水閘電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用分析

蔡榮源

[摘 ? ?要]傳統(tǒng)手動(dòng)閘門控制方式可靠性低、靈活性差、故障排除不方便，正被自動(dòng)控制方式取代。介紹了水閘自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能與架構(gòu)，闡述了水閘自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件、軟件配置，分析了水閘自動(dòng)控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方法。

[關(guān)鍵詞]水閘;自動(dòng)控制;電氣應(yīng)用

[中圖分類號(hào)]TP273.5 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）01–000–03

[Abstract]The traditional manual gate control method has low reliability， poor flexibility， and inconvenient troubleshooting， and is being replaced by automatic control methods. This article introduces the function and architecture of the automatic control system of the sluice， expounds the hardware and software configuration of the automatic control system of the sluice， and analyzes the realization method of the automatic control system of the sluice.

[Keywords]sluice; automatic control; electrical application

水閘是水利工程中常見水工建筑物，通過閘門的啟閉實(shí)現(xiàn)擋水、泄洪、控制水位、排水等功能。然而在水閘運(yùn)行中也存在非正常啟閉問題，直接影響水閘各項(xiàng)功能的發(fā)揮。利用電氣自動(dòng)化技術(shù)對(duì)啟閉機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造，可實(shí)現(xiàn)閘門自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制。水閘應(yīng)用自動(dòng)化系統(tǒng)后，不僅能降低水閘工作人員的工作強(qiáng)度，提高水閘運(yùn)行效率，而且能改善設(shè)備運(yùn)行的準(zhǔn)確度與安全性。因此，本文對(duì)水閘電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

1 水閘電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)功能與架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)功能

水閘控制實(shí)際上主要是控制閘門的啟閉與開度大小。傳統(tǒng)閘門控制一般是采用機(jī)電控制方式，通過人工操作按鈕實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉和開度大小調(diào)節(jié)。雖然這種方式簡單、直觀，但不能根據(jù)水情變化精確調(diào)節(jié)，控制也經(jīng)常滯后，甚至因?yàn)檎`操作導(dǎo)致事故，與水利現(xiàn)代化、信息化的要求不符。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制已在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，并取代手動(dòng)方式。水閘自動(dòng)控制系統(tǒng)功能包括以下內(nèi)容。

（1）信息采集與處理功能。系統(tǒng)能自動(dòng)采集和處理閘門運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，例如：閘前、閘后水位數(shù)據(jù)，閘門位移數(shù)據(jù)，啟閉電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等。

（2）計(jì)算判斷功能。系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，再對(duì)結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷閘門狀態(tài)，如果正常則維持監(jiān)控狀態(tài)，異常或故障則報(bào)警并做相應(yīng)處理。

（3）閘門控制功能。系統(tǒng)能自動(dòng)操作閘門開啟、關(guān)閉、調(diào)節(jié)開度大小、在事故狀態(tài)下緊急剎車等。有些閘門還能根據(jù)攔污柵阻塞情況，自動(dòng)清理攔污柵。

（4）保護(hù)功能。系統(tǒng)能對(duì)各類故障進(jìn)行緊急處理，如對(duì)閘門卡滯、飛車、黏連、下滑、超限、阻塞及動(dòng)力柜失電、電機(jī)異常等做出應(yīng)急反應(yīng)（報(bào)警、停機(jī)、上傳信號(hào)等）。

（5）人機(jī)交互功能。系統(tǒng)能在顯示屏上顯示閘門狀態(tài)信息，通過觸摸鍵、鍵盤、鼠標(biāo)等輸入方式瀏覽各個(gè)界面（狀態(tài)界面、控制界面、統(tǒng)計(jì)界面、打印界面、幫助界面等），輸入控制指令，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)聯(lián)系、遠(yuǎn)程控制等功能。

（6）通信功能。系統(tǒng)能在現(xiàn)地控制單元（LCU）與中控室之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，將LCU獲得的信息上傳到中控室，并將中控室的指令下發(fā)到LCU，對(duì)閘門進(jìn)行控制。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

