探討水利樞紐工程中電氣自動化技術(shù)的應(yīng)用

姜永建

[摘? ? 要 ]在當(dāng)今的信息化時代中，電氣自動化技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮出了充分的技術(shù)優(yōu)勢。而水利樞紐工程便是電氣自動化技術(shù)的一個主要應(yīng)用領(lǐng)域。在當(dāng)今的水資源不斷開發(fā)中，電氣自動化在水利樞紐工程中的應(yīng)用效果也越來越明顯，并逐漸成為水利樞紐工程中的一項(xiàng)不可或缺的技術(shù)。借助于電氣自動化技術(shù)，可以對水利樞紐工程的泵閘進(jìn)行自動控制和調(diào)節(jié)，以此來保障水利樞紐工程的應(yīng)用效果及其安全性。基于此，本文對電氣自動化技術(shù)在水利樞紐工程中的應(yīng)用進(jìn)行分析，以此來為電氣自動化技術(shù)的應(yīng)用和水利工程的發(fā)展提供相應(yīng)參考。

[關(guān)鍵詞]電氣自動化;自動化控制技術(shù);水利樞紐工程

[中圖分類號]TV61;TM76 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）09–00–03

[Abstract]In today's information age， electrical automation technology has been widely used in many fields， and has played a full technical advantage. The water conservancy project is a main application field of electrical automation technology. In today's continuous development of water resources， the application effect of electrical automation in water conservancy project is more and more obvious， and has gradually become an indispensable technology in water conservancy project. With the help of electrical automation technology， the pump gate of water conservancy project can be automatically controlled and regulated， so as to ensure the application effect and safety of water conservancy project. Based on this， this paper analyzes the application of electrical automation technology in water conservancy project， so as to provide corresponding reference for the application of electrical automation technology and the development of water conservancy projects.

[Keywords]electrical automation; automation control technology; water conservancy project

隨著社會經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，各種先進(jìn)技術(shù)開始被應(yīng)用到水利工程中。尤其是在水利樞紐工程中，電氣自動化技術(shù)更是發(fā)揮著顯著的優(yōu)勢。通過電氣自動化技術(shù)的應(yīng)用，不僅讓水利樞紐工程中的每一個環(huán)節(jié)都實(shí)現(xiàn)了工作效率的顯著提升，同時也可以實(shí)現(xiàn)各個設(shè)備的選擇性調(diào)節(jié)，以此來實(shí)現(xiàn)水利樞紐工程整體工作效率和經(jīng)濟(jì)效益的進(jìn)一步提升。因此，在水利樞紐工程的運(yùn)行過程中，技術(shù)人員一定要加強(qiáng)對電氣自動化技術(shù)的應(yīng)用，通過合理的自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用來發(fā)揮出充分的技術(shù)優(yōu)勢，促進(jìn)水利樞紐工程應(yīng)用效果的提升，并實(shí)現(xiàn)錯誤率和人工成本的進(jìn)一步降低。

1 電氣自動化技術(shù)特點(diǎn)概述

在當(dāng)今，電氣自動化的發(fā)展越來越快，該技術(shù)所涉及到的范圍也越來越廣，比如網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)和信息技術(shù)等，隨著這些技術(shù)的飛速發(fā)展，電氣自動化技術(shù)也開始日益成熟起來，并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大。水利水電工程就是電氣自動化技術(shù)的一個主要應(yīng)用領(lǐng)域，將該技術(shù)與水利工程之間進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，將會對水利工程的良好發(fā)展起到有效的推動作用，同時也會實(shí)現(xiàn)水利資源的有效節(jié)約與水利工程工作效率的進(jìn)一步提升，并讓整個水利工程朝著便捷化、自動化的方向發(fā)展[1]。因此，為有效保障我國水利工程的良好發(fā)展，就應(yīng)該將電氣自動化技術(shù)合理應(yīng)用到水利工程，尤其是水利樞紐工程中，通過兩者的有機(jī)結(jié)合來發(fā)揮出更好的技術(shù)優(yōu)勢。

2 水利樞紐工程泵閘電氣自動化系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對水利樞紐工程進(jìn)行泵閘電氣自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的功能需求來進(jìn)行各個單元模塊的設(shè)計(jì)，主要包括泵閘控制、自動化泵閘綜合網(wǎng)絡(luò)、自動化泵閘遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和視頻系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過分層方式進(jìn)行控制，主要包括現(xiàn)場的泵閘測控層、數(shù)據(jù)處理層以及遠(yuǎn)程調(diào)度層。

