南水北調(diào)中線工程閘門遠(yuǎn)程控制技術(shù)淺析

紀(jì)明輝，石如澤

（南水北調(diào)中線建管局河南分局，河南 鄭州 450046）

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，智能化已成為現(xiàn)代水利工程的發(fā)展方向。南水北調(diào)中線工程調(diào)度管理系統(tǒng)采用基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制理論的閘門遠(yuǎn)程控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對閘門啟閉機(jī)實(shí)時(shí)控制，指令執(zhí)行可靠準(zhǔn)確，水位、流量等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)節(jié)，對于總干渠智能化管理具有重要的意義。

1 閘門遠(yuǎn)程控制技術(shù)概述

南水北調(diào)中線工程閘門遠(yuǎn)程控制技術(shù)采用成熟的計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和傳感器技術(shù)，通過現(xiàn)地監(jiān)測、控制等自動(dòng)化設(shè)施建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了沿線閘門遠(yuǎn)程控制，總調(diào)中心或備調(diào)中心下發(fā)調(diào)度指令對閘門進(jìn)行啟閉操作，閘門遠(yuǎn)程控制技術(shù)是中線工程日常調(diào)度的基礎(chǔ)，也是南水北調(diào)中線工程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)度工作的核心。

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要由閘站監(jiān)控系統(tǒng)和液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)兩部分組成，其中閘站監(jiān)控系統(tǒng)是控制系統(tǒng)，液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)是執(zhí)行系統(tǒng)。

遠(yuǎn)程控制指令由總調(diào)中心或分調(diào)中心通過閘站監(jiān)控系統(tǒng)下達(dá)，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備傳輸至現(xiàn)地閘站PLC控制系統(tǒng)，啟動(dòng)液壓啟閉機(jī)按指令啟閉閘門，其工作流程如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程控制業(yè)務(wù)流程圖

1.1 閘站監(jiān)控系統(tǒng)

閘站監(jiān)控系統(tǒng)是閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的核心系統(tǒng)之一。通過該系統(tǒng)，可以在調(diào)度中心對全線分水閘、節(jié)制閘、退水閘、控制閘、排冰閘等進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，并在調(diào)度中心顯示各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，出現(xiàn)問題及時(shí)報(bào)警至調(diào)度中心進(jìn)行處理。

閘站監(jiān)控系統(tǒng)可以分為遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)地閘站監(jiān)控系統(tǒng)兩個(gè)部分。遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控系統(tǒng)又分為總公司、分公司和管理處三級(jí)遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控子系統(tǒng)和監(jiān)控服務(wù)四部分，現(xiàn)地閘站監(jiān)控系統(tǒng)包括工控機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)。其系統(tǒng)應(yīng)用功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 閘站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用功能結(jié)構(gòu)圖

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)之間的關(guān)系是既獨(dú)立，又有聯(lián)系。獨(dú)立表現(xiàn)在：兩個(gè)系統(tǒng)都可以獨(dú)立運(yùn)行，都能夠?qū)﹂l站設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制。聯(lián)系表現(xiàn)在：兩個(gè)系統(tǒng)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)應(yīng)該保持一致；現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)的控制權(quán)限應(yīng)該由遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行管理；對現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程維護(hù)管理應(yīng)該由上端遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行。其總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 閘站監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1.2 液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)

液壓啟閉機(jī)是利用液體的壓力能來傳遞能量，控制閘門開啟或關(guān)閉的一種啟閉機(jī)。其工作原理是：液壓泵把原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)為液體壓力能，經(jīng)過油管道及液壓閥進(jìn)入液壓缸，通過液壓缸及活塞桿把液體的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳈C(jī)的機(jī)械能，從而驅(qū)使閘門完成開啟或關(guān)閉等動(dòng)作。閘門油缸配置了閘門開度儀，在閘門啟閉過程中，能對弧形閘門開度及行程實(shí)行全程檢測。系統(tǒng)配備電壓力繼電器、溫度傳感器、液位控制器、液位傳感器等，可對系統(tǒng)壓力、油液溫度及液位高、低位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2.1 液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成

