閘門遠程監(jiān)控技術(shù)在工程應(yīng)用中的研究與探討

王尚宏，張 倩

（新疆電子研究所有限公司 新疆 烏魯木齊 830049）

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，SCADA等工業(yè)控制技術(shù)的日趨成熟，采用計算機、PLC、網(wǎng)絡(luò)、智能閘門測控儀（開度儀）、旋轉(zhuǎn)編碼器、閘位傳感器、水位計、上位機監(jiān)控軟件等多種現(xiàn)代技術(shù)，實現(xiàn)閘門的遠程實時監(jiān)控已經(jīng)成為事實，但是現(xiàn)階段的技術(shù)理論在實際工程中出現(xiàn)了許多應(yīng)用問題，文中針對出現(xiàn)的問題進行了研究探討并提出了相應(yīng)的解決思路與辦法[1]。

1 閘門遠程監(jiān)控的定義

閘門自動化遠程監(jiān)控系統(tǒng)就是通過計算機監(jiān)控系統(tǒng)檢測采集閘門上、下游水位、閘門荷重、閘門啟閉狀態(tài)與開度、工程運行實時工況圖像等信息，并根據(jù)實測水文資料，通過上位機監(jiān)控系統(tǒng)的分析、判斷、水文水利計算，進行科學(xué)控制、自動調(diào)節(jié)，保證閘門的優(yōu)化、安全、經(jīng)濟運行。操作方式上則以計算機作為人機界面，控制方式和理念上則轉(zhuǎn)變?yōu)檫h程監(jiān)控為主，現(xiàn)場就地控制為輔，并僅作為備用檢修操作方式運行。

2 閘門遠程監(jiān)控的構(gòu)成

閘門遠程監(jiān)控系統(tǒng)能實現(xiàn)就地控制和遠程控制2種方式[2]，主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、啟閉控制系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、語音報警系統(tǒng)、web發(fā)布系統(tǒng)等幾部分組成，其相互間邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)邏輯Fig.1 Long-range logic picture of monitoring system

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負責上下游水位、閘位、閘門位置等開關(guān)量和模擬量的采集；啟閉控制系統(tǒng)負責閘門升降停的控制；安全保障系統(tǒng)則是為了確保閘門在啟閉運行時，無論出現(xiàn)任何非正常工況都可以迅速地安全終止操作，保護設(shè)備安全；前臺計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要負責對數(shù)據(jù)的處理、分析、判斷，提供較為直觀友好的人機界面；語音報警系統(tǒng)除了對設(shè)備運行異常情況進行報警外，還可以在閘門啟閉前進行語音提示，對上下游起到告知作用；WEB發(fā)布系統(tǒng)則可以對閘門的運行工況，如水位、流量、開高、開孔數(shù)、荷重等參數(shù)進行對外發(fā)布，以供其它人員瀏覽；視頻監(jiān)視系統(tǒng)負責采集存儲啟閉機房內(nèi)外、上下游河道等重點監(jiān)控點的運行情況 ，并同時具備通過IE進行遠程WEB瀏覽功能。

其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、啟閉控制系統(tǒng)由PLC完成，安全保障系統(tǒng)由數(shù)字電子限位、機械限位、負載過荷、工作超時、啟閉機過流、方式閉鎖等多重保護功能組成，確保閘門運行安全可靠。計算機監(jiān)控系統(tǒng)、語音報警系統(tǒng)、Web發(fā)布系統(tǒng)由前臺監(jiān)控計算機完成，視頻監(jiān)視系統(tǒng)及遠程瀏覽可以通過硬盤錄像機來輕松實現(xiàn)。

通過RS485與閘位計實現(xiàn)現(xiàn)地控制的方式。閘門遠程集中控制通過可編程控制器[3]與閘位計的通訊來實現(xiàn)，如DZKB、XDZC-100型閘門測控儀等，其本身具備閘門啟閉控制、上下限位設(shè)置、開高模擬跟蹤顯示、荷重監(jiān)視等功能，一般閘門測控儀與PLC的通訊是通過基于MODBUS RTU 485標準串行通信總線[5]實現(xiàn)近地控制.實現(xiàn)方式如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 System working principle

3 工程應(yīng)用中常出現(xiàn)的問題與解決辦法

文中主要針對現(xiàn)地控制部分在工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進行研究。

3.1 編碼器安裝方式存在的問題及解決辦法

1）編碼器設(shè)計安裝方式

旋轉(zhuǎn)編碼器以轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計數(shù)設(shè)備來計算閘門位置[4]，在閘位控制中現(xiàn)在普遍采用的安裝方式是安裝在閘門的絲桿附近，依靠齒輪與閘門的絲桿嚙合，在電機提升或下降的過程中絲桿的運動帶動編碼器的齒輪轉(zhuǎn)動實現(xiàn)開度的計量。如圖3所示。

