自動化技術在水利工程的應用

李 昂，劉光景，馮 洋

（1.南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109；2.山東澤碩信息科技有限公司，山東 濟南 250031；3.山東潤魯工程咨詢集團有限公司，山東 濟南 250100）

隨著自動化技術在設備控制、遠程調度、數據采集、分析等領域的應用，為水利工程運行管理從業人員提供了更加高效、精準、智能的幫助和支持。

1 工程概況

南水北調東線穿黃河工程位于山東省泰安市與聊城市之間，通過下穿黃河的穿黃河隧洞連接了東平湖和魯北輸水干渠，實現南水北調工程在山東境內引長江水到聊城、德州等地，同時具備向河北省、天津市及雄安新區供水的條件[1]。穿黃河工程通過出湖閘、進口檢修閘、埋涵出口閘、隧洞出口閘四座閘門調節流量和水位，并設有一座東阿分水閘為聊城市提供工業用水[2-6]。

2 應用實例

2.1 實例1：東平湖出湖閘閘門開度測量方式優化改造

2.1.1 存在問題分析

東平湖出湖閘原有閘門開度測量方式是通過啟閉機的鋼絲繩、滾筒、減速箱、齒輪、傳動軸等一系列的機械傳動及變比帶動開度編碼器動作，通過編碼器轉動的圈數來換算出閘門開度值，但是受限于鋼絲繩的緊固程度、韌性、齒輪間隙等因素影響，導致開度存在一定機械誤差，從而影響開度測量的準確性。開度儀表通過4~20 mA上傳開度數據，PLC經過模擬量轉換計算出開度值，但是開度儀表在4~20 mA區間易出現信號漂移，從而導致PLC轉換的開度值不準確，影響遠程自動化監測與控制的實效性。

2.1.2 技術改造內容

結合現場情況分析數據誤差產生的原因，對目前存在的問題進行改造，主要內容包括測量方式和數據傳輸，改造項目主要設備清單見表1。

表1 改造項目主要設備清單

（1）測量方式的改造。安裝收繩設備，開度收繩設備工作原理是測量閘門的實際位移量，即閘門實際動作多少位移量，開度收繩設備就能測得多少位移量，和之前測量相比就解決了因為機械傳動產生的誤差問題。新增加的收繩設備與原編碼器配套使用，收繩設備安裝固定在啟閉機底座上，測量收繩的鋼絲繩垂直向下拉出，固定在閘門上方。其原理是通過閘門上、下移動，帶動收繩設備收緊動作，固定在收繩設備的編碼器信號輸出至高精度的隔離分線器上。

（2）數據傳輸的改造。編碼器輸出數據接入高精度的隔離分線器，由分線器把信號轉換為兩路相互隔離的信號，一路接入PLC，另一路接入開度儀表。PLC采集端根據編碼器的編碼規則及轉換碼數進行PLC程序的開發，開發的邏輯程序最終換算出實際的開度值，開度儀表端根據編碼器的輸出信號設定相應參數，得到實際的開度值，且能保證開度儀表和PLC的開度值一致性。數據傳輸工作原理見圖1。

圖1 數據傳輸工作原理

2.1.3 技術改造實施過程

（1）硬件。收繩設備安裝固定在啟閉機底座上，測量收繩的鋼絲繩垂直向下拉出，繩端固定在閘門上方。安裝高精度隔離分線器，更換開度儀表。分線器安裝在啟閉機控制箱內并用燕尾絲固定，輸入接口接收繩編碼器的輸出信號，輸出接口分別接PLC和現地開度儀表，連接線纜采用RVVP屏蔽層線纜，物理接頭均采用DB25實心針插頭連接固定。安裝完成后進行調試，測量PLC、開度儀表、收繩編碼器之間的信號順序連接。

（2）程序開發。傳輸線纜采用21芯屏蔽線纜，每臺啟閉機皆有單獨線纜匯聚到PLC控制柜，再由PLC功能采集模塊接入PLC。編碼器在正常運行中實時輸出一組格雷碼，通過外部連接數據線輸出至PLC的數字量輸入模塊，把傳感器輸出的格雷碼采集到PLC中，PLC通過碼制轉換、邏輯運算處理，換算出實際的數據值。

2.1.4 數據測試及改造效果

項目改造后對閘門升降進行多次數據測試，數據計數為四舍五入進位，測試記錄見表2。

表2 出湖閘啟閉機開度數據測試記錄

收繩式開度設備和編碼器數據傳輸的改造，明顯提升了閘門開度測量的精度，同時也解決了開度儀表和PLC數據誤差較大、有延時的問題，增強了調水設備的準確性、實效性及安全性。

2.2 實例2：東阿分水閘控制系統自動化技術改造

2.2.1 分水閘運行存在的主要問題

東阿分水閘改造前現地控制柜電氣設備較為簡單，控制柜不具備接入PLC條件，只有單一的啟閉功能，控制功能缺失嚴重。主要存在的問題包括：①控制回路缺少遠程控制功能，無法與現地PLC連接實現遠程控制；②缺少蝶閥開度顯示，操作蝶閥時不能實時查看角度變化；③缺少機械限位和數字限位，蝶閥全開或全關時無動作；④蝶閥變送器故障，輸出的模擬量信號異常；⑤配電柜內電壓表、電流表不具備通信采集“接口”，無法上傳數據；⑥柜內其它設備年限較長，部分設備已出現老化現象。

