分層取水閘門(mén)實(shí)施自動(dòng)化作業(yè)的控制策略研究

蔣從軍,張建,彭家彬,蔡夏渝

(中國(guó)水利水電夾江水工機(jī)械有限公司,四川樂(lè)山,614100)

建于高山峽谷地區(qū)的水電站,其庫(kù)區(qū)水溫分層現(xiàn)象明顯。為了滿足電站下游魚(yú)類(lèi)棲息生境保護(hù)要求,電站進(jìn)水口需盡量取用水庫(kù)的表層水,因此應(yīng)采取適當(dāng)措施控制電站進(jìn)水口取水范圍,滿足下游河道對(duì)電站下泄水流溫度的要求[1]。有些電站設(shè)置的分層取水閘孔及閘門(mén)數(shù)量較多[2],以至于操作閘門(mén)的作業(yè)時(shí)間長(zhǎng),勞動(dòng)強(qiáng)度大,工作風(fēng)險(xiǎn)較高,有必要采取自動(dòng)化作業(yè)的運(yùn)行模式進(jìn)行分層取水閘門(mén)操作,以提高工作效率,減小勞動(dòng)強(qiáng)度,降低安全風(fēng)險(xiǎn)。本文以某電站進(jìn)水口的智能化門(mén)式啟閉機(jī)項(xiàng)目為例,分析分層取水閘門(mén)進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)的控制策略和相關(guān)數(shù)據(jù)、信息、指令的技術(shù)解決方法,總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并提出相關(guān)建議。

1 智能門(mén)式啟閉機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 總體架構(gòu)

智能化起重機(jī)的應(yīng)用研究在我國(guó)正處在推進(jìn)階段[3],而水利水電行業(yè)也在門(mén)式啟閉機(jī)上提出了智能化的技術(shù)方案以解決個(gè)性化的作業(yè)需求。水電站的門(mén)式啟閉機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)門(mén)機(jī))主要由起升機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、小車(chē)架及門(mén)架結(jié)構(gòu)、閘門(mén)液壓抓梁等附件機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成,主要用于水電站平板門(mén)、疊梁門(mén)、攔污柵等閘門(mén)的吊運(yùn)和安裝工作。本項(xiàng)目門(mén)機(jī)的智能化功能,包括:豐富的傳感器/檢測(cè)裝置,具備廣泛的感知能力;有精準(zhǔn)的定位能力,可以實(shí)現(xiàn)10mm級(jí)別的位置控制精度;具備自動(dòng)路徑規(guī)劃和作業(yè)能力,可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)過(guò)程的全自動(dòng)化操作;管理服務(wù)系統(tǒng),具備故障專(zhuān)家診斷、維護(hù)專(zhuān)家服務(wù)能力,幫助用戶實(shí)現(xiàn)設(shè)備全周期管理。該門(mén)機(jī)控制系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu),硬件方面由現(xiàn)場(chǎng)感知層、采集監(jiān)控層和控制層構(gòu)成,軟件方面由接口層、業(yè)務(wù)功能層和數(shù)據(jù)庫(kù)層組成。門(mén)機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,該系統(tǒng)有PLC電控子系統(tǒng)、安全監(jiān)控子系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和智能門(mén)機(jī)的上位機(jī)系統(tǒng)。子系統(tǒng)均按模塊化設(shè)計(jì),彼此信息互聯(lián)互通但又各自獨(dú)立,不會(huì)因?yàn)榱硗獾南到y(tǒng)不能工作而影響自身的運(yùn)行。上位機(jī)系統(tǒng)還融合PLC電控系統(tǒng),安全監(jiān)控系統(tǒng),在線檢測(cè)系統(tǒng)的主要功能;后臺(tái)的管理服務(wù)系統(tǒng),由數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)平臺(tái)軟件系統(tǒng)構(gòu)成,基于本地服務(wù)器,提供數(shù)據(jù)匯集、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)引擎等功能,并根據(jù)數(shù)據(jù)分析提供可視化的設(shè)備管理功能,如故障專(zhuān)家診斷,維護(hù)專(zhuān)家服務(wù)等。

圖1 智能門(mén)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 控制方式和主要功能

門(mén)機(jī)工作模式有:手動(dòng)控制、微動(dòng)控制和智能控制(其中又分成預(yù)設(shè)定位控制和全自動(dòng)控制兩種模式)。智能化門(mén)機(jī)的控制仍基于手柄操作,符合起重機(jī)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、安全規(guī)范要求[4]。