圖3 編碼器設(shè)計安裝方式Fig.3 Encoder designs and installs the way

2）存在的問題

在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，中小型閘門在運行過程中由于長期受重力作用或者電機震動會造成絲桿的垂直度全部產(chǎn)生變形，這樣帶來的問題就是：要么編碼器與絲桿嚙合的間隙過大，導(dǎo)致編碼器不轉(zhuǎn)動；要么是編碼器與絲桿嚙合的間隙過小，導(dǎo)致編碼器損壞，最終造成開度計量的不準確，無法保證閘門控制的可靠運行。

3）解決辦法

參照浮子水位計的連接設(shè)計方式，將編碼器和絲桿的連接方式由齒輪嚙合改成鋼絲纏繞滑輪和編碼器的連接方式，鋼絲一端連接絲桿，纏繞滑輪和編碼器轉(zhuǎn)盤后再連接一個重錘。這樣的話，閘門絲桿在上升或下降過程中不與編碼器直接接觸，只牽動鋼絲，鋼絲再經(jīng)滑輪傳動帶動編碼器轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動。如圖4所示。

圖4 改進的編碼器安裝方式Fig.4 Way that the improved encoder is installed

3.2 閘門自動啟閉的可靠性存在的問題及解決辦法

1）閘門啟閉過程的設(shè)計方案

普遍采用的閘門啟閉控制方式：旋轉(zhuǎn)編碼器的信號提供給開度儀，開度儀以4～20 mA的信號傳給PLC，PLC根據(jù)編碼器產(chǎn)生的位移進行邏輯判斷控制閘門的啟閉。其中閘門的上下限在開度儀上可以進行參數(shù)設(shè)定，閘門的啟閉限位有限位開關(guān)來保證。

2）存在的問題

在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)閘門附近經(jīng)過長期沉沙，如果不及時清理，會有一定高度的泥沙堆積，有時也會有大的石塊卡在閘門閉合槽中。閘門在關(guān)閉的過程中，由于泥沙或石子的阻礙不能達到啟閉限位，此時上下限位的限位開關(guān)就失去了保護功能，開度儀在未達到下限參數(shù)設(shè)定時不會給PLC提供達到下限位的信號，PLC就會一直控制電機運轉(zhuǎn)，此時閘門無法下降，但是電機卻在繼續(xù)運行，結(jié)果是負載轉(zhuǎn)矩過大導(dǎo)致電機停轉(zhuǎn)，電機長時間電流增大必將引起繞組發(fā)熱[6]，最終會導(dǎo)致電機損壞，不能保證閘門控制的可靠性。

3）解決辦法

采用閉環(huán)智能分析+報警的方式來增加閘門啟閉過程的可靠性如圖5所示。

圖5 電流閉環(huán)智能分析Fig.5 Electric current closes the intellectual analysis of the ring

在閘門控制系統(tǒng)中，給電機增加一個電流感應(yīng)模塊，將電機電流信號輸出給PLC，再給PLC設(shè)定一個電機正常工作的電流參考變量。當電機電流大于PLC設(shè)定的參考變量時就說明電機堵轉(zhuǎn)，PLC立即發(fā)出電機停止運行命令同時向上位機提出報警并提供相應(yīng)的參數(shù)。這樣就可以形成一個閘門啟閉過程的PLC閉環(huán)智能分析+報警過程，對閘門的維護和安全運轉(zhuǎn)提供了可靠性保障。

4 結(jié)束語

閘門遠程監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)趨于完善，但是在技術(shù)實施過程中根據(jù)實際情況不同總會出現(xiàn)許多問題，作為工程人員針對出現(xiàn)的問題及時進行研討和技術(shù)改進能促進系統(tǒng)的最佳化。本文中提到的相關(guān)技術(shù)問題均取自新疆兵團且末墾區(qū)蘇塘灌區(qū)自動化項目，所論及的改進方法也在該項目中具體實施，改善效果良好。

[1]莫兆祥，楚偉華，王衛(wèi).閘門自動化遠程監(jiān)控方式設(shè)計分析[J].機電一體化，2008（1）：89-92.

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[2]曠哲.基于PLC的閥門遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 [D].長沙學(xué)院，2008.

[3]楊青峰，付騫.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2010.

[4]劉興海.旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用[J].新疆鋼鐵 2006（1）：31-34.

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[5]李昌禧.微機化儀器儀表設(shè)計[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1999.

[6]王永華等.現(xiàn)代電器控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.