水闸电气自动控制系统的应用分析

蔡荣源

[摘    要]传统手动闸门控制方式可靠性低、灵活性差、故障排除不方便，正被自动控制方式取代。介绍了水闸自动控制系统的功能与架构，阐述了水闸自动控制系统硬件、软件配置，分析了水闸自动控制系统功能实现方法。

[关键词]水闸;自动控制;电气应用

[中图分类号]TP273.5 [文献标志码]A [文章编号]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

水闸是水利工程中常见水工建筑物，通过闸门的启闭实现挡水、泄洪、控制水位、排水等功能。然而在水闸运行中也存在非正常启闭问题，直接影响水闸各项功能的发挥。利用电气自动化技术对启闭机进行自动化升级改造，可实现闸门自动控制和远程控制。水闸应用自动化系统后，不仅能降低水闸工作人员的工作强度，提高水闸运行效率，而且能改善设备运行的准确度与安全性。因此，本文对水闸电气自动控制系统的应用进行了分析。

1 水闸电气自动控制系统功能与架构

1.1 系统功能

水闸控制实际上主要是控制闸门的启闭与开度大小。传统闸门控制一般是采用机电控制方式，通过人工操作按钮实现闸门的启闭和开度大小调节。虽然这种方式简单、直观，但不能根据水情变化精确调节，控制也经常滞后，甚至因为误操作导致事故，与水利现代化、信息化的要求不符。随着计算机技术、自动控制技术的发展，自动控制已在各行各业得到广泛应用，并取代手动方式。水闸自动控制系统功能包括以下内容。

（1）信息采集与处理功能。系统能自动采集和处理闸门运行状态信号，例如：闸前、闸后水位数据，闸门位移数据，启闭电机运行状态数据等。

（2）计算判断功能。系统对采集的数据进行计算，再对结果与设定值进行比较，进而判断闸门状态，如果正常则维持监控状态，异常或故障则报警并做相应处理。

（3）闸门控制功能。系统能自动操作闸门开启、关闭、调节开度大小、在事故状态下紧急刹车等。有些闸门还能根据拦污栅阻塞情况，自动清理拦污栅。

（4）保护功能。系统能对各类故障进行紧急处理，如对闸门卡滞、飞车、黏连、下滑、超限、阻塞及动力柜失电、电机异常等做出应急反应（报警、停机、上传信号等）。

（5）人机交互功能。系统能在显示屏上显示闸门状态信息，通过触摸键、键盘、鼠标等输入方式浏览各个界面（状态界面、控制界面、统计界面、打印界面、帮助界面等），输入控制指令，从而实现人机联系、远程控制等功能。

（6）通信功能。系统能在现地控制单元（LCU）与中控室之间进行实时通信，将LCU获得的信息上传到中控室，并将中控室的指令下发到LCU，对闸门进行控制。

1.2 系统架构

一套完整的水闸自动控制系统应包含闸门控制子系统、工业视频监控子系统、监控网络等部分。从监控网络的角度，系统结构可分为集中式监控网络结构和分布式监控网络结构。集中式监控网络结构以一台计算机（PC）/可编程逻辑控制器（PLC）/工控机为核心，集中处理来自LCU的信号，1个LCU控制所有闸门（最多12个闸门），包括测量的传感器和执行操作指令的机构，一旦LCU故障，整个系统都将瘫痪。这种架构控制设备集中，管理方便，一次性投资省，但扩展性差，可靠性低。分布式监控网络结构由多台LCU组成，每个LCU控制1个或多个闸门。每个LCU自组成1个独立的子系统，1个LCU发生故障，不影响其他LCU运行。现地控制层与集中控制层通过现场总线互联，这种结构的优点是扩展性强，可靠性高，但一次性投资較大。典型分布式监控网络结构可分为远程控制层、集中控制层和现地控制层。远程控制层由远程控制PC通过宽带网络/移动通信网络与集中控制层互联。集中控制层由操作员站、工程师站、打印机、Web服务器等组成，通过以太网和现地控制层通信。现地控制层由各个闸门的LCU组成，每个LCU控制1个或若干闸门、水位计、闸门开度仪等设备，经交换机、光纤收发器与集中控制层的以太通信网络相连。

2 水闸电气自动控制系统硬件配置

2.1 现地微机控制器选择

目前，现地微机控制器可采用工控机、单片机和PLC。工控机全称是工业控制计算机，具有很强的数据处理、人机接口、联网通信等功能，但体积大、价格高，不适应对安装空间和成本控制敏感的系统。单片机体积小，价格低，应用也比较灵活方便，但开发周期较长，一旦写入程序，难以更改，而且对于水闸工作环境而言，单片机可靠性还是不够理想。PLC是专为工业环境制造的微型计算机，计算、控制、联网通信能力都比较好，可靠性高，扩展性强，编程开发方便灵活。综合比较三种微型计算机的优缺点，PLC最适合作为水闸自动控制系统现地微机控制器。

