統(tǒng)，確保電力供應(yīng)出現(xiàn)問題時(shí)，操作人員有時(shí)間介入，接手控制閘門狀態(tài)；傳感器的傳輸線纜一般預(yù)埋于地下，因此在出現(xiàn)故障時(shí)不便于維修。

6 閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)未來發(fā)展方向

6.1 自動(dòng)故障診斷

在一個(gè)完整的閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中，閘門難免會(huì)出現(xiàn)各種故障，傳統(tǒng)的檢修方法是去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢修、排查，確定故障的類型和故障位置。電氣自動(dòng)化技術(shù)的引入使得閘門故障的診斷和排除更為便捷和準(zhǔn)確。引入電氣自動(dòng)化技術(shù)的閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)可以通過監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢查系統(tǒng)的狀態(tài)，在出現(xiàn)問題時(shí)，不但可以判斷故障位置，還可以根據(jù)傳感器獲取的異常數(shù)據(jù)，分析判斷產(chǎn)生故障的根本原因，然后安排專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行維修。一個(gè)成熟的閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)分類，不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的小問題可以自行處理或暫時(shí)掛起等候處理，等待設(shè)計(jì)維修人員集中統(tǒng)一解決，提高工作效率；影響系統(tǒng)運(yùn)行甚至可能造成安全隱患的狀況可以立即報(bào)警并自動(dòng)采取應(yīng)急措施，值班人員應(yīng)該立即查看設(shè)備狀態(tài)并進(jìn)行檢修，保證閘門系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

6.2 人工智能的應(yīng)用

設(shè)計(jì)、維修人員在維護(hù)閘門系統(tǒng)的設(shè)備時(shí)，需要投入大量的精力對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢查。伴隨電氣自動(dòng)化技術(shù)的不斷成熟、電氣系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，現(xiàn)在的電氣系統(tǒng)已經(jīng)可以較為安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。在閘門自動(dòng)化控制領(lǐng)域設(shè)計(jì)人員已經(jīng)積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于常規(guī)的異?，F(xiàn)象可以大致判斷出系統(tǒng)在哪些位置出現(xiàn)了什么問題。因此可以引入人工智能技術(shù)，人工智能技術(shù)的引入可以自動(dòng)識(shí)別閘門系統(tǒng)中的異常數(shù)據(jù)和故障，并且自動(dòng)對(duì)故障進(jìn)行排查、分類和處理。這樣可以減少工作人員的工作量，降低系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)、維護(hù)成本。

7 結(jié) 語

綜上所述，水利工程在我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)方面占據(jù)十分重要的位置。通過引入閘門自動(dòng)化監(jiān)控弄系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水利工程施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)督控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水利工程建設(shè)和運(yùn)行中存在的問題并進(jìn)行改正。相關(guān)單位應(yīng)該強(qiáng)化對(duì)系統(tǒng)各部件的了解，有效利用相關(guān)設(shè)備設(shè)施，充分發(fā)揮系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性、可維護(hù)性和安全性等優(yōu)勢(shì)。在未來還需要加強(qiáng)對(duì)該系統(tǒng)有關(guān)設(shè)備技術(shù)的創(chuàng)新，進(jìn)一步提升閘門自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)在水利工程建設(shè)中的應(yīng)用效果。