一套完整的水閘自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)包含閘門控制子系統(tǒng)、工業(yè)視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等部分。從監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的角度，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為集中式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。集中式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以一臺(tái)計(jì)算機(jī)（PC）/可編程邏輯控制器（PLC）/工控機(jī)為核心，集中處理來自LCU的信號(hào)，1個(gè)LCU控制所有閘門（最多12個(gè)閘門），包括測(cè)量的傳感器和執(zhí)行操作指令的機(jī)構(gòu)，一旦LCU故障，整個(gè)系統(tǒng)都將癱瘓。這種架構(gòu)控制設(shè)備集中，管理方便，一次性投資省，但擴(kuò)展性差，可靠性低。分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由多臺(tái)LCU組成，每個(gè)LCU控制1個(gè)或多個(gè)閘門。每個(gè)LCU自組成1個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，1個(gè)LCU發(fā)生故障，不影響其他LCU運(yùn)行。現(xiàn)地控制層與集中控制層通過現(xiàn)場(chǎng)總線互聯(lián)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)展性強(qiáng)，可靠性高，但一次性投資較大。典型分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為遠(yuǎn)程控制層、集中控制層和現(xiàn)地控制層。遠(yuǎn)程控制層由遠(yuǎn)程控制PC通過寬帶網(wǎng)絡(luò)/移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與集中控制層互聯(lián)。集中控制層由操作員站、工程師站、打印機(jī)、Web服務(wù)器等組成，通過以太網(wǎng)和現(xiàn)地控制層通信?，F(xiàn)地控制層由各個(gè)閘門的LCU組成，每個(gè)LCU控制1個(gè)或若干閘門、水位計(jì)、閘門開度儀等設(shè)備，經(jīng)交換機(jī)、光纖收發(fā)器與集中控制層的以太通信網(wǎng)絡(luò)相連。

2 水閘電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件配置

2.1 現(xiàn)地微機(jī)控制器選擇

目前，現(xiàn)地微機(jī)控制器可采用工控機(jī)、單片機(jī)和PLC。工控機(jī)全稱是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、人機(jī)接口、聯(lián)網(wǎng)通信等功能，但體積大、價(jià)格高，不適應(yīng)對(duì)安裝空間和成本控制敏感的系統(tǒng)。單片機(jī)體積小，價(jià)格低，應(yīng)用也比較靈活方便，但開發(fā)周期較長，一旦寫入程序，難以更改，而且對(duì)于水閘工作環(huán)境而言，單片機(jī)可靠性還是不夠理想。PLC是專為工業(yè)環(huán)境制造的微型計(jì)算機(jī)，計(jì)算、控制、聯(lián)網(wǎng)通信能力都比較好，可靠性高，擴(kuò)展性強(qiáng)，編程開發(fā)方便靈活。綜合比較三種微型計(jì)算機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，PLC最適合作為水閘自動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)地微機(jī)控制器。

2.2 傳感器選擇

閘門狀態(tài)信號(hào)主要是通過傳感器檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的，選擇性能可靠、經(jīng)濟(jì)合理的傳感器是滿足水閘自動(dòng)控制要求的前提。影響水閘自動(dòng)控制系統(tǒng)控制性能的關(guān)鍵傳感器是閘位儀和水位計(jì)。閘位儀也稱為閘門開度儀，是由閘位傳感器和編碼器組成閘位檢測(cè)系統(tǒng)。閘位傳感器有利用重錘平衡原理檢測(cè)閘位;卷揚(yáng)式啟閉機(jī)可在卷揚(yáng)機(jī)軸上安裝變速齒輪，用來驅(qū)動(dòng)編碼器檢測(cè)閘位;還有利用光電、電磁原理制造的閘位傳感器。編碼器分增量型和絕對(duì)值型。增量型編碼器記錄的是相對(duì)位置，掉電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失，重歸原點(diǎn)。絕對(duì)值型編碼器能記錄絕對(duì)位置值，掉電也不影響位置檢測(cè)。在水閘工作環(huán)境下，掉電和電磁干擾都是可能發(fā)生的，所以應(yīng)選擇絕對(duì)值型編碼器。閘位傳感器可選擇光電式，適合平板閘門、弧形閘門、人字形閘門等多種類型。閘門要根據(jù)上下游水位進(jìn)行控制，故在閘前、閘后要設(shè)置水位計(jì)檢測(cè)水位。根據(jù)測(cè)量原理，水位傳感器分為浮子式、壓力式、超聲波式、磁浮子接點(diǎn)式等多種類型。應(yīng)用比較多的是浮子式水位傳感器，這種型式的水位傳感器需設(shè)置測(cè)井，對(duì)水質(zhì)有一定要求，水中污物、泥沙較多時(shí)容易堵塞和卡死浮子，導(dǎo)致測(cè)量失準(zhǔn)，這種情況下可選擇非接觸的超聲波傳感器，不需設(shè)置測(cè)井，不受水中泥沙含量影響，但風(fēng)浪大、水面漂浮物多時(shí)也有干擾。