2.2 传感器选择

闸门状态信号主要是通过传感器检测实现的，选择性能可靠、经济合理的传感器是满足水闸自动控制要求的前提。影响水闸自动控制系统控制性能的关键传感器是闸位仪和水位计。闸位仪也称为闸门开度仪，是由闸位传感器和编码器组成闸位检测系统。闸位传感器有利用重锤平衡原理检测闸位;卷扬式启闭机可在卷扬机轴上安装变速齿轮，用来驱动编码器检测闸位;还有利用光电、电磁原理制造的闸位传感器。编码器分增量型和绝对值型。增量型编码器记录的是相对位置，掉电后数据会丢失，重归原点。绝对值型编码器能记录绝对位置值，掉电也不影响位置检测。在水闸工作环境下，掉电和电磁干扰都是可能发生的，所以应选择绝对值型编码器。闸位传感器可选择光电式，适合平板闸门、弧形闸门、人字形闸门等多种类型。闸门要根据上下游水位进行控制，故在闸前、闸后要设置水位计检测水位。根据测量原理，水位传感器分为浮子式、压力式、超声波式、磁浮子接点式等多种类型。应用比较多的是浮子式水位传感器，这种型式的水位传感器需设置测井，对水质有一定要求，水中污物、泥沙较多时容易堵塞和卡死浮子，导致测量失准，这种情况下可选择非接触的超声波传感器，不需设置测井，不受水中泥沙含量影响，但风浪大、水面漂浮物多时也有干扰。

2.3 监控网络配置

监控网络对实时性要求较高，这样才能保证数据无延迟、可靠地传送，同时网络上存在大量结点，结点的动态改变和网络负载变化不应影响传输能力，对网络的可重复性也提出了较高要求。现场设备以PLC为核心，通过光纤或双绞线、同轴电缆结成总线拓扑结构。在中控室配置以太网交换机，与现地控制层通过工业以太网进行数据交换。网络通信采用数字传输方式，传输速率快，实时性强，抗干扰性能优。遵守同一通信协议，不受现场设备型号、规格的影响，组成组态统一的网络，通过监控网络实现闸门数据采集、操作控制及视频监控功能。

3 水闸电气自动控制系统软件配置

3.1 下位机软件配置

下位机PLC，一般采用PLC厂家提供的编程软件对PLC进行功能配置。PLC编程采用梯形图，与传统继电器控制回路的梯形图相似，便于电气技术人员理解和配置功能。配置PLC时，可通过编程器向PLC输入程序，也可以利用PLC进行自动配置，如PLC读取I/O模块产生自动配置后，通常不需要专门配置。IP地址需要手动设置，这样上位机才能找到PLC。闸门升降数据的检测要使用格雷码，克服上位机读取二进制数据时易产生错误的缺陷，所以二进制数据与格雷码之间要进行转换。解决了数据读取问题，就可以为系统设置闸门升高限值及各种条件下的启闭指令、故障报警等。画出程序流程图，用梯形图表达控制逻辑，将控制指令输入PLC中，PLC就能按照预定程序对闸门进行自动控制。PLC输入输出点配置，包括开关量输入输出、模拟量输入输出，例如电机启动运行、闸门启闭为开关量，上下游水位、闸门开度为模拟量等。配置PLC程序包括闸门启闭控制、升降控制、自动纠偏控制等。

3.2 上位机软件配置

水闸自动控制系统通过组态软件可配置上位机应用软件。组态软件是专用于采集数据和过程控制的软件，能为自动控制系统提供良好的开发环境，包括数据采集功能、脚本功能、控制功能、互联网支持等。利用组态软件的图形界面系统可显示对象的动态属性，发布报警通知、查询历史数据等。利用组态软件的实时数据库系统可保存当前运行的各项数据作为数据档案来管理。利用组态软件的第三方程序接口组件，可实现与第三方程序的交互和远程数据访问功能。利用组态软件的控制功能组件提供面向对象的、像梯形图一样方便的控制功能。

