水庫閘門泄洪遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郎 濤

(安寧市水務(wù)局，云南 安寧 650300)

水利工程中，通常會(huì)在關(guān)鍵進(jìn)出口等要道設(shè)置各類閘門，用于保障水庫順利完成防洪等任務(wù)，維護(hù)水庫的安全和效益[1-3]。隨著技術(shù)的革新和發(fā)展，對于閘門的控制逐漸從手動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)監(jiān)控閘門的啟閉，經(jīng)過不斷發(fā)展，逐漸實(shí)現(xiàn)了閘門的實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)控制[4]。但是，隨著水情水調(diào)的變化和流域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對水庫閘門的控制要求越來越高，以往的控制手段越來越難以滿足實(shí)際的控制需求[5]。

近年來，水資源短缺問題愈加明顯，水資源的合理管理和發(fā)展受到越來越多人的重視，閘門的精確控制是科學(xué)管理水資源的重要保障[6]。國外在閘門控制上的研究有很多經(jīng)驗(yàn)，如美國的某自動(dòng)化控制系統(tǒng)，能夠同時(shí)控制大量閘門的運(yùn)行，其他一些國家在閘門自動(dòng)化方面集成度較高，有很多成功的案例，有很多成功的經(jīng)驗(yàn)值得借鑒[7]。在國內(nèi)，水庫閘門的控制研究與發(fā)展不是很完善，一些常規(guī)的閘門控制系統(tǒng)控制精確度較低，距離理想的智能化控制還有一些距離。如文獻(xiàn)[8]提到的基于無線智能節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，在內(nèi)部模塊布置了多個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)和綜合態(tài)勢顯示，能夠在閘門控制中通過節(jié)點(diǎn)回傳目標(biāo)狀態(tài)信息，以便及時(shí)發(fā)出合理的控制指令，在實(shí)際應(yīng)用上，受到通信距離的影響，控制指令的傳輸存在較高的延遲，系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)性需要進(jìn)一步提高。文獻(xiàn)[9]中提到的基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC的閘門系統(tǒng)也存在類似的問題，該系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和PLC實(shí)現(xiàn)控制器的設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程無線通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閘門的遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)在運(yùn)行上十分穩(wěn)定，但是對于遠(yuǎn)程通信延遲的問題并沒有很好地解決，系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性同樣存在不足。因此，本文提出自動(dòng)泄洪的水庫閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以解決上述常規(guī)的控制系統(tǒng)中存在的問題。

1 自動(dòng)泄洪的水庫閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在水庫閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)上，借鑒以往使用的控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)(見圖1)，針對其中的部分環(huán)境展開設(shè)計(jì)研發(fā)。

圖1 閘門控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到在閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)良好的控制效果離不開控制模塊的支持，因此針對圖1中顯示的控制模塊展開設(shè)計(jì)。

1.1 現(xiàn)場控制單元設(shè)計(jì)

對于控制模塊，分兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，一部分是現(xiàn)場控制單元設(shè)計(jì)，另一部分是傳感器的安裝設(shè)計(jì)。對于現(xiàn)場控制單元設(shè)計(jì)，選用限位開關(guān)、觸摸屏、步進(jìn)電機(jī)等硬件組成控制單元[10](見圖2)。

圖2 閘門現(xiàn)場控制單元硬件結(jié)構(gòu)

圖2中使用的PLC型號為CPU315-2DP/PN，方便構(gòu)建容錯(cuò)系統(tǒng)；每一個(gè)控制柜均采用PROFIBUS通信，通過電纜將其與觸摸屏連接在一起，形成通信網(wǎng)絡(luò)，各控制柜采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)，以滿足多種寬頻需求。在上述設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，安裝閘門開度傳感器。

1.2 安裝傳感器設(shè)計(jì)

水庫閘門開度的自動(dòng)控制中，開度的大小是重要參數(shù)之一，只有獲得準(zhǔn)確的閘門開度，才能實(shí)現(xiàn)閘門開度的有效控制。為保證閘門開度自動(dòng)控制的安全運(yùn)行，使用靈敏度高、抗干擾性能強(qiáng)的傳感器測量閘門開度。具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

