水閘電氣自動控制系統的應用分析

蔡榮源

[摘 ? ?要]傳統手動閘門控制方式可靠性低、靈活性差、故障排除不方便，正被自動控制方式取代。介紹了水閘自動控制系統的功能與架構，闡述了水閘自動控制系統硬件、軟件配置，分析了水閘自動控制系統功能實現方法。

[關鍵詞]水閘;自動控制;電氣應用

[中圖分類號]TP273.5 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）01–000–03

[Abstract]The traditional manual gate control method has low reliability， poor flexibility， and inconvenient troubleshooting， and is being replaced by automatic control methods. This article introduces the function and architecture of the automatic control system of the sluice， expounds the hardware and software configuration of the automatic control system of the sluice， and analyzes the realization method of the automatic control system of the sluice.

[Keywords]sluice; automatic control; electrical application

水閘是水利工程中常見水工建筑物，通過閘門的啟閉實現擋水、泄洪、控制水位、排水等功能。然而在水閘運行中也存在非正常啟閉問題，直接影響水閘各項功能的發揮。利用電氣自動化技術對啟閉機進行自動化升級改造，可實現閘門自動控制和遠程控制。水閘應用自動化系統后，不僅能降低水閘工作人員的工作強度，提高水閘運行效率，而且能改善設備運行的準確度與安全性。因此，本文對水閘電氣自動控制系統的應用進行了分析。

1 水閘電氣自動控制系統功能與架構

1.1 系統功能

水閘控制實際上主要是控制閘門的啟閉與開度大小。傳統閘門控制一般是采用機電控制方式，通過人工操作按鈕實現閘門的啟閉和開度大小調節。雖然這種方式簡單、直觀，但不能根據水情變化精確調節，控制也經常滯后，甚至因為誤操作導致事故，與水利現代化、信息化的要求不符。隨著計算機技術、自動控制技術的發展，自動控制已在各行各業得到廣泛應用，并取代手動方式。水閘自動控制系統功能包括以下內容。

（1）信息采集與處理功能。系統能自動采集和處理閘門運行狀態信號，例如：閘前、閘后水位數據，閘門位移數據，啟閉電機運行狀態數據等。

（2）計算判斷功能。系統對采集的數據進行計算，再對結果與設定值進行比較，進而判斷閘門狀態，如果正常則維持監控狀態，異常或故障則報警并做相應處理。

（3）閘門控制功能。系統能自動操作閘門開啟、關閉、調節開度大小、在事故狀態下緊急剎車等。有些閘門還能根據攔污柵阻塞情況，自動清理攔污柵。

（4）保護功能。系統能對各類故障進行緊急處理，如對閘門卡滯、飛車、黏連、下滑、超限、阻塞及動力柜失電、電機異常等做出應急反應（報警、停機、上傳信號等）。

（5）人機交互功能。系統能在顯示屏上顯示閘門狀態信息，通過觸摸鍵、鍵盤、鼠標等輸入方式瀏覽各個界面（狀態界面、控制界面、統計界面、打印界面、幫助界面等），輸入控制指令，從而實現人機聯系、遠程控制等功能。

（6）通信功能。系統能在現地控制單元（LCU）與中控室之間進行實時通信，將LCU獲得的信息上傳到中控室，并將中控室的指令下發到LCU，對閘門進行控制。

1.2 系統架構

一套完整的水閘自動控制系統應包含閘門控制子系統、工業視頻監控子系統、監控網絡等部分。從監控網絡的角度，系統結構可分為集中式監控網絡結構和分布式監控網絡結構。集中式監控網絡結構以一臺計算機（PC）/可編程邏輯控制器（PLC）/工控機為核心，集中處理來自LCU的信號，1個LCU控制所有閘門（最多12個閘門），包括測量的傳感器和執行操作指令的機構，一旦LCU故障，整個系統都將癱瘓。這種架構控制設備集中，管理方便，一次性投資省，但擴展性差，可靠性低。分布式監控網絡結構由多臺LCU組成，每個LCU控制1個或多個閘門。每個LCU自組成1個獨立的子系統，1個LCU發生故障，不影響其他LCU運行?，F地控制層與集中控制層通過現場總線互聯，這種結構的優點是擴展性強，可靠性高，但一次性投資較大。典型分布式監控網絡結構可分為遠程控制層、集中控制層和現地控制層。遠程控制層由遠程控制PC通過寬帶網絡/移動通信網絡與集中控制層互聯。集中控制層由操作員站、工程師站、打印機、Web服務器等組成，通過以太網和現地控制層通信。現地控制層由各個閘門的LCU組成，每個LCU控制1個或若干閘門、水位計、閘門開度儀等設備，經交換機、光纖收發器與集中控制層的以太通信網絡相連。

2 水閘電氣自動控制系統硬件配置

2.1 現地微機控制器選擇

目前，現地微機控制器可采用工控機、單片機和PLC。工控機全稱是工業控制計算機，具有很強的數據處理、人機接口、聯網通信等功能，但體積大、價格高，不適應對安裝空間和成本控制敏感的系統。單片機體積小，價格低，應用也比較靈活方便，但開發周期較長，一旦寫入程序，難以更改，而且對于水閘工作環境而言，單片機可靠性還是不夠理想。PLC是專為工業環境制造的微型計算機，計算、控制、聯網通信能力都比較好，可靠性高，擴展性強，編程開發方便靈活。綜合比較三種微型計算機的優缺點，PLC最適合作為水閘自動控制系統現地微機控制器。

