南水北調中線工程閘門遠程控制技術淺析

紀明輝，石如澤

（南水北調中線建管局河南分局，河南 鄭州 450046）

0 引言

隨著現代科技的發展，智能化已成為現代水利工程的發展方向。南水北調中線工程調度管理系統采用基于計算機網絡、自動控制理論的閘門遠程控制技術，實現對閘門啟閉機實時控制，指令執行可靠準確，水位、流量等參數實時監控與調節，對于總干渠智能化管理具有重要的意義。

1 閘門遠程控制技術概述

南水北調中線工程閘門遠程控制技術采用成熟的計算機、自動控制和傳感器技術，通過現地監測、控制等自動化設施建設，實現了沿線閘門遠程控制，總調中心或備調中心下發調度指令對閘門進行啟閉操作，閘門遠程控制技術是中線工程日常調度的基礎，也是南水北調中線工程實現自動化調度工作的核心。

遠程控制系統主要由閘站監控系統和液壓啟閉機系統兩部分組成，其中閘站監控系統是控制系統，液壓啟閉機系統是執行系統。

遠程控制指令由總調中心或分調中心通過閘站監控系統下達，經網絡傳輸設備傳輸至現地閘站PLC控制系統，啟動液壓啟閉機按指令啟閉閘門，其工作流程如圖1所示。

圖1 遠程控制業務流程圖

1.1 閘站監控系統

閘站監控系統是閘門遠程控制系統的核心系統之一。通過該系統，可以在調度中心對全線分水閘、節制閘、退水閘、控制閘、排冰閘等進行遠程自動控制，并在調度中心顯示各項運行參數，出現問題及時報警至調度中心進行處理。

閘站監控系統可以分為遠程閘站監控系統和現地閘站監控系統兩個部分。遠程閘站監控系統又分為總公司、分公司和管理處三級遠程閘站監控子系統和監控服務四部分，現地閘站監控系統包括工控機監控系統和觸摸屏監控系統。其系統應用功能結構如圖2所示。

圖2 閘站監控系統應用功能結構圖

遠程監控系統和現地監控系統之間的關系是既獨立，又有聯系。獨立表現在：兩個系統都可以獨立運行，都能夠對閘站設備進行監測和控制。聯系表現在：兩個系統所存儲的數據應該保持一致；現地監控系統的控制權限應該由遠程監控系統進行管理；對現地監控系統的遠程維護管理應該由上端遠程監控系統進行。其總體架構如圖3所示。

圖3 閘站監控系統總體架構圖

1.2 液壓啟閉機系統

液壓啟閉機是利用液體的壓力能來傳遞能量，控制閘門開啟或關閉的一種啟閉機。其工作原理是：液壓泵把原動機輸出的機械能轉為液體壓力能，經過油管道及液壓閥進入液壓缸，通過液壓缸及活塞桿把液體的壓力能轉變為工作機的機械能，從而驅使閘門完成開啟或關閉等動作。閘門油缸配置了閘門開度儀，在閘門啟閉過程中，能對弧形閘門開度及行程實行全程檢測。系統配備電壓力繼電器、溫度傳感器、液位控制器、液位傳感器等，可對系統壓力、油液溫度及液位高、低位實現自動控制。其系統結構如圖4所示。

圖4 液壓啟閉機系統結構框圖

1.2.1 液壓啟閉機系統構成

液壓啟閉機主要包括液壓泵站、電氣控制柜及液壓油缸三部分，分別為動力部分，控制部分及執行部分。液壓泵站主要由油泵電機組、油箱及管路、液壓閥組、回油過濾器、壓力表、壓力傳感器、溫度傳感器等部分組成；電氣控制柜主要由PLC模塊、比例調速閥用放大版、變壓器、中間繼電器等部分組成。

液壓啟閉機系統以標準電氣控制柜作為系統的中間設備，用來連接各種傳感器和變送器，對各種信號進行轉換、采集和處理。系統采用的傳感器和變送器把信號轉換為4～20 mA的直流電流信號。液壓缸行程信號由位移傳感器模塊采集，壓力、溫度、液位、電量等信號進入PLC的模擬量輸入模塊。系統硬件采取多種抗干擾措施，如工控微機與PLC的供電用UPS穩壓電源；信號線采用屏蔽線、良好接地并與電源線分開布置；傳感器采用直流輸出信號，抗干擾能力好于交流信號等，這些抗干擾措施使信號更加準確可靠，提升系統的整體性能。