2.2.2 技術改造內容

（1）現地控制單元改造。原有現地控制柜不具有接入PLC的接口，缺少標準的操作設備，電壓、電流儀表沒有通信輸出功能，設備老化。結合現場情況，對柜內設備進行集成，增加多功能儀表,法勁FAJ96（采集電壓、電流、功率等）支持Modbus通信協議，增加電動合閘、分閘裝置，增加開度儀表，控制回路增加PLC接口。

（2）安裝蝶閥變送器和限位器。變送器信號接入開度儀，顯示準確的開度數據；安裝限位器，可使儀表開到位、關到位動作準確，并接入至控制回路。

（3）PLC控制柜與現地控制柜的集成。PLC控制柜與現地控制柜系統集成，包括安裝、接線、調試，實現遠程監控功能。所采集的信息分為數字量數據、模擬量數據、Modbus協議數據三種類型。數字量數據包括現場蝶閥打開或關閉狀態、閘位行程開關狀態、蝶閥保護裝置狀態、有關按鈕或開關狀態、電動機狀態等；模擬量數據包括開度儀儀表數據；Modbus協議數據包括電壓、電流等數據。PLC和監控平臺程序開發，PLC控制柜與管理處控制室遠程集控的連接。

2.2.3 技術改造的實施過程及效果

（1）蝶閥變送器及限位器信號接入。主要實施過程包括：①變送器信號接入開度儀，顯示準確的開度數據；②對限位裝置進行更換，可使閘門開到位、關到位能準確動作，并接入至控制回路；③變送器、限位器信號傳輸線纜敷設，用線槽固定上墻，做到平行、垂直敷設到現地控制柜；④模擬量傳輸線纜采用RVVP屏蔽線纜，防止電磁干擾，信號失真。

（2）PLC控制柜改造。數字量數據包括現場蝶閥打開或關閉狀態、閘位行程開關狀態、蝶閥保護裝置狀態、有關按鈕或開關狀態、電動機狀態等；模擬量數據包括開度儀儀表數據；Modbus協議數據包括電壓、電流等數據。

1）蝶閥開度數據采集。開度儀表的開度數據傳輸方式為4~20mA模擬量數據，此量程對應0°~90°閘門開度。PLC設備配備了AMI0810采集模塊對該模擬量信號進行采集，給定相應的通道分配，將模擬量轉換為數字量，在程序中對數據進行相應的轉換、計算和整定，從而得出相應的數據結果。

2）現地控制柜電壓、電流數據采集。現地柜的電流、電壓都集成在了柜內的多功能儀表上，而多功能表的數據傳輸方式也遵從RS485串口協議。PLC設備將該數據采集至TSX21601串口模塊。程序將該數據進行整定后，傳輸至觸摸屏，從而便于監管人員對現地控制柜的電流和電壓狀態進行監測。

3）現地控制柜數字量狀態采集。控制柜按鈕狀態通過數字量信息的方式傳輸至PLC設備中。為了保護PLC設備不會被傳輸線路誤入的高壓電流損壞，機旁箱傳輸的數字量信息先是傳遞到PLC柜的中間繼電器上，再以低壓信號的方式傳輸至PLC的DDI1602模塊上。采集模塊的端口I0-I15，在PLC正常運行中，將模塊上的端口狀態映射到PLC的程序寄存器中，由程序邏輯的限制條件，對操作的流程做出正確的執行。閘門的電氣限位信號，先傳輸至機旁箱中，再經過其端子傳輸至PLC中。對于閘門的啟閉兩種狀態，PLC通過檢測限位開關信號來判斷，從而對閘門的開和關指令進行有效的控制，避免閘門越上限和下限。

（3）技術改造效果。通過對現地設備的自動化升級改造，該閘站的運行狀態及數據信息成功接入，實現了PLC以太網方式進行通信，接收遠程啟閉命令，同時上傳設備的運行狀態和各種數據。

2.3 實例3：穿黃隧洞監測井安全監控升級改造

穿黃隧洞布置有兩處監測井（排氣孔），既是隧洞排氣、檢修的通道，也是隧洞內安全檢測數據采集走線通道。在兩處監測井加裝安全監控設備，是為保障監測井設備安全，并可以在汛期觀察周邊汛情，防止黃河漲水入井。因監測井地處農田區域且周邊無電線或穩定供電設備，改造項目采用立高桿架設太陽能板供電監控攝像頭，并在桿下布置短時備用電池和硬盤錄像機，使用通信商民用數據流量卡實現遠程設備控制和畫面傳輸。投入使用后，一處設備因周邊林木較高遮擋陽光，導致太陽能供電板輸出功率無法穩定支持監控設備和硬盤錄像機正常運轉；且兩處設備均出現通信卡流量消耗過快（所在地無法辦理無限流量業務）、使用成本過高的情況。

3 總結

水利工程是關乎社會民生的重要國家項目，自動化技術推廣應用是意義深遠的國家戰略。實例1和實例2的自動化改造，通過并不復雜的技術手段和較低的預算投資，實現了對水利工程現場操作方式的升級和管理水平的提升，并且在實際應用中取得良好的使用體驗，對水利工程運行管理工作的有效開展和深入研究有顯著幫助。

實例3則體現出了自動化技術在水利工程應用中依然存在普及障礙，其主要原因在于：一方面自動化技術依賴于供電、通信等基礎設施，另一方面水利工程多呈現點、線、面復雜局面，日常巡檢、維護、緊急搶修等技術工作的開展有障礙。

近年來，水利工程運行管理單位在設備、人員、管理等方面加大資金投入、加強建設力度，但是自動化技術在水利行業得到廣泛應用后如何做到深度融合，依然任重道遠。