2.2 傳感器選擇

閘門狀態信號主要是通過傳感器檢測實現的，選擇性能可靠、經濟合理的傳感器是滿足水閘自動控制要求的前提。影響水閘自動控制系統控制性能的關鍵傳感器是閘位儀和水位計。閘位儀也稱為閘門開度儀，是由閘位傳感器和編碼器組成閘位檢測系統。閘位傳感器有利用重錘平衡原理檢測閘位;卷揚式啟閉機可在卷揚機軸上安裝變速齒輪，用來驅動編碼器檢測閘位;還有利用光電、電磁原理制造的閘位傳感器。編碼器分增量型和絕對值型。增量型編碼器記錄的是相對位置，掉電后數據會丟失，重歸原點。絕對值型編碼器能記錄絕對位置值，掉電也不影響位置檢測。在水閘工作環境下，掉電和電磁干擾都是可能發生的，所以應選擇絕對值型編碼器。閘位傳感器可選擇光電式，適合平板閘門、弧形閘門、人字形閘門等多種類型。閘門要根據上下游水位進行控制，故在閘前、閘后要設置水位計檢測水位。根據測量原理，水位傳感器分為浮子式、壓力式、超聲波式、磁浮子接點式等多種類型。應用比較多的是浮子式水位傳感器，這種型式的水位傳感器需設置測井，對水質有一定要求，水中污物、泥沙較多時容易堵塞和卡死浮子，導致測量失準，這種情況下可選擇非接觸的超聲波傳感器，不需設置測井，不受水中泥沙含量影響，但風浪大、水面漂浮物多時也有干擾。

2.3 監控網絡配置

監控網絡對實時性要求較高，這樣才能保證數據無延遲、可靠地傳送，同時網絡上存在大量結點，結點的動態改變和網絡負載變化不應影響傳輸能力，對網絡的可重復性也提出了較高要求?，F場設備以PLC為核心，通過光纖或雙絞線、同軸電纜結成總線拓撲結構。在中控室配置以太網交換機，與現地控制層通過工業以太網進行數據交換。網絡通信采用數字傳輸方式，傳輸速率快，實時性強，抗干擾性能優。遵守同一通信協議，不受現場設備型號、規格的影響，組成組態統一的網絡，通過監控網絡實現閘門數據采集、操作控制及視頻監控功能。

3 水閘電氣自動控制系統軟件配置

3.1 下位機軟件配置

下位機PLC，一般采用PLC廠家提供的編程軟件對PLC進行功能配置。PLC編程采用梯形圖，與傳統繼電器控制回路的梯形圖相似，便于電氣技術人員理解和配置功能。配置PLC時，可通過編程器向PLC輸入程序，也可以利用PLC進行自動配置，如PLC讀取I/O模塊產生自動配置后，通常不需要專門配置。IP地址需要手動設置，這樣上位機才能找到PLC。閘門升降數據的檢測要使用格雷碼，克服上位機讀取二進制數據時易產生錯誤的缺陷，所以二進制數據與格雷碼之間要進行轉換。解決了數據讀取問題，就可以為系統設置閘門升高限值及各種條件下的啟閉指令、故障報警等。畫出程序流程圖，用梯形圖表達控制邏輯，將控制指令輸入PLC中，PLC就能按照預定程序對閘門進行自動控制。PLC輸入輸出點配置，包括開關量輸入輸出、模擬量輸入輸出，例如電機啟動運行、閘門啟閉為開關量，上下游水位、閘門開度為模擬量等。配置PLC程序包括閘門啟閉控制、升降控制、自動糾偏控制等。

3.2 上位機軟件配置

水閘自動控制系統通過組態軟件可配置上位機應用軟件。組態軟件是專用于采集數據和過程控制的軟件，能為自動控制系統提供良好的開發環境，包括數據采集功能、腳本功能、控制功能、互聯網支持等。利用組態軟件的圖形界面系統可顯示對象的動態屬性，發布報警通知、查詢歷史數據等。利用組態軟件的實時數據庫系統可保存當前運行的各項數據作為數據檔案來管理。利用組態軟件的第三方程序接口組件，可實現與第三方程序的交互和遠程數據訪問功能。利用組態軟件的控制功能組件提供面向對象的、像梯形圖一樣方便的控制功能。

