閘門遠程監控技術在工程應用中的研究與探討

王尚宏，張 倩

（新疆電子研究所有限公司 新疆 烏魯木齊 830049）

隨著計算機技術的快速發展，SCADA等工業控制技術的日趨成熟，采用計算機、PLC、網絡、智能閘門測控儀（開度儀）、旋轉編碼器、閘位傳感器、水位計、上位機監控軟件等多種現代技術，實現閘門的遠程實時監控已經成為事實，但是現階段的技術理論在實際工程中出現了許多應用問題，文中針對出現的問題進行了研究探討并提出了相應的解決思路與辦法[1]。

1 閘門遠程監控的定義

閘門自動化遠程監控系統就是通過計算機監控系統檢測采集閘門上、下游水位、閘門荷重、閘門啟閉狀態與開度、工程運行實時工況圖像等信息，并根據實測水文資料，通過上位機監控系統的分析、判斷、水文水利計算，進行科學控制、自動調節，保證閘門的優化、安全、經濟運行。操作方式上則以計算機作為人機界面，控制方式和理念上則轉變為遠程監控為主，現場就地控制為輔，并僅作為備用檢修操作方式運行。

2 閘門遠程監控的構成

閘門遠程監控系統能實現就地控制和遠程控制2種方式[2]，主要由數據采集系統、啟閉控制系統、安全保障系統、視頻監視系統、語音報警系統、web發布系統等幾部分組成，其相互間邏輯關系如圖1所示。

圖1 遠程監控系統邏輯Fig.1 Long-range logic picture of monitoring system

數據采集系統負責上下游水位、閘位、閘門位置等開關量和模擬量的采集；啟閉控制系統負責閘門升降停的控制；安全保障系統則是為了確保閘門在啟閉運行時，無論出現任何非正常工況都可以迅速地安全終止操作，保護設備安全；前臺計算機監控系統主要負責對數據的處理、分析、判斷，提供較為直觀友好的人機界面；語音報警系統除了對設備運行異常情況進行報警外，還可以在閘門啟閉前進行語音提示，對上下游起到告知作用；WEB發布系統則可以對閘門的運行工況，如水位、流量、開高、開孔數、荷重等參數進行對外發布，以供其它人員瀏覽；視頻監視系統負責采集存儲啟閉機房內外、上下游河道等重點監控點的運行情況 ，并同時具備通過IE進行遠程WEB瀏覽功能。

其中數據采集系統、啟閉控制系統由PLC完成，安全保障系統由數字電子限位、機械限位、負載過荷、工作超時、啟閉機過流、方式閉鎖等多重保護功能組成，確保閘門運行安全可靠。計算機監控系統、語音報警系統、Web發布系統由前臺監控計算機完成，視頻監視系統及遠程瀏覽可以通過硬盤錄像機來輕松實現。

通過RS485與閘位計實現現地控制的方式。閘門遠程集中控制通過可編程控制器[3]與閘位計的通訊來實現，如DZKB、XDZC-100型閘門測控儀等，其本身具備閘門啟閉控制、上下限位設置、開高模擬跟蹤顯示、荷重監視等功能，一般閘門測控儀與PLC的通訊是通過基于MODBUS RTU 485標準串行通信總線[5]實現近地控制.實現方式如圖2所示。

圖2 系統工作原理圖Fig.2 System working principle

3 工程應用中常出現的問題與解決辦法

文中主要針對現地控制部分在工程應用中出現的問題進行研究。

3.1 編碼器安裝方式存在的問題及解決辦法

1）編碼器設計安裝方式

旋轉編碼器以轉動時輸出脈沖，通過計數設備來計算閘門位置[4]，在閘位控制中現在普遍采用的安裝方式是安裝在閘門的絲桿附近，依靠齒輪與閘門的絲桿嚙合，在電機提升或下降的過程中絲桿的運動帶動編碼器的齒輪轉動實現開度的計量。如圖3所示。