2.3 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)配置

監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，這樣才能保證數(shù)據(jù)無延遲、可靠地傳送，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)上存在大量結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)改變和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化不應(yīng)影響傳輸能力，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可重復(fù)性也提出了較高要求?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以PLC為核心，通過光纖或雙絞線、同軸電纜結(jié)成總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在中控室配置以太網(wǎng)交換機(jī)，與現(xiàn)地控制層通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡(luò)通信采用數(shù)字傳輸方式，傳輸速率快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，抗干擾性能優(yōu)。遵守同一通信協(xié)議，不受現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備型號(hào)、規(guī)格的影響，組成組態(tài)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)閘門數(shù)據(jù)采集、操作控制及視頻監(jiān)控功能。

3 水閘電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件配置

3.1 下位機(jī)軟件配置

下位機(jī)PLC，一般采用PLC廠家提供的編程軟件對(duì)PLC進(jìn)行功能配置。PLC編程采用梯形圖，與傳統(tǒng)繼電器控制回路的梯形圖相似，便于電氣技術(shù)人員理解和配置功能。配置PLC時(shí)，可通過編程器向PLC輸入程序，也可以利用PLC進(jìn)行自動(dòng)配置，如PLC讀取I/O模塊產(chǎn)生自動(dòng)配置后，通常不需要專門配置。IP地址需要手動(dòng)設(shè)置，這樣上位機(jī)才能找到PLC。閘門升降數(shù)據(jù)的檢測(cè)要使用格雷碼，克服上位機(jī)讀取二進(jìn)制數(shù)據(jù)時(shí)易產(chǎn)生錯(cuò)誤的缺陷，所以二進(jìn)制數(shù)據(jù)與格雷碼之間要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。解決了數(shù)據(jù)讀取問題，就可以為系統(tǒng)設(shè)置閘門升高限值及各種條件下的啟閉指令、故障報(bào)警等。畫出程序流程圖，用梯形圖表達(dá)控制邏輯，將控制指令輸入PLC中，PLC就能按照預(yù)定程序?qū)﹂l門進(jìn)行自動(dòng)控制。PLC輸入輸出點(diǎn)配置，包括開關(guān)量輸入輸出、模擬量輸入輸出，例如電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行、閘門啟閉為開關(guān)量，上下游水位、閘門開度為模擬量等。配置PLC程序包括閘門啟閉控制、升降控制、自動(dòng)糾偏控制等。

3.2 上位機(jī)軟件配置

水閘自動(dòng)控制系統(tǒng)通過組態(tài)軟件可配置上位機(jī)應(yīng)用軟件。組態(tài)軟件是專用于采集數(shù)據(jù)和過程控制的軟件，能為自動(dòng)控制系統(tǒng)提供良好的開發(fā)環(huán)境，包括數(shù)據(jù)采集功能、腳本功能、控制功能、互聯(lián)網(wǎng)支持等。利用組態(tài)軟件的圖形界面系統(tǒng)可顯示對(duì)象的動(dòng)態(tài)屬性，發(fā)布報(bào)警通知、查詢歷史數(shù)據(jù)等。利用組態(tài)軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可保存當(dāng)前運(yùn)行的各項(xiàng)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)檔案來管理。利用組態(tài)軟件的第三方程序接口組件，可實(shí)現(xiàn)與第三方程序的交互和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問功能。利用組態(tài)軟件的控制功能組件提供面向?qū)ο蟮?、像梯形圖一樣方便的控制功能。