(1)手動(dòng)控制:由司機(jī)進(jìn)行人為操作以控制門(mén)機(jī)運(yùn)行,這也是傳統(tǒng)的門(mén)機(jī)操作模式。

(2)微動(dòng)控制:是司機(jī)結(jié)合機(jī)構(gòu)手柄來(lái)啟動(dòng),根據(jù)預(yù)設(shè)控制時(shí)間,自動(dòng)停機(jī)。該功能可以使門(mén)機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)功能,達(dá)到10mm級(jí)別。

(3)預(yù)設(shè)定位控制:也是結(jié)合機(jī)構(gòu)手柄控制來(lái)啟動(dòng),達(dá)到預(yù)設(shè)位置坐標(biāo),自動(dòng)停機(jī)。預(yù)設(shè)定位坐標(biāo)在上位機(jī)軟件中設(shè)置,設(shè)有常用預(yù)設(shè)工位9個(gè),每個(gè)都對(duì)應(yīng)有大車(chē)定位坐標(biāo)、小車(chē)定位坐標(biāo)、起升定位坐標(biāo)。可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置,使用前選擇并確定工位。

(4)全自動(dòng)控制:其功能包括門(mén)機(jī)的運(yùn)行和閘門(mén)作業(yè)的操作控制。該模式基于自動(dòng)化的定位控制,可以按策略規(guī)劃實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化作業(yè)的閘門(mén)操作。在此工作模式下,操作人員只需推動(dòng)門(mén)機(jī)聯(lián)動(dòng)臺(tái)手柄使其處于非零位,自動(dòng)控制程序隨即啟動(dòng),PLC將按照上位機(jī)下發(fā)的指令,自動(dòng)執(zhí)行門(mén)機(jī)運(yùn)行和閘門(mén)操作的程序。

2 自動(dòng)化閘門(mén)作業(yè)的控制策略

傳統(tǒng)的水電站閘門(mén)作業(yè),意味著閘門(mén)在儲(chǔ)門(mén)槽到閘門(mén)孔之間的往復(fù)吊裝、運(yùn)輸、安裝就位等系列動(dòng)作,由管理人員在地面指揮門(mén)機(jī)運(yùn)行并協(xié)同閘門(mén)運(yùn)行工作人員共同完成。自動(dòng)化的門(mén)機(jī)運(yùn)行和閘門(mén)作業(yè),作為智能門(mén)機(jī)的功能之一,其目的就是實(shí)現(xiàn)電站分層取水閘門(mén)的全自動(dòng)化作業(yè),不需要人員現(xiàn)場(chǎng)指揮,門(mén)機(jī)可以按規(guī)劃路徑和自動(dòng)運(yùn)行并完成全工序動(dòng)作。為此,必須對(duì)分層取水閘門(mén)自動(dòng)化作業(yè)的控制策略和門(mén)機(jī)運(yùn)行的路徑規(guī)劃進(jìn)行深入研究,提出完善可行的解決方案。

2.1 閘門(mén)自動(dòng)作業(yè)的數(shù)字化基礎(chǔ)

水電站門(mén)機(jī)作為起重設(shè)備,閘門(mén)是其主要的操作對(duì)象。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的閘門(mén)作業(yè),首先需要為門(mén)機(jī)/閘門(mén)建立一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)體系,為方便識(shí)別和轉(zhuǎn)換,統(tǒng)一采用大壩坐標(biāo)體系的標(biāo)識(shí),將大車(chē)上游側(cè)軌道基準(zhǔn)點(diǎn)與該門(mén)機(jī)副小車(chē)軌道基準(zhǔn)設(shè)定為門(mén)機(jī)/閘門(mén)坐標(biāo)系的原點(diǎn),將大車(chē)左行方向設(shè)定為坐標(biāo)X方向,將小車(chē)后行方向設(shè)定為坐標(biāo)Y方向,將起升機(jī)構(gòu)設(shè)定為Z,其方向與大壩高程一致,如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)系

其次應(yīng)進(jìn)行數(shù)字化編碼,將閘門(mén)、門(mén)孔、儲(chǔ)門(mén)槽、門(mén)機(jī)和大壩坐標(biāo)都進(jìn)行編碼。圖3為分層取水閘門(mén)編碼示意,其中“LSG-15-10”表示:左岸1號(hào)進(jìn)水塔5號(hào)閘孔第10節(jié)疊梁門(mén)。

