探討水閘電氣設(shè)備控制系統(tǒng)應(yīng)用

付 煜

（佛山市科誠工程監(jiān)理有限公司，廣東 佛山 528000）

水利工程在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有十分重要的地位和作用，且關(guān)系到國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，以及人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全等重大社會問題。水閘電氣設(shè)備的控制作為水利工程建設(shè)與管理的基本要素，在水利工程管理中占有重要的作用。因此，如何增強(qiáng)大中型水閘電氣設(shè)備控制方法的科學(xué)化和現(xiàn)代化，就成為水利工程成敗的關(guān)鍵所在。

1 水閘電氣控制的內(nèi)容及要求

大中型水閘是水利樞紐工程的重要建筑物，由于其地位重要、投資巨大，大中型水閘電氣控制應(yīng)以充分保證水閘運(yùn)行安全、及時(shí)準(zhǔn)確測量運(yùn)行數(shù)據(jù)、便于操作控制為原則，大中型水閘電氣控制內(nèi)容包括以下幾個方面：①啟閉機(jī)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)控制，啟閉機(jī)電機(jī)的過載、斷相及短路保護(hù)，啟閉機(jī)電機(jī)的工作參數(shù)監(jiān)視和監(jiān)測；②水閘上下游水位的測量、顯示、比較及數(shù)據(jù)傳送；③閘門開啟高度的測量、顯示、控制及數(shù)據(jù)傳送；④閘門啟閉過程中最下安全位和最上安全位的限位控制；⑤通過水閘的即時(shí)流量和累計(jì)水量的計(jì)算、顯示及數(shù)據(jù)傳送；⑥閘上照明及其他動力用電的供給。

上述6個方面的控制內(nèi)容應(yīng)有機(jī)地結(jié)合在一起，且組成的控制系統(tǒng)應(yīng)具有開放性和兼容性，即對水閘電氣控制需要增加的內(nèi)容留有必要的接口，以滿足技術(shù)進(jìn)步的要求。

2 大中型水閘電氣控制的一、二次回路

現(xiàn)有大中型水閘的啟閉形式大多為卷揚(yáng)式。啟閉機(jī)中使用的三相交流異步電機(jī)的功率為3～15 kW。電氣控制的一、二次回路首先要實(shí)現(xiàn)電源控制，使電機(jī)能正向旋轉(zhuǎn)或反向旋轉(zhuǎn)；其次，要能對電機(jī)本身的過載、短路、斷相等非正常工況進(jìn)行保護(hù)，還要為閘門啟閉的上、下限位控制；閘門啟閉高度的自動控制；閘門啟閉過程的集中控制、遠(yuǎn)程控制或遙控提供相應(yīng)的接口等。

3 二合一精密行程開關(guān)

目前所使用的主令控制器，絕大部分是純機(jī)械結(jié)構(gòu)，其傳動結(jié)構(gòu)為蝸輪蝸桿。它的缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)困難；調(diào)節(jié)時(shí)上、下限互相影響；費(fèi)工費(fèi)時(shí)；控制精度差；控制點(diǎn)會偏移：復(fù)位行程大（25 cm以上）等。

最新的技術(shù)是采用長絲桿傳動機(jī)構(gòu)，將電子接近開關(guān)和機(jī)械行程開關(guān)合二為一構(gòu)成二合一精密行程開關(guān)。這種精密行程開關(guān)具有重復(fù)定位精度高（0.10 mm）；調(diào)節(jié)方便；復(fù)位行程短（不超過10 cm）；容易構(gòu)成兩級保護(hù)；可靠性高；壽命長；安裝簡易等一系列突出優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用于水利工程中取代老式主令控制器的更新?lián)Q代產(chǎn)品。

二合一行程開關(guān)結(jié)構(gòu)原理。長絲桿通過齒輪付與閘門啟閉機(jī)減速器輸出軸相連接，在閘門上升或下降的過程中，長絲桿也跟著一起正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而帶動長絲桿的圓螺母沿絲桿軸線左右移動。圓螺母上有電子接近開關(guān)的觸發(fā)器件，當(dāng)圓螺母右移至上限電子接近開關(guān)附近時(shí)，上限電子接近開關(guān)動作，與其對應(yīng)的常閉觸點(diǎn)打開；如圓螺母繼續(xù)右移，則上限機(jī)械行程開關(guān)動作，其常閉觸點(diǎn)打開。對于圓螺母左移的情況，與上述類似。在圓螺母左移過程中將分別使下限電子接近開關(guān)和下限機(jī)械行程開關(guān)動作。

4 閘門開度傳感器

根據(jù)輸出信號的類型，閘門開度傳感器可分為模擬式和數(shù)字式。

早期的模擬式閘門開度傳感器一般以精密線繞多圈電位器作為傳感器件。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，且信號傳輸只需要三芯電纜，傳輸費(fèi)用低，系統(tǒng)停電不會丟失閘門開度信號。其不足是電信號有一定的溫漂，但基本滿足水利工程中測量閘門開度的要求。

