水閘控制系統的應用

盧少同 ，李志芹 ，信 權

（1.天津市引灤工程爾王莊管理處，天津 寶坻 301802；2.引灤工程潮白河管理處，天津 寶坻 301800）

在我國所有的河道中，水閘是不可缺少的設施，并起到了非常重要的作用。近幾年來，現有的水閘升降控制系統已不適應現行工程管理標準，為此，必須對原系統進行改造。

1 水閘升降控制現狀

1.1 基本情況

引灤工程是一項關系到國計民生的大項目，由天津市政府投入巨資興建。為把水源有計劃地調入，在引灤入津工程中興建了大量水閘。每個水閘至少由兩個閘門組成，且由專門機構和專職人員進行管理。

1.2 水閘升降控制原理及過程

每道閘門由一臺三相異步電機做動力，經過制動機構、減速機構帶動升降機構和閘門。其原理和控制過程是：利用外接電位器電阻值大小反應閘門的位置；外接電位器滑線端與一個大槽圓盤連接；減速機械轉動帶動小槽圓盤轉動，經過線皮帶驅動大槽圓盤轉動，然后帶動滑線變阻器，其電阻值變化轉換為電壓變化，經過雙積分A/D轉換器變成數字量，驅動數碼管顯示閘門升降位置。水閘升降定位是通過預先設定一個電壓值（與水閘高度對應），此電壓值經過比較器驅動繼電器，切斷電器自鎖電路，電機停止轉動。整個控制過程原理框圖1所示。

圖1 控制過程原理圖

圖1中可見，水閘上升時帶動滑動變阻器微型絲杠正轉，電阻值增加，V值增大，反之，水閘下降時，V值減少。VR為高度設置電壓。來自滑動電阻器上的電壓高于或低于VR值時，比較器輸出高或低電平，切斷自鎖電路，停止電機轉動。電機正、反轉和停止操作，則通過外部按鍵手工操作。

1.3 水閘控制存在的問題

基于當時的電子技術水平，引灤工程水渠閘升降控制采用目前的控制方案，無論從成本上還是從環境和當時的控制要求上是基本合理的。但是，隨著時間的推移，這種控制方式暴露出的缺點主要有：

1.3.1 可靠性差、誤差大

用滑動變阻器模擬水閘升降位置，可靠性差、誤差大。主要原因：①由于滑動變阻器活動端是靠皮帶線輪帶動的，很容易受外界擾動，使滑動端位置變化，造成整個升降過程位置定位不準。②滑動變阻器實質是一個多電圈電位器，其阻值和轉動圈數總是有限的。因此，滑動端每轉一圈，其阻值變化應與相應的水閘升降高度嚴格一致。這在實際中是很難實現。③滑動變阻器磨損大、易損壞。這個缺點造成故障率高、控制失靈或損壞。同時，滑動端因磨損，造成接觸不良，使電阻值變化不連續，結果造成水閘位置顯示出跳躍現象。④由于閘門本身的自重，造成水閘上升速度和下降速度的差異，簡單地由一個滑動變阻器模擬水閘升降高度，影響了水閘的精確定位。

1.3.2 控制操作麻煩，自動化程度低

控制器采用分離元件制成，無記憶和定時功能，水閘的位置高度控制是靠預先電路設定完成的。這種控制器只能在水閘一定高度內起作用。一旦水閘進入極端位置，電位器活動端進入到盡頭，控制器便失去控制能力。這時只有靠人工點動完成定位。此外，一些特殊操作要求，如：水閘鎖定操作，鋼絲繩左右擺度控制，也只能靠人工手動操作完成，而且完成該項操作至少需要一人在水閘上，一人在水閘下，相互配合才能完成操作。

1.3.3 控制器抗干擾能力差

控制器僅在接觸器部分閉合觸點處加裝了消拉弧措施，無法采用軟件技術消除干擾（分離元件電路所至），時常出現外界干擾源干擾顯示器工作的現象和電機正、反轉控制失控的問題。

1.3.4 控制器互換性、通用性差

控制器互換性和通用性差的主要根源在位置取樣電位器上。位置取樣電位器是一個特殊制作的非標準元件，一旦磨損壞，除了控制器生產廠家外，用戶買不到替換電位器，加上這種電位器故障率高，給用戶維修帶來了很大不便。