液壓啟閉機(jī)主要包括液壓泵站、電氣控制柜及液壓油缸三部分，分別為動(dòng)力部分，控制部分及執(zhí)行部分。液壓泵站主要由油泵電機(jī)組、油箱及管路、液壓閥組、回油過濾器、壓力表、壓力傳感器、溫度傳感器等部分組成；電氣控制柜主要由PLC模塊、比例調(diào)速閥用放大版、變壓器、中間繼電器等部分組成。

液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)電氣控制柜作為系統(tǒng)的中間設(shè)備，用來連接各種傳感器和變送器，對各種信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、采集和處理。系統(tǒng)采用的傳感器和變送器把信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA的直流電流信號(hào)。液壓缸行程信號(hào)由位移傳感器模塊采集，壓力、溫度、液位、電量等信號(hào)進(jìn)入PLC的模擬量輸入模塊。系統(tǒng)硬件采取多種抗干擾措施，如工控微機(jī)與PLC的供電用UPS穩(wěn)壓電源；信號(hào)線采用屏蔽線、良好接地并與電源線分開布置；傳感器采用直流輸出信號(hào)，抗干擾能力好于交流信號(hào)等，這些抗干擾措施使信號(hào)更加準(zhǔn)確可靠，提升系統(tǒng)的整體性能。

1.2.2 液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)雙缸同步原理

雙吊點(diǎn)弧形工作閘門液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)采用電液比例調(diào)速閥同步回路來控制液壓啟閉機(jī)兩側(cè)液壓缸的進(jìn)出流量，實(shí)現(xiàn)閘門啟閉的同步運(yùn)行和自動(dòng)糾偏。其原理如圖5所示。

圖5 液壓啟閉機(jī)雙缸同步原理圖

2 影響遠(yuǎn)程控制成功率主要因素分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，遠(yuǎn)程控制閘門成功率在96%～99%，遠(yuǎn)程控制閘門失敗主要是在閘門左右開度差誤差較大、閘控系統(tǒng)開度數(shù)據(jù)與閘門實(shí)際開度不符、遠(yuǎn)程自動(dòng)模式下易卡滯等。

影響遠(yuǎn)控成功率的因素較多，根據(jù)現(xiàn)場情況分析，主要有閘門開度儀、PLC、比例調(diào)速閥。

2.1 閘門開度儀

閘門開度儀是將閘門的機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對閘門開度檢測的自動(dòng)化測量工具。閘門開度儀是自動(dòng)化控制系統(tǒng)中最主要的控制之一，起著舉足輕重的作用。

閘門開度儀種類繁多，目前中線工程常用的有鋼絲繩式閘門開度儀、陶瓷活塞桿集成閘門開度儀、靜磁柵閘門開度儀。

2.1.1 鋼絲繩式開度儀

鋼絲繩式開度儀工作原理類似于可自動(dòng)回收的鋼皮尺，鋼絲繩式開度儀有金屬外殼，鋼絲繩卷繞在卷盤上，一套類似鐘表發(fā)條的機(jī)械機(jī)構(gòu)使得鋼絲拉出后可以回縮，卷盤與旋轉(zhuǎn)編碼器連軸，在鋼絲繩拉出和回縮的過程中帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器作正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)編碼器輸出轉(zhuǎn)動(dòng)的角度信號(hào)轉(zhuǎn)換為鋼絲繩伸縮的位移信號(hào)。

鋼絲繩式開度儀有外置式和內(nèi)置式兩種。外置鋼絲繩式開度儀的缺點(diǎn)是強(qiáng)度不夠高，環(huán)境適應(yīng)能力不夠強(qiáng)，難于抗拒人為因素、機(jī)械磨損、風(fēng)力、冰凍、水中腐蝕漂浮物等影響，其后又發(fā)展了內(nèi)置鋼絲繩式開度儀。內(nèi)置鋼絲繩式開度儀將開度儀全部或部分機(jī)構(gòu)置于油缸內(nèi)部，活塞桿在油缸內(nèi)部無桿腔側(cè)拉動(dòng)鋼絲繩運(yùn)行從而帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)。內(nèi)置鋼絲繩式開度儀可在油缸生產(chǎn)的工廠環(huán)境安裝成形，美觀精小，減少現(xiàn)場安裝工作量，顯著提高了環(huán)境適應(yīng)能力，但是其工廠制造難度增加，現(xiàn)場維修不便。中線工程中常州液壓配套設(shè)備采用了內(nèi)置鋼絲繩式開度儀。