1.2.2 液壓啟閉機系統雙缸同步原理

雙吊點弧形工作閘門液壓啟閉機系統采用電液比例調速閥同步回路來控制液壓啟閉機兩側液壓缸的進出流量，實現閘門啟閉的同步運行和自動糾偏。其原理如圖5所示。

圖5 液壓啟閉機雙缸同步原理圖

2 影響遠程控制成功率主要因素分析

據統計，遠程控制閘門成功率在96%～99%，遠程控制閘門失敗主要是在閘門左右開度差誤差較大、閘控系統開度數據與閘門實際開度不符、遠程自動模式下易卡滯等。

影響遠控成功率的因素較多，根據現場情況分析，主要有閘門開度儀、PLC、比例調速閥。

2.1 閘門開度儀

閘門開度儀是將閘門的機械位移量轉換成電信號，實現對閘門開度檢測的自動化測量工具。閘門開度儀是自動化控制系統中最主要的控制之一，起著舉足輕重的作用。

閘門開度儀種類繁多，目前中線工程常用的有鋼絲繩式閘門開度儀、陶瓷活塞桿集成閘門開度儀、靜磁柵閘門開度儀。

2.1.1 鋼絲繩式開度儀

鋼絲繩式開度儀工作原理類似于可自動回收的鋼皮尺，鋼絲繩式開度儀有金屬外殼，鋼絲繩卷繞在卷盤上，一套類似鐘表發條的機械機構使得鋼絲拉出后可以回縮，卷盤與旋轉編碼器連軸，在鋼絲繩拉出和回縮的過程中帶動旋轉編碼器作正反向轉動，將旋轉編碼器輸出轉動的角度信號轉換為鋼絲繩伸縮的位移信號。

鋼絲繩式開度儀有外置式和內置式兩種。外置鋼絲繩式開度儀的缺點是強度不夠高，環境適應能力不夠強，難于抗拒人為因素、機械磨損、風力、冰凍、水中腐蝕漂浮物等影響，其后又發展了內置鋼絲繩式開度儀。內置鋼絲繩式開度儀將開度儀全部或部分機構置于油缸內部，活塞桿在油缸內部無桿腔側拉動鋼絲繩運行從而帶動旋轉編碼器旋轉。內置鋼絲繩式開度儀可在油缸生產的工廠環境安裝成形，美觀精小，減少現場安裝工作量，顯著提高了環境適應能力，但是其工廠制造難度增加，現場維修不便。中線工程中常州液壓配套設備采用了內置鋼絲繩式開度儀。

2.1.2 陶瓷活塞桿集成閘門開度儀

陶瓷活塞桿集成閘門開度儀是在活塞桿鋼材表面刻有非常細密的圓形環槽，全部圓形環槽所在的平面與活塞桿中軸線垂直并且等寬，環槽布滿活塞桿全程。活塞桿經刻槽和整體表面處理后，再均勻噴涂陶瓷材料形成硬度高、致密性好、防腐性能優異的陶瓷活塞桿。電子行程檢測裝置處于油缸前端，貼近陶瓷活塞桿表面探測環槽，在活塞桿伸縮運行時，準確指示油缸行程。

陶瓷活塞桿集成閘門開度儀的缺點是制造工藝復雜，造價高昂，需配備不間斷電源保存數據，抗干擾能力差、長期運行存在數據累計誤差等。江蘇武進配套設備采用了陶瓷活塞桿集成閘門開度儀。

2.1.3 靜磁柵閘門開度儀

靜磁柵閘門開度儀是在消化吸收先進磁位移傳感器技術的基礎上研制的新型開度儀，其應用了磁性條形碼（Permanent Magnet Bar Code）的原理來檢測物體位移，是靜磁柵位移讀碼器與絕對編碼器技術的結合，由于是通過靜態磁頭讀取磁尺上記錄的信號來檢測物體的位移，因此被命名為靜磁柵。靜磁柵開度儀主要由兩部分組成：測量桿和靜磁柵尺，測量桿是含有精密位置信息的磁性條形碼裝置，靜磁柵尺是由霍爾線性陣列構成的計算機感測系統。靜磁柵閘門開度儀為外置式安裝，靜磁柵尺利用抱箍式安裝座安裝于油缸缸筒上，其上帶有導向套管；測量桿置于導向套管內，前端與油缸活塞桿吊耳連接，當閘門運行時，測量桿對應在導向套管內移動，靜磁柵尺輸出位移信號。

