探討水閘電氣設備控制系統應用

付 煜

（佛山市科誠工程監理有限公司，廣東 佛山 528000）

水利工程在國民經濟發展中占有十分重要的地位和作用，且關系到國家的經濟建設，以及人民的生命、財產安全等重大社會問題。水閘電氣設備的控制作為水利工程建設與管理的基本要素，在水利工程管理中占有重要的作用。因此，如何增強大中型水閘電氣設備控制方法的科學化和現代化，就成為水利工程成敗的關鍵所在。

1 水閘電氣控制的內容及要求

大中型水閘是水利樞紐工程的重要建筑物，由于其地位重要、投資巨大，大中型水閘電氣控制應以充分保證水閘運行安全、及時準確測量運行數據、便于操作控制為原則，大中型水閘電氣控制內容包括以下幾個方面：①啟閉機電機的正轉、停止、反轉控制，啟閉機電機的過載、斷相及短路保護，啟閉機電機的工作參數監視和監測；②水閘上下游水位的測量、顯示、比較及數據傳送；③閘門開啟高度的測量、顯示、控制及數據傳送；④閘門啟閉過程中最下安全位和最上安全位的限位控制；⑤通過水閘的即時流量和累計水量的計算、顯示及數據傳送；⑥閘上照明及其他動力用電的供給。

上述6個方面的控制內容應有機地結合在一起，且組成的控制系統應具有開放性和兼容性，即對水閘電氣控制需要增加的內容留有必要的接口，以滿足技術進步的要求。

2 大中型水閘電氣控制的一、二次回路

現有大中型水閘的啟閉形式大多為卷揚式。啟閉機中使用的三相交流異步電機的功率為3～15 kW。電氣控制的一、二次回路首先要實現電源控制，使電機能正向旋轉或反向旋轉；其次，要能對電機本身的過載、短路、斷相等非正常工況進行保護，還要為閘門啟閉的上、下限位控制；閘門啟閉高度的自動控制；閘門啟閉過程的集中控制、遠程控制或遙控提供相應的接口等。

3 二合一精密行程開關

目前所使用的主令控制器，絕大部分是純機械結構，其傳動結構為蝸輪蝸桿。它的缺點是調節困難；調節時上、下限互相影響；費工費時；控制精度差；控制點會偏移：復位行程大（25 cm以上）等。

最新的技術是采用長絲桿傳動機構，將電子接近開關和機械行程開關合二為一構成二合一精密行程開關。這種精密行程開關具有重復定位精度高（0.10 mm）；調節方便；復位行程短（不超過10 cm）；容易構成兩級保護；可靠性高；壽命長；安裝簡易等一系列突出優點，是應用于水利工程中取代老式主令控制器的更新換代產品。

二合一行程開關結構原理。長絲桿通過齒輪付與閘門啟閉機減速器輸出軸相連接，在閘門上升或下降的過程中，長絲桿也跟著一起正轉或反轉，從而帶動長絲桿的圓螺母沿絲桿軸線左右移動。圓螺母上有電子接近開關的觸發器件，當圓螺母右移至上限電子接近開關附近時，上限電子接近開關動作，與其對應的常閉觸點打開；如圓螺母繼續右移，則上限機械行程開關動作，其常閉觸點打開。對于圓螺母左移的情況，與上述類似。在圓螺母左移過程中將分別使下限電子接近開關和下限機械行程開關動作。

4 閘門開度傳感器

根據輸出信號的類型，閘門開度傳感器可分為模擬式和數字式。

早期的模擬式閘門開度傳感器一般以精密線繞多圈電位器作為傳感器件。這種傳感器的優點是結構簡單、成本低廉，且信號傳輸只需要三芯電纜，傳輸費用低，系統停電不會丟失閘門開度信號。其不足是電信號有一定的溫漂，但基本滿足水利工程中測量閘門開度的要求。

數字式閘門開度傳感器又分為計數式和直接編碼式兩種。計數式傳感器的工作原理是對閘門啟閉機某一轉動軸的角位移通過計數脈沖進行計數，以某一方向的角位移為正進行加計數，以相反方向的角位移為負進行減記數。記錄脈沖可由光電器件、干簧管或霍爾器件產生。數據的記錄過程和保存都需要有電源支持，傳感器中一般備有可以浮充電的電池。其輸出的數據格式可以是二進制、BCD碼或格雷碼。這種傳感器的使用可靠性主要取決于充電電池，一旦電池失效則該傳感器中的數據將全部丟失。因這種傳感器存在影響可靠性的隱患，故這種計數式閘門開度傳感器一般不宜推廣使用。