2 水閘升降定位控制工作原理

引灤水渠縱橫交叉，水閘分布距離大，且處于露天環境，且在廣大鄉村地區。因此，水閘升降控制系統不宜采用外接傳感器來采集閘門位置、鋼繩松緊程度的信息。主要因為考慮到外接傳感器帶來的諸多弊端，如成本增加、維修維護費用增加、外接引線接頭的自然銹蝕、雨水造成的短路和人為因素破壞等。

考慮到上述因素和向下兼容功能，為了能夠達到引灤考核標準，選用了一種新型的“水閘升降定位智能控制”儀器。該系統在不接任何外部傳感器的條件下，采用微控制器作智能控制部件，利用微電腦的精確計時功能，根據水閘行程H=Vt關系，在預先設定H下，根據上升、下降或標定、鎖定外給信息，自動完成水閘升降或完成特殊操作，如標定、鎖定、鋼絲繩松緊控制操作。新一代控制器具有上升、下降和位置識別和記憶功能，在外部指令下能方便實行標定、鎖定、鋼絲繩松緊控制操作。新一代控制器中除了必要的硬件抗干擾設計外，還配有“看門狗”電路和軟件抗干擾程序設計，一旦出現干擾，控制器能及時儲存水閘的當前位置和工作狀態。

3 水閘升降定位智能控制適用范圍及特點

3.1 適用范圍

凡是應用三相異步電動機做動力實現水閘或其他裝置升降定位控制的部門或行業均可采用此儀器。

3.2 水閘升降定位智能控制的特點

3.2.1 控制器操作方式

該控制器不僅增加了自動控制功能，而且還保留原控制器的手動操作功能，方便職工熟悉新儀器和完成操作任務。

3.2.2 新舊控制器相互兼容功能

該控制器在功能上、外形尺寸、控制方式、連接方式等方面都能與原控制器進行兼容。這樣給在選擇儀器方面有了很大空間。為今后大批量改造帶來了諸多方便，而且減少了一定的開支，達到了經濟運行的效果。

3.2.3 升降定位控制功能

該儀器在自動控制系統中，根據水閘現場實際情況設定為3種：

①閘門下降到底部時，設定為標定。

②將閘門上升到極限位置時，設定為鎖定。

③任意位置控制。該功能主要是為了方便職工在操作中的習慣性，可避免誤操作，確保安全輸水。

3.2.4 定位精度

水閘最大行程為2.54m。在該行程下誤差≤1%。

3.2.5 位置記憶功能

設置水閘位置記憶功能，其目的是停電后開機或進行下一個動作時給操作者提供當前水閘所處位置的信息，以便在此基礎上進行升降高度決策，同時也時給控制系統一個水閘高度信息，以次高度為基礎，計算給定升降高度所需的時間。

實現水閘位置記憶的功能，該儀器采用日歷時鐘芯片FC8583來完成。 利用FC8583內部1K靜態RAM（1×1024位）空間，隨時保留任何一操作下的水閘位置。

3.2.6 鋼絲繩擺度控制功能

自動操作系統中，在完成零點位置標定和極限位置鎖定兩種狀態下的操作后，能夠準確地保證鋼絲繩最大左右擺幅小于等于±15cm（主要依據引灤工程考核標準）

3.2.7 自動鎖定功能

當水閘由標定位置升至到解鎖位置時，需要人工進行穿鎖杠，2min后，計算機自動控制水閘下降，到達鎖定位置，并使鋼絲繩的左右擺幅小于等于±15cm。這樣減少了工作量，而且也為日常管理工作帶來了諸多方便。

3.2.8 不用外接傳感器功能

在不用任何外部傳感器的條件下，采用微控制器做智能控制部件，利用微電腦的精確計時功能，根據水閘行程H=Vt關系，在預先設定H下，根據上升、下降不同速度或標定、鎖定外給信息自動完成水閘升降或特殊操作。

3.2.9 采用液晶顯示

3.2.10 采用菜單提示、人—機對話操作功能

該功能由鎖定到標定操作進行演示:

（1）先接通儀器電源，再接通電機電源；

（2）儀器電源接通后，進入主菜單，主菜單顯示畫面。手動保留了原設備由人工方法進行水閘升、降、停的操作，自動則由計算機控制水閘的升、降、停動作。

（3）由鎖定到標定。①按動主菜單上的自動按鍵，進入“標定？”“鎖定？”“工作？”畫面。②若水閘位置在解鎖位置，按動標定按鈕，出現下降的畫面，顯示根據下降的時間和高度值，畫面上不斷顯示時間T和高度H的值，直到水閘達到標定位置，電機停轉，顯示“上調？”或“下調？”畫面。此提示為鋼絲繩松緊的粗調提示。訩按“YES”鍵，計算機自動執行點動操作，使閘門下行或上行。按“NO”鍵，停止上調或下調。訪只要執行一次“上調”或“下調”操作，計算機就反復詢問“上調？”“下調？”，一直到按動“NO”鍵停止上調、下調，進入調節鋼絲繩松緊的細調畫面。③若水閘在下降時需暫停下降，可以按動面板下的手動“停止”按鍵。顯示屏停止刷新顯示，固定顯示已下降的時間和已下降的高度。直到按動面板上“確認”按鍵，水閘繼續在當前時間和現高度下，執行下降操作。④調節鋼絲繩松緊的細調畫面“松嗎？ ”“緊嗎？ ”。 按“YES”或“NO”按鈕，計算機根據提示在提升水閘時，考慮鋼繩的松緊，決定提升高度，以校正由于鋼絲繩的鋼性等外界因素影響下降速度造成降落高度的誤差。

3.2.11 控制器具有較強的抗電磁干擾功能

（1）提高電源抗干擾能力。據統計分析，70%左右的干擾是從的電源藕合而來的，因此提高電源的質量很關鍵。本系統采取以下措施：加電源低通濾波器和隔離變壓器共同來完成。加電源濾波器僅允許50HZ交流通過，對混入的高頻和中高頻（100～3000kHZ）干擾電壓由較好的衰減作用，是提高抗干擾性能的關鍵。電源變壓器一次和二次線圈間加靜電屏蔽層，同時將變壓器進行磁屏蔽以減少漏磁通的影響。

（2）抑止執行僅夠動作回饋的干擾。對于交流接觸器的常閉、常開觸點，采用RC方法。電容器C把觸點斷開的電弧電壓到達最大值的時間推遲到觸點完全斷開，用來抑制觸點間放電，用電阻R抑制觸點閉合時的短路電流。

（3）接地防止干擾。接地在消除干擾上起很大作用。本系統中把交流地線、直流地線、模擬地和數字地嚴格分開。具體的講，即指模擬電路地與數字電路地分開接地，然后匯合成一點。繼電器大電流地單獨引至接地點。印刷版上地線形成足夠寬度的網絡狀，以減少各地線點之間的電位差。

（4）控制程序的監視保護。采用上述措施只能在一定程度上起抗干擾作用，但不能完全消除干擾，仍可能會使該機控制失控。本設備采取了軟硬件相結合的辦法，如：555時基電路程序監視器，對程序實行監視，一旦程序失控，便可自動復位保護。

4 水閘升降系統改造后的實際效果

水閘升降系統改造后經過這一年的運行效果很好。

（1）該控制器采用的是微電腦的計時、記憶、判斷和運行的功能，很好地保證了該控制器的控制定位精度，及時準確地完成了全年的所有操作任務。

（2）該控制器具有很好的抗干擾功能，使該控制器在這一年多的運行中從來沒有造成程序跑飛、死機、CPU丟失信息等現象，很好地完成了全年的工作任務。

（3）該控制器沒有采用任何的外接位置、水位、位移等傳感器，從而減少了故障率的發生，可以降低使用成本，并且該控制器在保養方面也很方便。

（4）該控制器具有自動鎖定功能，使工作人員在進行水閘操作時，完全能夠一次性操作成功，而不必由兩個人協作完成操作。這樣，在日常的管理工作中，既減少了工作人員的工作量，又減少了勞動支出。

5 結語

該系統在提高水閘管理水平上，有很重要的作用。另外根據設備的不同，其提高水閘管理水平的途徑也各不相同。在爾王莊管理處的應用有一定的通用性，值得借鑒與參考。

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