圖3 分層取水閘門(mén)編碼示意

最后根據(jù)門(mén)機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu),確定以工控機(jī)為核心,利用人機(jī)界面作為指令數(shù)據(jù)來(lái)源,連接數(shù)據(jù)庫(kù)和PLC,按規(guī)劃策略生成各項(xiàng)作業(yè)表單,提交控制系統(tǒng)執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)閘門(mén)作業(yè)的自動(dòng)化運(yùn)行。

2.2 典型的控制策略

將各閘門(mén)的操作流程數(shù)字化并確定相關(guān)控制策略,設(shè)計(jì)為程序模塊,通過(guò)工控機(jī)軟件控制門(mén)機(jī)運(yùn)行完成自動(dòng)化作業(yè)。以分層取水閘門(mén)自動(dòng)化作業(yè)為例,典型的控制策略如圖4所示。

圖4 分層取水閘門(mén)控制策略

對(duì)應(yīng)的工控機(jī)界面操作流程如下:

(1)填寫(xiě)閘孔坐標(biāo)表:根據(jù)閘孔編號(hào)填寫(xiě)閘孔、儲(chǔ)門(mén)槽(兩個(gè))的X坐標(biāo)(大車(chē)方向)和Y坐標(biāo)(小車(chē)方向)。

(2)填寫(xiě)閘門(mén)狀態(tài)表:根據(jù)閘孔編號(hào)填寫(xiě)當(dāng)前閘孔內(nèi)所含有的閘門(mén)數(shù)量,表格可以進(jìn)行人為修改,目的是在進(jìn)行自動(dòng)作業(yè)前,確保閘孔內(nèi)閘門(mén)實(shí)際數(shù)量和表格內(nèi)一致。

(3)填寫(xiě)作業(yè)對(duì)象表:根據(jù)閘孔編號(hào)填寫(xiě)目標(biāo)閘門(mén)數(shù)量,也就是自動(dòng)程序運(yùn)行完畢后閘孔內(nèi)的閘門(mén)數(shù)量,表格可以進(jìn)行人為修改,例如:將目標(biāo)閘門(mén)節(jié)數(shù)填寫(xiě)6,則表示該閘孔內(nèi)有6節(jié)閘門(mén)。

(4)自動(dòng)生成作業(yè)計(jì)劃表:由工控機(jī)根據(jù)閘門(mén)狀態(tài)表和作業(yè)對(duì)象表自動(dòng)生成,含閘孔編號(hào)、作業(yè)類(lèi)型、提門(mén)/放門(mén)數(shù)量、提門(mén)/放門(mén)開(kāi)始的節(jié)號(hào)。

(5)自動(dòng)生成工單表:工控機(jī)根據(jù)作業(yè)計(jì)劃表自動(dòng)生成工單。工單表也是操作指令集,包括工序、閘門(mén)編號(hào)、作業(yè)、運(yùn)行的坐標(biāo)軸、完成狀態(tài)、閘門(mén)數(shù)量統(tǒng)計(jì)、工單創(chuàng)建時(shí)間、各步工序的完成時(shí)間。

(6)自動(dòng)下載工序:工控機(jī)根據(jù)工單表,依次下發(fā)各工序給下位機(jī)PLC,下載工序表和工單表。

(7)PLC執(zhí)行:司機(jī)操作右聯(lián)動(dòng)臺(tái)手柄,使其處于非零位,PLC將根據(jù)工控機(jī)下載的工序表中指令進(jìn)行全自動(dòng)化運(yùn)行,直到工單執(zhí)行完畢或者手柄回零,設(shè)備才停止運(yùn)行。

3 閘門(mén)自動(dòng)化作業(yè)的工序指令

根據(jù)上節(jié)所述策略,門(mén)機(jī)的工控機(jī)建立了與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。這里采用的是SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)。閘門(mén)自動(dòng)化作業(yè)的工序指令通過(guò)Transact-SQL語(yǔ)言編寫(xiě)的應(yīng)用程序由數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)生成,Transact-SQL代碼是SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)的核心。Transact-SQL語(yǔ)言(簡(jiǎn)稱(chēng)T-SQL)是結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言的增強(qiáng)版本,與多種ANSI SQL標(biāo)準(zhǔn)兼容,而且在標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上還進(jìn)行了許多擴(kuò)展。T-SQL語(yǔ)言在具有SQL的主要特點(diǎn)的同時(shí),還增加了變量、運(yùn)算符、函數(shù)、流程控制和注釋等語(yǔ)言的元素,使得T-SQL更加強(qiáng)大,可以實(shí)現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的查詢、操作和添加功能[5]。