5 閘門開度數顯控制儀

大中型水閘啟閉過程中需要掌握的基本數據之一就是閘門啟閉開度，閘門開度數顯控制儀（簡稱閘高儀）一般不僅可以測量、顯示閘門的開度，而且還可以通過預先設定，將閘門自動控制到欲啟閉到的開度，從而方便了閘門啟閉的控制。根據是否使用計算機芯片，可將閘高儀分為智能型和非智能型；根據輸入信號的類型，閘高儀分為模擬式和數字式兩種。模擬式非智能型的閘高儀，由于其功能少，對傳感信號的處理結果受溫度影響，閘門開度數據不易遠距離傳輸等，將逐步被淘汰。相反，數字式智能型閘高儀，由于其中使用了計算機芯片（一般為單片機），其許多功能可以通過軟件來實現，并且它的輸入信號一般是由對閘門位移直接進行數字編碼的傳感器提供，因此，這種閘高儀測量精度高，沒有溫度漂移和時間漂移問題，功能多，且可直接將有關數據進行雙向傳輸，是今后的發展趨勢。這種閘高儀的具體功能如下：①可適應3種閘門型式：單扇平板閘門，上下扉雙扇平板閘門，弧形閘門；②可對與之相連的傳感器進行率定，從而可確保閘高儀測量閘門開度的精確度；③在閘門的安全啟閉高度范圍內可任意設定上下限值，并當閘門開度等于上下限值時能給出對應的上下限繼電器觸點，利用這些觸點可以自動控制閘門到任意設定的某一開度；④能任意設定上下限動作的提前量，以消除啟閉系統的機械和電氣慣性，達到精確控制的目的；⑤可以專門設定閘門啟閉的最高限和最低限，用以對閘門啟閉的安全范圍做進一步限定；⑥提供閘高信號的RS－485接口和并行接口，方便其它系統的數據采集。

6 水位傳感器和水位儀

最原始的測量水位的方法是使用水尺。雖然這種測量方法較準確，但使用不方便，容易產生讀數誤差，最主要的是不能實現數據的遠傳，故這種方法今后只應作為一種水位基準來使用。

使用電氣方法測量水位的水位儀，由水位傳感器和水位顯示儀組成，兩者之間由信號傳輸線相聯系。目前常用的水位傳感器有壓力式傳感器和碼盤式傳感器。壓力式傳感器是利用半導體單晶硅在外力的作用下其阻值發生變化的原理制成的，利用這種傳感器可加工成“投入式液位變送器”，使用時將它直接投入被測液體中，十分方便。這種變送器的輸出電流一般為4～20 mA，信號線僅需2芯電纜，故信號傳輸費用少；由于其體積小，直徑一般在30 mm左右，故在現場安裝時無需建造專用的測井，因而節省費用。壓力式傳感器的缺點是存在時漂和溫漂，且密封工藝不成熟，使用壽命較短。

7 計算機應用

隨著計算機技術突飛猛進的發展，在大中型水閘控制應用中利用計算機技術來實現數據采集、數據處理、數據傳送等已成為必然。

目前計算機技術在大中型水閘中的應用，既有使用單片機組成水閘工況綜合測控系統的，也有使用工控機來組成系統的。在功能的實現上兩者都能達到相同目的。使用單片機的方法在開發上比使用工控機難度更大，但單片機成本低，在現有經濟條件下具有一定優勢，而工控機在操作界面、數據處理方面比單片機系統開發容易得多。今后計算機技術的應用推廣不僅與現有控制內容不矛盾，而且還依賴于現有技術。閘門開高數顯控制儀為計算機提供了閘高信號，水位儀為計算機提供了水位信號，這些信號是計算流量和累計水量的依據，也為計算機進一步處理、傳送水位、閘高數據提供了來源，所以隨著社會經濟的進一步發展，應逐步在大中型水閘中安裝閘高、水位測量控制儀器，并在此基礎上實現計算機的綜合應用。