2.1.2 陶瓷活塞桿集成閘門開度儀

陶瓷活塞桿集成閘門開度儀是在活塞桿鋼材表面刻有非常細(xì)密的圓形環(huán)槽，全部圓形環(huán)槽所在的平面與活塞桿中軸線垂直并且等寬，環(huán)槽布滿活塞桿全程?；钊麠U經(jīng)刻槽和整體表面處理后，再均勻噴涂陶瓷材料形成硬度高、致密性好、防腐性能優(yōu)異的陶瓷活塞桿。電子行程檢測裝置處于油缸前端，貼近陶瓷活塞桿表面探測環(huán)槽，在活塞桿伸縮運(yùn)行時(shí)，準(zhǔn)確指示油缸行程。

陶瓷活塞桿集成閘門開度儀的缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜，造價(jià)高昂，需配備不間斷電源保存數(shù)據(jù)，抗干擾能力差、長期運(yùn)行存在數(shù)據(jù)累計(jì)誤差等。江蘇武進(jìn)配套設(shè)備采用了陶瓷活塞桿集成閘門開度儀。

2.1.3 靜磁柵閘門開度儀

靜磁柵閘門開度儀是在消化吸收先進(jìn)磁位移傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上研制的新型開度儀，其應(yīng)用了磁性條形碼（Permanent Magnet Bar Code）的原理來檢測物體位移，是靜磁柵位移讀碼器與絕對編碼器技術(shù)的結(jié)合，由于是通過靜態(tài)磁頭讀取磁尺上記錄的信號(hào)來檢測物體的位移，因此被命名為靜磁柵。靜磁柵開度儀主要由兩部分組成：測量桿和靜磁柵尺，測量桿是含有精密位置信息的磁性條形碼裝置，靜磁柵尺是由霍爾線性陣列構(gòu)成的計(jì)算機(jī)感測系統(tǒng)。靜磁柵閘門開度儀為外置式安裝，靜磁柵尺利用抱箍式安裝座安裝于油缸缸筒上，其上帶有導(dǎo)向套管；測量桿置于導(dǎo)向套管內(nèi)，前端與油缸活塞桿吊耳連接，當(dāng)閘門運(yùn)行時(shí)，測量桿對應(yīng)在導(dǎo)向套管內(nèi)移動(dòng)，靜磁柵尺輸出位移信號(hào)。

靜磁柵閘門開度儀優(yōu)點(diǎn)有:①靜磁柵絕對編碼器可使位移量以絕對型輸出，失電后能長時(shí)間保存絕對位置數(shù)據(jù)。其“空間柵片”具有非常固定的編號(hào)，可真正做到“絕對編碼”，徹底杜絕旋轉(zhuǎn)編碼器測量方式帶來的打滑現(xiàn)象，不存在零點(diǎn)漂移問題。②靜磁柵源和靜磁柵尺之間采用“懸浮”的無接觸運(yùn)動(dòng)方式，最大間隙可達(dá)10 mm，無機(jī)械磨損，使用壽命較長。③結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，外置式安裝有利于調(diào)試和維護(hù)。④測量量程大，測量非垂直油缸，適宜量程為9 m以內(nèi)；測量垂直油缸或垂直閘門，適宜量程為20 m 以內(nèi)；測量弧形閘門支臂，轉(zhuǎn)換為閘門開度時(shí)，適宜目前國內(nèi)所有大行程弧形門。⑤每套開度儀可額外配備多只磁性接近開關(guān)，便于行程兩端極限位置檢測。

水利水電項(xiàng)目一般要求閘門開度儀精度高、絕對值、量程大、抗惡劣環(huán)境、維修保養(yǎng)方便等，無論鋼絲繩閘門開度儀，還是陶瓷活塞桿集成閘門開度儀，都無法同時(shí)滿足這些要求，而靜磁柵閘門開度在綜合性能上，對比其它閘門開度儀，具有明顯的優(yōu)勢。

靜磁柵閘門開度儀已經(jīng)在南水北調(diào)中線工程設(shè)備上進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，優(yōu)勢明顯。其優(yōu)點(diǎn)眾多，也有不足之處，如無內(nèi)置安裝型、產(chǎn)品屬半定制、對比其它傳感器占用空間略大。