3.1 工單表

操作者將各個(gè)閘孔坐標(biāo)寫(xiě)入閘孔坐標(biāo)表,填寫(xiě)閘門(mén)狀態(tài)表,并設(shè)置作業(yè)對(duì)象表。通過(guò)工控機(jī)的數(shù)據(jù)輸入,數(shù)據(jù)庫(kù)將存儲(chǔ)相關(guān)的表單數(shù)據(jù),當(dāng)這些操作指令或數(shù)據(jù)滿足數(shù)據(jù)庫(kù)觸發(fā)器的條件后,通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)置的算法程序,結(jié)合閘門(mén)狀態(tài)表和作業(yè)對(duì)象表數(shù)據(jù),自動(dòng)生成作業(yè)計(jì)劃表,然后根據(jù)閘孔坐標(biāo)表和新生成的作業(yè)計(jì)劃表,再經(jīng)邏輯運(yùn)算,自動(dòng)生成工單表,它也是閘門(mén)自動(dòng)作業(yè)的工序操作指令集。生成的作業(yè)計(jì)劃表和工單表可通過(guò)工控機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的連接而在人機(jī)界面上呈現(xiàn)。圖5顯示一個(gè)典型的工單表。表中的行為步序,表中的列分別為閘門(mén)、作業(yè)類(lèi)型、運(yùn)行軸、完成狀態(tài)、坐標(biāo)值、閘門(mén)狀態(tài)、時(shí)間狀態(tài)。

圖5 典型工單表

通過(guò)SQL Server中的T-SQL編程語(yǔ)言可設(shè)計(jì)出自動(dòng)形成工單表的程序,激活觸發(fā)器調(diào)用程序,可實(shí)現(xiàn)圖5所示工單表的相應(yīng)數(shù)據(jù)處理。

3.2 工序指令的執(zhí)行和記錄

工單表生成后,工控機(jī)根據(jù)內(nèi)置的下載程序,依次下發(fā)工單表的工序指令給下位機(jī)PLC,同時(shí)還進(jìn)行通信校核。PLC接收到下載的工序指令后,即執(zhí)行相應(yīng)的操作,在執(zhí)行過(guò)程中,會(huì)實(shí)時(shí)通過(guò)工控機(jī)向數(shù)據(jù)庫(kù)反饋更新工序數(shù)據(jù)表,當(dāng)PLC完成該項(xiàng)操作后,數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)給出下一步需要操作的工序指令,工控機(jī)更新下載并發(fā)送給PLC。

在PLC完成了動(dòng)作,將完成信息返回?cái)?shù)據(jù)庫(kù)時(shí),工單表完成狀態(tài)置1,表示PLC已經(jīng)執(zhí)行完成上一次下發(fā)的工序步驟;這時(shí)會(huì)激活數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)置程序,進(jìn)行數(shù)據(jù)備份,并獲取當(dāng)前時(shí)間,將上一步的數(shù)據(jù)信息及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)一并儲(chǔ)存記錄,生成歷史工單表以備后續(xù)查詢。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用T-SQL數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言,開(kāi)發(fā)編寫(xiě)具有特定功能的數(shù)據(jù)庫(kù)程序,實(shí)現(xiàn)了水電站分層取水閘門(mén)的路徑規(guī)劃和自動(dòng)化運(yùn)行的數(shù)據(jù)連接和信息處理,拓展了水電站門(mén)機(jī)的智能化應(yīng)用功能。從智能門(mén)機(jī)的自動(dòng)化操作分層取水閘門(mén)的實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看,自動(dòng)化作業(yè)的閘門(mén)工序周期短,比人工操作節(jié)約40%時(shí)間;并且還減少了現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)人數(shù),有效降低了工作風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度,也節(jié)省了運(yùn)行成本。今后,應(yīng)繼續(xù)研究智能門(mén)機(jī)的工控機(jī)軟件系統(tǒng)與水電站管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接問(wèn)題,確定交互數(shù)據(jù)的協(xié)議,實(shí)現(xiàn)水電站運(yùn)管調(diào)度中心與智能門(mén)機(jī)通信,進(jìn)一步提升水電站的自動(dòng)化、信息化應(yīng)用融合水平。