3.3 控制方式選擇

水閘自動(dòng)控制系統(tǒng)不但要滿足閘門啟閉、升降等基本控制功能，還要提供檢修、調(diào)試等特殊功能。針對(duì)各種故障采取相對(duì)應(yīng)的處理方法，避免因?yàn)槟撤N故障的發(fā)生引起災(zāi)害性后果，所以對(duì)系統(tǒng)的安全可靠性提出了較高要求。為了滿足不同的控制需求，系統(tǒng)必須具備多種不同的控制方式，現(xiàn)以雙吊點(diǎn)閘門為例闡述閘門的控制方式。雙吊點(diǎn)閘門在提升過程中，常因兩側(cè)摩擦系數(shù)不一致，加上水的沖擊力分配不平衡，在升高時(shí)失去平衡，導(dǎo)致閘門卡滯，強(qiáng)行起吊時(shí)可能會(huì)損壞閘門及控制系統(tǒng)。為此，應(yīng)在閘門兩側(cè)設(shè)置開度儀，通過檢測(cè)兩側(cè)開度差控制兩側(cè)的升高。例如開度大的一側(cè)停止上升，開度小的一側(cè)升高，當(dāng)兩側(cè)開度差小于設(shè)定值時(shí)，再同步升高，以此減少閘門兩側(cè)升高不一致現(xiàn)象，使閘門均衡升降。閘門控制可以采用人為設(shè)定開度的方式進(jìn)行，也可以根據(jù)上下游水位及過閘流量對(duì)閘門開度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，后面這種方式因?yàn)樗奶匦噪S季節(jié)、氣候等條件變化而變化，采用傳統(tǒng)PLC控制方式操作極為復(fù)雜，實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)，所以閘門控制廣泛采用模糊控制，即運(yùn)用模糊控制理論，將很難以精確數(shù)據(jù)表達(dá)的量以模糊量表示。

4 水閘電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)采集

水位計(jì)傳感器采集到水位變化引起的形變位移，經(jīng)由轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，輸出至LCU中，經(jīng)信號(hào)隔離器交由PLC計(jì)算處理，PLC再將處理后的數(shù)據(jù)上傳監(jiān)控中心。同樣地，閘位儀傳感器采集啟閉機(jī)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)，編碼器響應(yīng)為位置數(shù)據(jù)，再傳輸給PLC計(jì)算處理。

4.2 閘門控制

閘門一般采用自動(dòng)控制方式，但備有手動(dòng)方式，在自動(dòng)控制方式發(fā)生故障或失效時(shí)應(yīng)急使用，也用于設(shè)備檢修維護(hù)時(shí)的特殊需要?？刂苾?yōu)先級(jí)，現(xiàn)地控制級(jí)高于遠(yuǎn)程控制級(jí)，即在現(xiàn)地操作時(shí)遠(yuǎn)程控制不能操作。根據(jù)水閘上下游水位數(shù)據(jù)，水閘自動(dòng)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)定開度或定流量控制，單閘門自動(dòng)啟閉運(yùn)行，成組閘門自動(dòng)啟閉運(yùn)行。