2.2 閘門開度儀優(yōu)化

陶瓷活塞桿集成閘門開度儀，此類編碼器為相對型增量編碼器，現(xiàn)場經(jīng)常出現(xiàn)開度超差，停電后易丟失數(shù)據(jù)，長期使用過程中易產(chǎn)生累積誤差，無法準(zhǔn)確反映實(shí)際開度，此類行程檢測裝置已成為導(dǎo)致遠(yuǎn)程控制閘門失敗的主要原因。

目前，南水北調(diào)中線工程已開始實(shí)施了行程檢測裝置改造，將相對型行程檢測裝置更換為絕對型行程檢測裝置，將陶瓷活塞桿集成閘門開度儀更換為靜磁柵閘門開度儀，在停電狀態(tài)下不再丟失數(shù)據(jù)，重復(fù)精度高，長期使用不產(chǎn)生累積誤差，且直接輸出SSI信號(hào)給PLC，無需進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，靜磁柵為外置式安裝，現(xiàn)場安裝、維修方便。

2.3 液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)配置的PLC和自動(dòng)化閘站監(jiān)控系統(tǒng)PLC共同控制閘門

中線工程使用的江蘇武進(jìn)和常州液壓的液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)和自動(dòng)化閘站監(jiān)控系統(tǒng)均配置有PLC，但液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)的PLC性能較自動(dòng)化閘站監(jiān)控系統(tǒng)所配置的PLC低，而閘門的開度、壓力等數(shù)據(jù)信息卻需經(jīng)過液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)的PLC來進(jìn)行計(jì)算和傳遞，容易造成信號(hào)傳遞延遲和多次轉(zhuǎn)換誤差。

PLC優(yōu)化已經(jīng)在中線工程中進(jìn)行了試點(diǎn)改造，將液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)PLC 拆除，相關(guān)信號(hào)直接接入自動(dòng)化閘站監(jiān)控系統(tǒng)PLC。

2016年10月焦作管理處聵城寨節(jié)制閘1#閘門實(shí)施了行程檢測裝置及PLC 優(yōu)化改造試點(diǎn)，極大地提高了遠(yuǎn)程控制成功率，目前運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好。

2.4 江蘇武進(jìn)液壓啟閉機(jī)設(shè)備采用單比例調(diào)速閥控制閘門

中線工程中江蘇武進(jìn)啟閉機(jī)設(shè)備控制閘門采用的是單比例調(diào)速閥控制，當(dāng)閘門左、右油缸出現(xiàn)偏差時(shí)，僅有一側(cè)油缸可調(diào)節(jié)速度，另一側(cè)油缸速度無法調(diào)節(jié)，閘門糾偏調(diào)節(jié)速度較慢；遠(yuǎn)程指令中多為小開度調(diào)節(jié)閘門，閘門動(dòng)作時(shí)長較短；因此，單比例調(diào)速閥控制易出現(xiàn)閘門左、右開度偏差較大導(dǎo)致超差停機(jī)現(xiàn)象，遠(yuǎn)程控制失敗率較高。

加裝比例調(diào)速閥，需改變原有液壓原理及油路，重新設(shè)計(jì)、加工制造液壓閥塊及管路，改造幅度較大，改造方案采用了將其手動(dòng)調(diào)速閥改造成為比例調(diào)速閥，兩路油路均通過閘控系統(tǒng)PLC 進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，糾偏過程平穩(wěn)，較少出現(xiàn)超差現(xiàn)象。目前雙比例閥改造已在中線工程中開展實(shí)施。

3 總結(jié)

南水北調(diào)中線工程中部分設(shè)備采用相對型增量傳感器閘門開度儀，閘門的開度、壓力等數(shù)據(jù)信息需經(jīng)液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)PLC傳輸至閘站監(jiān)控系統(tǒng)PLC，液壓啟閉機(jī)采用單比例調(diào)速閥控制等，降低了閘門遠(yuǎn)控失敗率。

經(jīng)過閘門開度儀、PLC優(yōu)化、比例閥等設(shè)備改造后，有效提高了閘門遠(yuǎn)控成功率，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，效果良好。