3.3 控制方式選擇

水閘自動控制系統不但要滿足閘門啟閉、升降等基本控制功能，還要提供檢修、調試等特殊功能。針對各種故障采取相對應的處理方法，避免因為某種故障的發生引起災害性后果，所以對系統的安全可靠性提出了較高要求。為了滿足不同的控制需求，系統必須具備多種不同的控制方式，現以雙吊點閘門為例闡述閘門的控制方式。雙吊點閘門在提升過程中，常因兩側摩擦系數不一致，加上水的沖擊力分配不平衡，在升高時失去平衡，導致閘門卡滯，強行起吊時可能會損壞閘門及控制系統。為此，應在閘門兩側設置開度儀，通過檢測兩側開度差控制兩側的升高。例如開度大的一側停止上升，開度小的一側升高，當兩側開度差小于設定值時，再同步升高，以此減少閘門兩側升高不一致現象，使閘門均衡升降。閘門控制可以采用人為設定開度的方式進行，也可以根據上下游水位及過閘流量對閘門開度進行自動調節，后面這種方式因為水文特性隨季節、氣候等條件變化而變化，采用傳統PLC控制方式操作極為復雜，實際上很難實現，所以閘門控制廣泛采用模糊控制，即運用模糊控制理論，將很難以精確數據表達的量以模糊量表示。

4 水閘電氣自動控制系統功能實現

4.1 數據采集

水位計傳感器采集到水位變化引起的形變位移，經由轉換電路轉化為電流信號，輸出至LCU中，經信號隔離器交由PLC計算處理，PLC再將處理后的數據上傳監控中心。同樣地，閘位儀傳感器采集啟閉機機軸旋轉角度數據，編碼器響應為位置數據，再傳輸給PLC計算處理。

4.2 閘門控制

閘門一般采用自動控制方式，但備有手動方式，在自動控制方式發生故障或失效時應急使用，也用于設備檢修維護時的特殊需要?？刂苾炏燃?，現地控制級高于遠程控制級，即在現地操作時遠程控制不能操作。根據水閘上下游水位數據，水閘自動控制系統可以實現定開度或定流量控制，單閘門自動啟閉運行，成組閘門自動啟閉運行。

4.3 系統調試

調試流程：現地手動控制單元調試→PLC柜現場調試→動水條件下單閘門啟閉調試→動水條件下成組閘門啟閉調試→閘門開度調試。手動控制單元調試流程：檢查PLC模塊端子接線是否正確→檢查PLC開關電源接線是否正確→合上電源總空氣開關→控制開關分別置于手動、自動位，檢查回路是否正確→斷開總空氣開關，合上控制回路空氣開關→手動操作閘門升、降和停止，檢查動作是否正確→完全正確，完成調試。PLC控制柜調試流程：檢查柜內接線是否正確，檢查電源是否正常→合上空氣開關，機柜上電→檢查PLC狀態及通訊是否正?！\行CPU模塊→下載測試程序及硬件配置至PLC內→運行軟件在線監視，狀態“強制”→根據現場回訊和動作執行效果，排查所有接線的正確性→測試PLC與上位機通訊準確性和可靠性→下載完整PLC程序，測試PLC與上位機通訊狀況→現場上電，依次試驗現場回訊是否正常、現場動作是否正確、與上位機通訊情況→現場和上位機分別發令，測試現場動作、回訊及上、下位機的通訊。動水條件下單閘門啟閉調試流程：現場全部上電，狀態“自動控制”→上位機發令→各閘門依次試驗小開度上升、下降。動水條件下成組閘門啟閉調試流程：現場全部上電，狀態“自動控制”→上位機發令→各閘門聯動小開度上升、下降。閘門開度調試流程：現場全部上電，狀態“自動控制”→上位機發令→各個閘門試驗開度0～100%→各個閘門聯動試驗開度0～100%。全部項目調試完成，功能完備，邏輯正確，水閘自動控制系統即可投入使用。

4.4 系統應用

4.4.1 實時監控

利用組態軟件將閘門運行、閘區水位狀態實時顯示在模擬圖中，還能將視頻監控系統現場攝像頭拍攝的視頻展示出來。模擬圖中有閘門狀態圖像，下面有上、下游水位數據?？刂茽顟B下有“手動”“自動”轉換功能。閥門開度一欄有設定開度、實際開度，可設置為cm或%。還有全開、全落、開閘、關閘、停止“按鍵”。在管理一欄中有電機管理、報警窗口、緊急停止、模擬圖/視頻轉換等選項。

4.4.2 趨勢分析

系統能統計某段時間的最高、最低、平均水位及閘門開度大小，并以趨勢圖展示出來。

4.4.3 統計報表

系統能提供日報、周報、月報、季報、年報及選定的任意時段數據統計，并以報表形式顯示，通過打印機可以打印出來，是研究水情變化、改進運行操作的重要資料。

4.4.4 系統維護

該功能用于系統維護，例如用戶管理、數據管理、時鐘同步、報警設置、連接數據庫等。

5 結束語

水閘電氣自動控制系統具有控制精度、控制效率高的特點，能減輕運行人員工作強度，在水利工程中應用效果良好。但水閘自動控制系統功能的實現需要完善的架構、高質量的軟硬件配置、嚴謹的調試和良好的維護，只要滿足這些條件，系統就能展現自動化技術的優勢，為水利工程提質增效發揮作用。

參考文獻

[1] 賴佑賢，閆曉滿.一種無人值守的自動控制式新型水閘技術研發[J].水利建設與管理，2017，37（2）：55-57.

[2] 于強.大道王閘綜合自動化應用研究[J].工程建設與設計，2020（8）：251-253.