淺議水閘電氣控制技術

黃廷宇

摘要：隨著水利建設事業的不斷發展，水閘電氣設備的應用也越來越廣泛。為了提高水利工程信息化管理水平，水閘電氣控制中融入了更多的自動控制技術和信息化技術。文章探討了水閘電氣控制技術和水閘自動監控系統的要點。

關鍵詞：水閘；電氣控制；技術

水閘（sluice），是一種水工建筑物，修建于河（江）道、渠道或湖、海的出入水口，通過閘門的啟閉可進行流量控制和水位調節。水閘由閘室及上、下游連接段組成，其中閘室是主體部分，裝有閘門和啟閉機等設備。按照SL 75-94《水閘管理規程》對水閘管理的要求，水閘的管理包括控制運用（水位、流量控制）、檢查觀測（水情、水流形態監視及水閘檢查、水文觀測）和養護修理。這些工作關系到水閘電氣控制的有：①電源的控制；②閘門啟閉的控制、測量、記錄和報警；③啟閉電機控制、保護和報警；④水位、流量的測量、記錄和報警；⑤遠程訪問和控制。本文針對水閘電氣控制的這些內容進行了分析和探討。

1 水閘電氣控制的主要內容

1.1 電源、輸電線路的控制

電源、輸電線路的控制是保障水閘各項用電的基礎和重要環節，其控制要點如下：⑴變壓器的控制。檢查變壓器安裝位置、牢固程度，觀測油號、油位是否正常及油箱有無滲油現象；另外變壓器與各附件連接的導線外面要安裝保護套管，防止漏電。⑵輸電線路的控制。重點檢測線路的老化程度、安全性能。⑶雷電設施的控制。為了避免電氣設備受到雷擊影響，必須安裝防雷設施，并且加強監測[1]。

1.2 閘上照明的控制

閘上照明包括控制室照明、現地控制單元照明、啟閉機照明和交通橋照明等，照明不僅是工作觀察的需要，閘身照明在節日還有美化的作用，所以要對照明線路和設施進行檢查和維護。為了便于安裝、維護和檢修，在每臺啟閉機或液壓泵站附近應設置三相插座和單相插座。

1.3 電機控制

按照SL 381-2007《水利水電工程啟閉機制造安裝及驗收規范》對閘門啟閉機的分類方法，啟閉機有固定卷揚式、螺桿式、液壓式和移動式4種類型。

所有采用電動機驅動的啟閉機都需要對電機進行控制，如控制它的啟動、停止及對過載、斷相、短路故障進行限制保護；對電機的電壓、電流進行監測及過值報警；有自動監控要求的啟閉機，還要對數據進行記錄和傳送。卷揚式、螺桿式和移動式啟閉電機則需要控制轉向，包括正轉和反轉方向的控制。

1.4 閘門控制

閘門控制是水閘電氣控制的核心環節，不僅要控制閘門的開啟、關閉，還要控制閘門開啟或關閉的程度以及控制閘門的上、下限位。水閘由多個閘門組成時，還需要考慮各個閘門啟閉的順序。

按照閘門的控制地點分現地控制和遠程控制。閘門控制的類型有分散控制和集中控制以及手動控制和自動控制等。

1.5 水位監測

水位監測數據既是水閘自動控制的基礎，也是有關管理部門對水位進行調節和控制的依據。水位電氣監測的方法是利用水位儀測量水位。水位儀由水位傳感器、水位顯示儀兩部分組成，水位傳感器檢測到的數據經水位顯示儀處理后顯示出來。水位數據除了顯示，還要具備記錄、存儲、查詢和遠送功能。

2 水閘的自動監控技術

2.1 水閘自動監控的意義

水閘自動監控不僅有利于閘門、泵站等工程的自動控制、自動監測，而且可實現閘門工況、水位數據、機電運行狀態等各種信息數據的共享，使有關管理部門可以更及時、準確地把握水情，有利于水害的防治及對水資源進行統一管理、利用和監督[2]，同時也是實現水閘控制“無人值班，少人值守”運行管理模式的必然之選。