在硬件設(shè)計(jì)中，采用兩種傳感器監(jiān)測閘門遠(yuǎn)程控制信號，分別是絕對式傳感器和增量式傳感器(見圖3)。

圖3 傳感器安裝示意圖

圖3中顯示了兩種不同的傳感器在兩側(cè)油缸上的安裝情況，兩種傳感器的安裝分別實(shí)現(xiàn)了控制同步信號的傳輸和監(jiān)測數(shù)據(jù)到現(xiàn)場控制單元的可靠傳輸。當(dāng)閘門運(yùn)動(dòng)時(shí)，卷筒轉(zhuǎn)軸就會(huì)帶動(dòng)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，以拉線伸縮的位移作為依據(jù)，通過系統(tǒng)軟件部分可以計(jì)算出閘門開度，進(jìn)而控制閘門。同時(shí)，為了避免閘門出現(xiàn)損耗，將限位開關(guān)安裝在閘門運(yùn)行的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，當(dāng)閘門啟閉過程中達(dá)到限位時(shí)，提示報(bào)警，保證閘門和系統(tǒng)的安全。在上述硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，展開水庫閘門控制系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)。

2 自動(dòng)泄洪的水庫閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 閘門開度測量及同步糾偏

當(dāng)水庫閘門兩邊運(yùn)行不同步時(shí)會(huì)導(dǎo)致閘門無法開啟，為了避免這種錯(cuò)誤發(fā)生，在閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中測量閘門開度并對其進(jìn)行同步糾偏處理。

以控制精度為依據(jù)，將閘門有效行程內(nèi)的開度曲線劃分為多個(gè)直線段，這樣處理后可以把有限基點(diǎn)區(qū)間內(nèi)的曲線當(dāng)作基點(diǎn)之間連接的直線，從而建立閘門開度W的計(jì)算模型。公式如下：

(1)

式中X——讀取的液壓缸實(shí)際數(shù)值；

Xn——理論上的液壓缸位移數(shù)值；

Qn——各個(gè)區(qū)間開度的計(jì)算值，Q0=0，Qn表示最大行程開度；

n——區(qū)間分段數(shù)量。

由閘門開度的計(jì)算模型可知，液壓缸的初始位移讀數(shù)能夠在閘門全關(guān)閉情況下確定，根據(jù)上述計(jì)算公式即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控閘門開度的效果。

針對可能出現(xiàn)的閘門不同步的情況，采用同步控制原理，利用位置測量傳感器監(jiān)測兩端油缸的行程，通過產(chǎn)生的監(jiān)測信號判斷行程是否存在差異。如果兩端存在差異，通過軟件程序的邏輯判斷發(fā)出控制指令，消除油缸兩側(cè)的行程誤差，使其同步工作。另外，當(dāng)系統(tǒng)開始糾偏時(shí)，自啟門開始，判斷兩側(cè)油缸行程，出現(xiàn)行程偏差，則給定修正電壓，直到達(dá)到同步要求。確定閘門開度后，在遠(yuǎn)程通信模塊和通信協(xié)議的支持下，實(shí)現(xiàn)閘門的自動(dòng)控制。

2.2 閘門遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)

在閘門控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信設(shè)計(jì)上，利用Modbus協(xié)議定義一個(gè)能夠被控制器識別的消息結(jié)構(gòu)；在Modbus協(xié)議的支持下，每個(gè)控制柜都可以通過此協(xié)議找到目標(biāo)設(shè)備地址，根據(jù)地址的不同產(chǎn)生不同的行為；如果需要回應(yīng)，控制柜也是通過Modbus協(xié)議發(fā)出，實(shí)現(xiàn)控制柜與其他設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。

Modbus在數(shù)據(jù)傳輸上有兩種模式，根據(jù)實(shí)際需求選擇RTU模式或ASCII模式，在配置每一個(gè)控制柜時(shí)，用戶需要選擇合適的通信模式和通信參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳的數(shù)據(jù)交換。

在遠(yuǎn)程通信協(xié)議的支持下，計(jì)算閘門開度控制量，用于控制閘門啟閉。相關(guān)計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

式中u——閘門開度控制變量；

Td——控制回路的輸出；

wc——閘門開度。

式(2)的作用是防止閘門頻繁上升或下降造成閘門損耗，能夠使閘門升降更加科學(xué)，式(3)為整理后的計(jì)算公式，通過式(3)即可計(jì)算出最佳閘門開度控制量。至此，自動(dòng)泄洪的水庫閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成。

3 自動(dòng)泄洪的水庫閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在水庫閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，針對整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證系統(tǒng)的控制協(xié)調(diào)性，同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析證明系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用上各項(xiàng)功能正常。

以水庫閘門作為實(shí)驗(yàn)案例，在實(shí)驗(yàn)前，檢查現(xiàn)場控制柜線路電源是否正常，在保證電源供給正常后，設(shè)計(jì)水庫閘門控流，用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究(見圖4)。