3.3 控制方式选择

水闸自动控制系统不但要满足闸门启闭、升降等基本控制功能，还要提供检修、调试等特殊功能。针对各种故障采取相对应的处理方法，避免因为某种故障的发生引起灾害性后果，所以对系统的安全可靠性提出了较高要求。为了满足不同的控制需求，系统必须具备多种不同的控制方式，现以双吊点闸门为例阐述闸门的控制方式。双吊点闸门在提升过程中，常因两侧摩擦系数不一致，加上水的冲击力分配不平衡，在升高时失去平衡，导致闸门卡滞，强行起吊时可能会损坏闸门及控制系统。为此，应在闸门两侧设置开度仪，通过检测两侧开度差控制两侧的升高。例如开度大的一侧停止上升，开度小的一侧升高，当两侧开度差小于设定值时，再同步升高，以此减少闸门两侧升高不一致现象，使闸门均衡升降。闸门控制可以采用人为设定开度的方式进行，也可以根据上下游水位及过闸流量对闸门开度进行自动调节，后面这种方式因为水文特性随季节、气候等条件变化而变化，采用传统PLC控制方式操作极为复杂，实际上很难实现，所以闸门控制廣泛采用模糊控制，即运用模糊控制理论，将很难以精确数据表达的量以模糊量表示。

4 水闸电气自动控制系统功能实现

4.1 数据采集

水位计传感器采集到水位变化引起的形变位移，经由转换电路转化为电流信号，输出至LCU中，经信号隔离器交由PLC计算处理，PLC再将处理后的数据上传监控中心。同样地，闸位仪传感器采集启闭机机轴旋转角度数据，编码器响应为位置数据，再传输给PLC计算处理。

4.2 闸门控制

闸门一般采用自动控制方式，但备有手动方式，在自动控制方式发生故障或失效时应急使用，也用于设备检修维护时的特殊需要。控制优先级，现地控制级高于远程控制级，即在现地操作时远程控制不能操作。根据水闸上下游水位数据，水闸自动控制系统可以实现定开度或定流量控制，单闸门自动启闭运行，成组闸门自动启闭运行。

4.3 系统调试

调试流程：现地手动控制单元调试→PLC柜现场调试→动水条件下单闸门启闭调试→动水条件下成组闸门启闭调试→闸门开度调试。手动控制单元调试流程：检查PLC模块端子接线是否正确→检查PLC开关电源接线是否正确→合上电源总空气开关→控制开关分别置于手动、自动位，检查回路是否正确→断开总空气开关，合上控制回路空气开关→手动操作闸门升、降和停止，检查动作是否正确→完全正确，完成调试。PLC控制柜调试流程：检查柜内接线是否正确，检查电源是否正常→合上空气开关，机柜上电→检查PLC状态及通讯是否正常→运行CPU模块→下载测试程序及硬件配置至PLC内→运行软件在线监视，状态“强制”→根据现场回讯和动作执行效果，排查所有接线的正确性→测试PLC与上位机通讯准确性和可靠性→下载完整PLC程序，测试PLC与上位机通讯状况→现场上电，依次试验现场回讯是否正常、现场动作是否正确、与上位机通讯情况→现场和上位机分别发令，测试现场动作、回讯及上、下位机的通讯。动水条件下单闸门启闭调试流程：现场全部上电，状态“自动控制”→上位机发令→各闸门依次试验小开度上升、下降。动水条件下成组闸门启闭调试流程：现场全部上电，状态“自动控制”→上位机发令→各闸门联动小开度上升、下降。闸门开度调试流程：现场全部上电，状态“自动控制”→上位机发令→各个闸门试验开度0～100%→各个闸门联动试验开度0～100%。全部项目调试完成，功能完备，逻辑正确，水闸自动控制系统即可投入使用。

4.4 系统应用

4.4.1 实时监控

利用组态软件将闸门运行、闸区水位状态实时显示在模拟图中，还能将视频监控系统现场摄像头拍摄的视频展示出来。模拟图中有闸门状态图像，下面有上、下游水位数据。控制状态下有“手动”“自动”转换功能。阀门开度一栏有设定开度、实际开度，可设置为cm或%。还有全开、全落、开闸、关闸、停止“按键”。在管理一栏中有电机管理、报警窗口、紧急停止、模拟图/视频转换等选项。

4.4.2 趋势分析

系统能统计某段时间的最高、最低、平均水位及闸门开度大小，并以趋势图展示出来。

4.4.3 统计报表

系统能提供日报、周报、月报、季报、年报及选定的任意时段数据统计，并以报表形式显示，通过打印机可以打印出来，是研究水情变化、改进运行操作的重要资料。

4.4.4 系统维护

该功能用于系统维护，例如用户管理、数据管理、时钟同步、报警设置、连接数据库等。

5 结束语

水闸电气自动控制系统具有控制精度、控制效率高的特点，能减轻运行人员工作强度，在水利工程中应用效果良好。但水闸自动控制系统功能的实现需要完善的架构、高质量的软硬件配置、严谨的调试和良好的维护，只要满足这些条件，系统就能展现自动化技术的优势，为水利工程提质增效发挥作用。

参考文献

[1] 赖佑贤，闫晓满.一种无人值守的自动控制式新型水闸技术研发[J].水利建设与管理，2017，37（2）：55-57.

[2] 于强.大道王闸综合自动化应用研究[J].工程建设与设计，2020（8）：251-253.