2.2 水閘自動監控的方法

水閘自動監控系統一般由閘門電氣控制柜、PLC控制器、交換機、交流電動機、傳感器和通訊系統等組成。傳感器將收集到的現場信息如閘門開度、上下游水位等數據，上傳至PLC控制器。PLC將數據處理后再傳至操作屏和交換機，在操作屏上可以實時顯示這些數據，同時數據經交換機傳到監控主機上。操作人員可以利用操作屏或監控主機掌握這些信息，并作出具體的控制決定，經過PLC處理后傳回閘門電氣控制柜，就能及時控制各個閘門的狀態。同時監控主機通過ADSL路由器（或寬帶調制解調器）將信息上傳至互聯網，遠程控制計算機和主管部門同時獲得實時數據。如圖1所示。

由于主管部門、遠程控制站、監控主機和現場操作屏都能控制閘門狀態，這里面就有一個優先級的問題，一般做法是越靠近現場閘門電氣控制柜，優先級越高。而且控制方式有手動和自動兩種方式，手動的優先級高過自動方式。

2.3 水閘視頻監控

雖然傳感器能夠得到準確的閘門、水位等實時信息，但對于遠程控制而言畢竟未身臨現場，對實際情況難以了解清楚，所以自動監控系統一般都要配備視頻監控裝置。視頻監控的對象是所有閘門、水閘的上下游、啟閉機房等。視頻監控設備應使用具變焦鏡頭、全方位云臺的球攝像機及數字硬盤機、解碼器、監視器等。視頻監控信號經過處理后可傳至監控主機，再上傳到遠程控制計算機和主管部門計算機上。

2.4 自動監控系統硬件的選用

閘位傳感器是對閘門開度進行精確測量和控制的關鍵元件，其類型有模擬式和數字式，目前多用數字式閘位開度傳感器。數字式閘位傳感器又有計數式和直接編碼式兩種。計數式傳感器主要是通過閘門轉軸的角位移進行脈沖計數，數據輸出格式是二進制、BCD碼或者格雷碼，但由于這種傳感器掉電后數據會丟失，故不推薦選用。直接編碼式傳感器采用碼盤、微動開關、光電器件測量轉軸的角位移，掉電后數據不會丟失，是閘位傳感器的首選。對于液壓式啟閉機，閘門開度的檢測可使用磁致伸縮位移傳感器測量液壓缸活塞的行程，這種傳感器有內置式和外置式兩種，信號輸出也有模擬式和數字式之分。內置式損壞后維修困難，一般應選用外置式。也可同時配置增量式位移傳感器。閘位傳感器經與閘門開度數顯控制儀連接，就可以達到測量、顯示閘門開度的目的。閘門開度數顯控制儀應選用數字式智能閘高儀，能適應平板閘門、弧形閘門的控制。此外，用于閘門控制的還有荷重傳感器。

水位傳感器的類型很多，如接觸式、壓力式、浮子式，還有利用超聲、微波、激光測距的。選擇水位傳感器的依據是測量精度、傳感器行程及結構。水位測量顯示儀的作用與閘門開度數顯控制儀相似，與水位傳感器相連可測量、顯示水位。

采用PLC控制器時，閘位傳感器、水位傳感器、荷重傳感器可通過RS485接口或數字輸入接口與PLC通信。PLC控制單元由CPU模塊、數字及模擬輸入輸出模塊、以太網模塊等組成。為了保證電源供應，還應配備UPS電源。

2.5 自動監控系統軟件的設計

PLC控制器的軟件可以使用模塊化設計，可根據系統的劃分方法分成多個模塊，如采用數據管理、數據更新、圖形處理、閘門監控、網絡數據傳輸、搜索查詢等子系統，可設計數據接收存儲模塊、系統安全管理模塊、控制決策模塊、閘門實時監測模塊、數據統計查詢模塊、網絡遠程監控模塊等軟件模塊。上位機監控軟件可采用成熟的組態軟件，以提高編程的效率。對PLC編程可實現對閘門的控制。

3 結束語

水閘電氣控制的目的是準確、可靠地調節水位、控制水量及對水資源進行監控和管理。通過運用自動控制技術、計算機網絡信息技術和傳感器技術建立起水閘自動監控系統，可以實現更精確、穩定、安全、快速和靈活控制水閘的效果。

參考文獻

[1]譚品忠.水閘電氣設備控制探討[J].北京電力高等專科學校學報：自然科學版，2012.

[2]宋春杰，王輝.水閘自動化監控系統的組成及關鍵設計[J].科技資訊，2012.