圖4 閘門控流示意圖

為了保證實(shí)驗(yàn)中閘門流態(tài)勢自由出流的狀態(tài)，在圖中顯示的閘門位置設(shè)計(jì)堰體結(jié)構(gòu)，避免流量變化影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見圖5)。

圖5 堰體結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到實(shí)驗(yàn)中需要調(diào)整不同的流量，需要遠(yuǎn)程通信技術(shù)支持控制指令的傳輸。因此，在實(shí)驗(yàn)中對遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的通信部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。綜上所述，在水庫閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究中，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程通信同步實(shí)驗(yàn)和閘門開度精確度實(shí)驗(yàn)，通過這兩組實(shí)驗(yàn)分析控制系統(tǒng)的控制協(xié)調(diào)性。

3.2 遠(yuǎn)程通信同步實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在遠(yuǎn)程通信同步實(shí)驗(yàn)中，將水庫閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)布置在閘門和計(jì)算機(jī)上，連接同一個(gè)路由器，在各個(gè)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)置相同的IP地址。借助網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手設(shè)置本地端口和本地IP。設(shè)置完成后，利用計(jì)算機(jī)的命令控制臺測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接情況，在保證連接正常的情況下進(jìn)行各個(gè)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信同步實(shí)驗(yàn)。

控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信同步實(shí)驗(yàn)以閘門電機(jī)接收的控制信號延遲作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，延遲越高，說明控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信同步效果越差，延遲越低，說明控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信同步效果越好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。

上述實(shí)驗(yàn)設(shè)定目標(biāo)為100cm，控制電機(jī)以較高的速度向期望值運(yùn)行，達(dá)到期望值后輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。觀察圖6中顯示的結(jié)果可知，三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，基于無線智能節(jié)點(diǎn)的控制系統(tǒng)和基于物聯(lián)網(wǎng)的控制系統(tǒng)延遲較高，在電機(jī)向期望值運(yùn)行的過程中延遲波動(dòng)比較大，非常不穩(wěn)定，控制效果極差。相比之下，提出的自動(dòng)控制系統(tǒng)在經(jīng)過短時(shí)間的波動(dòng)后逐漸穩(wěn)定，并且延遲遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于另外兩種控制系統(tǒng)。綜上所述，提出的水庫閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信同步更明顯，在閘門控制上具有更好的控制效果。

圖6 不同控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信同步實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 閘門開度精確度實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在閘門開度精確度實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置不同流量，使用不同的控制系統(tǒng)執(zhí)行不同流量控制指令并求解最優(yōu)閘門開度，同時(shí)得到不同條件下的系統(tǒng)計(jì)算流量，將其與給定流量進(jìn)行相對誤差的計(jì)算，根據(jù)相對誤差計(jì)算結(jié)果，分析各個(gè)控制系統(tǒng)的閘門開度精確度(見表1)。

表1 閘門開度精確度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從最優(yōu)閘門開度結(jié)果和流量相對誤差兩方面分析各個(gè)控制系統(tǒng)的性能，隨著給定流量的增加，最優(yōu)閘門開度在不斷變大，三組結(jié)果相差并不大，理論上對自動(dòng)泄洪工作影響較??；但是在流量相對誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，基于無線智能節(jié)點(diǎn)的控制系統(tǒng)和基于物聯(lián)網(wǎng)的控制系統(tǒng)數(shù)值比較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于提出的自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。再結(jié)合最優(yōu)閘門開度實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合分析可知，三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，只有提出的自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠滿足對閘門開度精確度的需求，相對誤差低，閘門開度最佳，并且在遠(yuǎn)程通信方面也更加穩(wěn)定，提出的水庫閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中協(xié)調(diào)性優(yōu)于常規(guī)的控制系統(tǒng)。

4 結(jié) 語

本文以自動(dòng)泄洪的水庫閘門控制作為主要研究內(nèi)容，為了滿足閘門的實(shí)際控制需求，提出了自動(dòng)泄洪水庫閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，從硬件和軟件兩方面展開研究與分析，設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和功能。在系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)完成后，以常規(guī)的控制系統(tǒng)作為參考對象，通過遠(yuǎn)程通信同步實(shí)驗(yàn)和閘門開度精確性實(shí)驗(yàn)，證明了提出的控制系統(tǒng)應(yīng)用性能更好。但是，在實(shí)際工作中很容易受到外界天氣的影響，因此，在后續(xù)研究中，重點(diǎn)研究天氣因素對控制效果的影響，盡可能使控制系統(tǒng)更加完善。