靜磁柵閘門開度儀優點有:①靜磁柵絕對編碼器可使位移量以絕對型輸出，失電后能長時間保存絕對位置數據。其“空間柵片”具有非常固定的編號，可真正做到“絕對編碼”，徹底杜絕旋轉編碼器測量方式帶來的打滑現象，不存在零點漂移問題。②靜磁柵源和靜磁柵尺之間采用“懸浮”的無接觸運動方式，最大間隙可達10 mm，無機械磨損，使用壽命較長。③結構簡單，使用方便，外置式安裝有利于調試和維護。④測量量程大，測量非垂直油缸，適宜量程為9 m以內；測量垂直油缸或垂直閘門，適宜量程為20 m 以內；測量弧形閘門支臂，轉換為閘門開度時，適宜目前國內所有大行程弧形門。⑤每套開度儀可額外配備多只磁性接近開關，便于行程兩端極限位置檢測。

水利水電項目一般要求閘門開度儀精度高、絕對值、量程大、抗惡劣環境、維修保養方便等，無論鋼絲繩閘門開度儀，還是陶瓷活塞桿集成閘門開度儀，都無法同時滿足這些要求，而靜磁柵閘門開度在綜合性能上，對比其它閘門開度儀，具有明顯的優勢。

靜磁柵閘門開度儀已經在南水北調中線工程設備上進行試點應用，優勢明顯。其優點眾多，也有不足之處，如無內置安裝型、產品屬半定制、對比其它傳感器占用空間略大。

2.2 閘門開度儀優化

陶瓷活塞桿集成閘門開度儀，此類編碼器為相對型增量編碼器，現場經常出現開度超差，停電后易丟失數據，長期使用過程中易產生累積誤差，無法準確反映實際開度，此類行程檢測裝置已成為導致遠程控制閘門失敗的主要原因。

目前，南水北調中線工程已開始實施了行程檢測裝置改造，將相對型行程檢測裝置更換為絕對型行程檢測裝置，將陶瓷活塞桿集成閘門開度儀更換為靜磁柵閘門開度儀，在停電狀態下不再丟失數據，重復精度高，長期使用不產生累積誤差，且直接輸出SSI信號給PLC，無需進行信號轉換，靜磁柵為外置式安裝，現場安裝、維修方便。

2.3 液壓啟閉機系統配置的PLC和自動化閘站監控系統PLC共同控制閘門

中線工程使用的江蘇武進和常州液壓的液壓啟閉機系統和自動化閘站監控系統均配置有PLC，但液壓啟閉機系統的PLC性能較自動化閘站監控系統所配置的PLC低，而閘門的開度、壓力等數據信息卻需經過液壓啟閉機系統的PLC來進行計算和傳遞，容易造成信號傳遞延遲和多次轉換誤差。

PLC優化已經在中線工程中進行了試點改造，將液壓啟閉機系統PLC 拆除，相關信號直接接入自動化閘站監控系統PLC。

2016年10月焦作管理處聵城寨節制閘1#閘門實施了行程檢測裝置及PLC 優化改造試點，極大地提高了遠程控制成功率，目前運行穩定，效果良好。

2.4 江蘇武進液壓啟閉機設備采用單比例調速閥控制閘門

中線工程中江蘇武進啟閉機設備控制閘門采用的是單比例調速閥控制，當閘門左、右油缸出現偏差時，僅有一側油缸可調節速度，另一側油缸速度無法調節，閘門糾偏調節速度較慢；遠程指令中多為小開度調節閘門，閘門動作時長較短；因此，單比例調速閥控制易出現閘門左、右開度偏差較大導致超差停機現象，遠程控制失敗率較高。

加裝比例調速閥，需改變原有液壓原理及油路，重新設計、加工制造液壓閥塊及管路，改造幅度較大，改造方案采用了將其手動調速閥改造成為比例調速閥，兩路油路均通過閘控系統PLC 進行流量調節，糾偏過程平穩，較少出現超差現象。目前雙比例閥改造已在中線工程中開展實施。

3 總結

南水北調中線工程中部分設備采用相對型增量傳感器閘門開度儀，閘門的開度、壓力等數據信息需經液壓啟閉機系統PLC傳輸至閘站監控系統PLC，液壓啟閉機采用單比例調速閥控制等，降低了閘門遠控失敗率。

經過閘門開度儀、PLC優化、比例閥等設備改造后，有效提高了閘門遠控成功率，數據傳輸穩定，設備運行平穩，效果良好。