圖3 編碼器設計安裝方式Fig.3 Encoder designs and installs the way

2）存在的問題

在實際應用中發現，中小型閘門在運行過程中由于長期受重力作用或者電機震動會造成絲桿的垂直度全部產生變形，這樣帶來的問題就是：要么編碼器與絲桿嚙合的間隙過大，導致編碼器不轉動；要么是編碼器與絲桿嚙合的間隙過小，導致編碼器損壞，最終造成開度計量的不準確，無法保證閘門控制的可靠運行。

3）解決辦法

參照浮子水位計的連接設計方式，將編碼器和絲桿的連接方式由齒輪嚙合改成鋼絲纏繞滑輪和編碼器的連接方式，鋼絲一端連接絲桿，纏繞滑輪和編碼器轉盤后再連接一個重錘。這樣的話，閘門絲桿在上升或下降過程中不與編碼器直接接觸，只牽動鋼絲，鋼絲再經滑輪傳動帶動編碼器轉盤的轉動。如圖4所示。

圖4 改進的編碼器安裝方式Fig.4 Way that the improved encoder is installed

3.2 閘門自動啟閉的可靠性存在的問題及解決辦法

1）閘門啟閉過程的設計方案

普遍采用的閘門啟閉控制方式：旋轉編碼器的信號提供給開度儀，開度儀以4～20 mA的信號傳給PLC，PLC根據編碼器產生的位移進行邏輯判斷控制閘門的啟閉。其中閘門的上下限在開度儀上可以進行參數設定，閘門的啟閉限位有限位開關來保證。

2）存在的問題

在實際應用中發現，多數閘門附近經過長期沉沙，如果不及時清理，會有一定高度的泥沙堆積，有時也會有大的石塊卡在閘門閉合槽中。閘門在關閉的過程中，由于泥沙或石子的阻礙不能達到啟閉限位，此時上下限位的限位開關就失去了保護功能，開度儀在未達到下限參數設定時不會給PLC提供達到下限位的信號，PLC就會一直控制電機運轉，此時閘門無法下降，但是電機卻在繼續運行，結果是負載轉矩過大導致電機停轉，電機長時間電流增大必將引起繞組發熱[6]，最終會導致電機損壞，不能保證閘門控制的可靠性。

3）解決辦法

采用閉環智能分析+報警的方式來增加閘門啟閉過程的可靠性如圖5所示。

圖5 電流閉環智能分析Fig.5 Electric current closes the intellectual analysis of the ring

在閘門控制系統中，給電機增加一個電流感應模塊，將電機電流信號輸出給PLC，再給PLC設定一個電機正常工作的電流參考變量。當電機電流大于PLC設定的參考變量時就說明電機堵轉，PLC立即發出電機停止運行命令同時向上位機提出報警并提供相應的參數。這樣就可以形成一個閘門啟閉過程的PLC閉環智能分析+報警過程，對閘門的維護和安全運轉提供了可靠性保障。

4 結束語

閘門遠程監控技術已經趨于完善，但是在技術實施過程中根據實際情況不同總會出現許多問題，作為工程人員針對出現的問題及時進行研討和技術改進能促進系統的最佳化。本文中提到的相關技術問題均取自新疆兵團且末墾區蘇塘灌區自動化項目，所論及的改進方法也在該項目中具體實施，改善效果良好。

[1]莫兆祥，楚偉華，王衛.閘門自動化遠程監控方式設計分析[J].機電一體化，2008（1）：89-92.

MO Zhao-xiang，CHU Wei-hua，WANG Wei.The automation of the gate controls the way to design and analyse longrangly[J].The Electromechanics Integrates，2008（1）：89-92.

[2]曠哲.基于PLC的閥門遠程監控系統設計 [D].長沙學院，2008.

[3]楊青峰，付騫.可編程控制器原理及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2010.

[4]劉興海.旋轉編碼器的應用[J].新疆鋼鐵 2006（1）：31-34.

LIU Xing-hai.Rotate the application of the encoder[J].Xinjiang Steel，2006（1）：31-34.

[5]李昌禧.微機化儀器儀表設計[M].武漢：華中理工大學出版社，1999.

[6]王永華等.現代電器控制及PLC應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.