數(shù)字式閘門開度傳感器又分為計(jì)數(shù)式和直接編碼式兩種。計(jì)數(shù)式傳感器的工作原理是對閘門啟閉機(jī)某一轉(zhuǎn)動軸的角位移通過計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，以某一方向的角位移為正進(jìn)行加計(jì)數(shù)，以相反方向的角位移為負(fù)進(jìn)行減記數(shù)。記錄脈沖可由光電器件、干簧管或霍爾器件產(chǎn)生。數(shù)據(jù)的記錄過程和保存都需要有電源支持，傳感器中一般備有可以浮充電的電池。其輸出的數(shù)據(jù)格式可以是二進(jìn)制、BCD碼或格雷碼。這種傳感器的使用可靠性主要取決于充電電池，一旦電池失效則該傳感器中的數(shù)據(jù)將全部丟失。因這種傳感器存在影響可靠性的隱患，故這種計(jì)數(shù)式閘門開度傳感器一般不宜推廣使用。

5 閘門開度數(shù)顯控制儀

大中型水閘啟閉過程中需要掌握的基本數(shù)據(jù)之一就是閘門啟閉開度，閘門開度數(shù)顯控制儀（簡稱閘高儀）一般不僅可以測量、顯示閘門的開度，而且還可以通過預(yù)先設(shè)定，將閘門自動控制到欲啟閉到的開度，從而方便了閘門啟閉的控制。根據(jù)是否使用計(jì)算機(jī)芯片，可將閘高儀分為智能型和非智能型；根據(jù)輸入信號的類型，閘高儀分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式非智能型的閘高儀，由于其功能少，對傳感信號的處理結(jié)果受溫度影響，閘門開度數(shù)據(jù)不易遠(yuǎn)距離傳輸?shù)龋瑢⒅鸩奖惶蕴Ｏ喾矗瑪?shù)字式智能型閘高儀，由于其中使用了計(jì)算機(jī)芯片（一般為單片機(jī)），其許多功能可以通過軟件來實(shí)現(xiàn)，并且它的輸入信號一般是由對閘門位移直接進(jìn)行數(shù)字編碼的傳感器提供，因此，這種閘高儀測量精度高，沒有溫度漂移和時(shí)間漂移問題，功能多，且可直接將有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙向傳輸，是今后的發(fā)展趨勢。這種閘高儀的具體功能如下：①可適應(yīng)3種閘門型式：單扇平板閘門，上下扉雙扇平板閘門，弧形閘門；②可對與之相連的傳感器進(jìn)行率定，從而可確保閘高儀測量閘門開度的精確度；③在閘門的安全啟閉高度范圍內(nèi)可任意設(shè)定上下限值，并當(dāng)閘門開度等于上下限值時(shí)能給出對應(yīng)的上下限繼電器觸點(diǎn)，利用這些觸點(diǎn)可以自動控制閘門到任意設(shè)定的某一開度；④能任意設(shè)定上下限動作的提前量，以消除啟閉系統(tǒng)的機(jī)械和電氣慣性，達(dá)到精確控制的目的；⑤可以專門設(shè)定閘門啟閉的最高限和最低限，用以對閘門啟閉的安全范圍做進(jìn)一步限定；⑥提供閘高信號的RS－485接口和并行接口，方便其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。

6 水位傳感器和水位儀

最原始的測量水位的方法是使用水尺。雖然這種測量方法較準(zhǔn)確，但使用不方便，容易產(chǎn)生讀數(shù)誤差，最主要的是不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳，故這種方法今后只應(yīng)作為一種水位基準(zhǔn)來使用。

使用電氣方法測量水位的水位儀，由水位傳感器和水位顯示儀組成，兩者之間由信號傳輸線相聯(lián)系。目前常用的水位傳感器有壓力式傳感器和碼盤式傳感器。壓力式傳感器是利用半導(dǎo)體單晶硅在外力的作用下其阻值發(fā)生變化的原理制成的，利用這種傳感器可加工成“投入式液位變送器”，使用時(shí)將它直接投入被測液體中，十分方便。這種變送器的輸出電流一般為4～20 mA，信號線僅需2芯電纜，故信號傳輸費(fèi)用少；由于其體積小，直徑一般在30 mm左右，故在現(xiàn)場安裝時(shí)無需建造專用的測井，因而節(jié)省費(fèi)用。壓力式傳感器的缺點(diǎn)是存在時(shí)漂和溫漂，且密封工藝不成熟，使用壽命較短。

7 計(jì)算機(jī)應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在大中型水閘控制應(yīng)用中利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳送等已成為必然。

目前計(jì)算機(jī)技術(shù)在大中型水閘中的應(yīng)用，既有使用單片機(jī)組成水閘工況綜合測控系統(tǒng)的，也有使用工控機(jī)來組成系統(tǒng)的。在功能的實(shí)現(xiàn)上兩者都能達(dá)到相同目的。使用單片機(jī)的方法在開發(fā)上比使用工控機(jī)難度更大，但單片機(jī)成本低，在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)條件下具有一定優(yōu)勢，而工控機(jī)在操作界面、數(shù)據(jù)處理方面比單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)容易得多。今后計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用推廣不僅與現(xiàn)有控制內(nèi)容不矛盾，而且還依賴于現(xiàn)有技術(shù)。閘門開高數(shù)顯控制儀為計(jì)算機(jī)提供了閘高信號，水位儀為計(jì)算機(jī)提供了水位信號，這些信號是計(jì)算流量和累計(jì)水量的依據(jù)，也為計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理、傳送水位、閘高數(shù)據(jù)提供了來源，所以隨著社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)逐步在大中型水閘中安裝閘高、水位測量控制儀器，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的綜合應(yīng)用。