4.3 系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試流程：現(xiàn)地手動(dòng)控制單元調(diào)試→PLC柜現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試→動(dòng)水條件下單閘門啟閉調(diào)試→動(dòng)水條件下成組閘門啟閉調(diào)試→閘門開度調(diào)試。手動(dòng)控制單元調(diào)試流程：檢查PLC模塊端子接線是否正確→檢查PLC開關(guān)電源接線是否正確→合上電源總空氣開關(guān)→控制開關(guān)分別置于手動(dòng)、自動(dòng)位，檢查回路是否正確→斷開總空氣開關(guān)，合上控制回路空氣開關(guān)→手動(dòng)操作閘門升、降和停止，檢查動(dòng)作是否正確→完全正確，完成調(diào)試。PLC控制柜調(diào)試流程：檢查柜內(nèi)接線是否正確，檢查電源是否正?！仙峡諝忾_關(guān)，機(jī)柜上電→檢查PLC狀態(tài)及通訊是否正?！\(yùn)行CPU模塊→下載測(cè)試程序及硬件配置至PLC內(nèi)→運(yùn)行軟件在線監(jiān)視，狀態(tài)“強(qiáng)制”→根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回訊和動(dòng)作執(zhí)行效果，排查所有接線的正確性→測(cè)試PLC與上位機(jī)通訊準(zhǔn)確性和可靠性→下載完整PLC程序，測(cè)試PLC與上位機(jī)通訊狀況→現(xiàn)場(chǎng)上電，依次試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)回訊是否正常、現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)作是否正確、與上位機(jī)通訊情況→現(xiàn)場(chǎng)和上位機(jī)分別發(fā)令，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)作、回訊及上、下位機(jī)的通訊。動(dòng)水條件下單閘門啟閉調(diào)試流程：現(xiàn)場(chǎng)全部上電，狀態(tài)“自動(dòng)控制”→上位機(jī)發(fā)令→各閘門依次試驗(yàn)小開度上升、下降。動(dòng)水條件下成組閘門啟閉調(diào)試流程：現(xiàn)場(chǎng)全部上電，狀態(tài)“自動(dòng)控制”→上位機(jī)發(fā)令→各閘門聯(lián)動(dòng)小開度上升、下降。閘門開度調(diào)試流程：現(xiàn)場(chǎng)全部上電，狀態(tài)“自動(dòng)控制”→上位機(jī)發(fā)令→各個(gè)閘門試驗(yàn)開度0～100%→各個(gè)閘門聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)開度0～100%。全部項(xiàng)目調(diào)試完成，功能完備，邏輯正確，水閘自動(dòng)控制系統(tǒng)即可投入使用。

4.4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.4.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控

利用組態(tài)軟件將閘門運(yùn)行、閘區(qū)水位狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在模擬圖中，還能將視頻監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)攝像頭拍攝的視頻展示出來。模擬圖中有閘門狀態(tài)圖像，下面有上、下游水位數(shù)據(jù)?？刂茽顟B(tài)下有“手動(dòng)”“自動(dòng)”轉(zhuǎn)換功能。閥門開度一欄有設(shè)定開度、實(shí)際開度，可設(shè)置為cm或%。還有全開、全落、開閘、關(guān)閘、停止“按鍵”。在管理一欄中有電機(jī)管理、報(bào)警窗口、緊急停止、模擬圖/視頻轉(zhuǎn)換等選項(xiàng)。

4.4.2 趨勢(shì)分析

系統(tǒng)能統(tǒng)計(jì)某段時(shí)間的最高、最低、平均水位及閘門開度大小，并以趨勢(shì)圖展示出來。

4.4.3 統(tǒng)計(jì)報(bào)表

系統(tǒng)能提供日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)、季報(bào)、年報(bào)及選定的任意時(shí)段數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并以報(bào)表形式顯示，通過打印機(jī)可以打印出來，是研究水情變化、改進(jìn)運(yùn)行操作的重要資料。

4.4.4 系統(tǒng)維護(hù)

該功能用于系統(tǒng)維護(hù)，例如用戶管理、數(shù)據(jù)管理、時(shí)鐘同步、報(bào)警設(shè)置、連接數(shù)據(jù)庫等。

5 結(jié)束語

水閘電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)具有控制精度、控制效率高的特點(diǎn)，能減輕運(yùn)行人員工作強(qiáng)度，在水利工程中應(yīng)用效果良好。但水閘自動(dòng)控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)需要完善的架構(gòu)、高質(zhì)量的軟硬件配置、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼{(diào)試和良好的維護(hù)，只要滿足這些條件，系統(tǒng)就能展現(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，為水利工程提質(zhì)增效發(fā)揮作用。

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