2.1 現(xiàn)場泵閘測控層

這一層是整個泵閘控制的基礎(chǔ)，其核心設(shè)備是PLC。具體應(yīng)用中，借助于氣象站、流量傳感器、熱電偶、電力儀表、閘門開度儀和水位傳感器等的這些傳感器設(shè)備來進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)、泵閘電機(jī)溫度數(shù)據(jù)、閘門開度數(shù)據(jù)以及水位數(shù)據(jù)等的實(shí)時采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)借助于以太網(wǎng)傳遞給控制中心，控制中心在接收到這些數(shù)據(jù)之后，會根據(jù)實(shí)際情況對泵閘設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和調(diào)度。

2.2 數(shù)據(jù)處理層

這一層的主要功能是對現(xiàn)場泵閘數(shù)據(jù)采集與處理及遠(yuǎn)程控制，其主要的組成部分是各個數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及泵閘遠(yuǎn)程監(jiān)控和集控中心的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。在該系統(tǒng)的具體應(yīng)用中，會在各控制中心都設(shè)置一臺數(shù)據(jù)服務(wù)器，以此來實(shí)現(xiàn)所有泵站數(shù)據(jù)信息的全面匯集，控制中心可以借助于監(jiān)控客戶端對轄區(qū)之內(nèi)每一個泵閘站點(diǎn)信息數(shù)據(jù)訪問，同時也可以通過客戶端對泵閘進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。另外，在該系統(tǒng)中，也將在集控中心設(shè)置了數(shù)據(jù)服務(wù)器，這樣就可以將轄區(qū)之內(nèi)的每一個泵閘站數(shù)據(jù)信息都匯集在集控中心的數(shù)據(jù)庫里，為系統(tǒng)調(diào)度與控制管理的進(jìn)一步優(yōu)化提供充分的數(shù)據(jù)支撐[2]。

2.3 遠(yuǎn)程調(diào)度層

這一層的主要功能是對泵閘調(diào)度與控制中心進(jìn)行管理，主要包括泵閘運(yùn)行情況監(jiān)控管理和泵閘調(diào)度等。具體應(yīng)用中，將視頻工作站以及監(jiān)控客戶端設(shè)置在了泵閘集控中心，以此來實(shí)現(xiàn)轄區(qū)之內(nèi)所有泵閘的監(jiān)測、控制和調(diào)度，并實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的跟蹤監(jiān)視。這樣就可以讓所有的泵閘得到集中統(tǒng)一的實(shí)時監(jiān)控與遠(yuǎn)程調(diào)度，使其運(yùn)行安全得到良好保障。

3 水利樞紐工程中的電氣自動系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用

3.1 軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

在本次所研究的某水利樞紐工程的電氣自動化系統(tǒng)應(yīng)用中，主要功能是對泵閘的控制和現(xiàn)場信號的采集、處理。在現(xiàn)場控制到遠(yuǎn)程控制的切換過程中，該系統(tǒng)可以對來自于自動化遠(yuǎn)程調(diào)度與管理中心的控制指令進(jìn)行接收。在該系統(tǒng)中，將PLC作為主要的監(jiān)控核心設(shè)備，采用施耐德公司的高端控制器產(chǎn)品M580系列PLC，借助于開發(fā)工具Unity pro V13.0進(jìn)行控制程序開發(fā)。Unity pro V13.0是一款由施耐德出品的PLC編程軟件，其全新的獨(dú)創(chuàng)設(shè)計(jì)縮短了開發(fā)時間，處理器的靈活性可以實(shí)現(xiàn)更高的性能，基于開放性以及對工具的協(xié)同式應(yīng)用，Unity在軟件開發(fā)和控制系統(tǒng)運(yùn)行上達(dá)到了更高水平。Modicon M580集各種強(qiáng)勁功能和創(chuàng)新技術(shù)于一身，全面滿足工業(yè)過程控制和基礎(chǔ)設(shè)施自動化控制中的各種需求，在靈活強(qiáng)大的 Unity 軟件配合下，自始自終提供令人滿意的服務(wù)。其獨(dú)有的“E網(wǎng)到底”的以太網(wǎng)架構(gòu)，消除了以往自動化架構(gòu)中管理層和設(shè)備層的通訊瓶頸，引領(lǐng)了可編程自動化控制器的發(fā)展方向 [3]。

3.2 信號采集設(shè)計(jì)

首先是對模擬量處理程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)中，借助于BMX AMI 0810這一模擬量輸入模塊來進(jìn)行水位數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)等的這些傳感器信號采集，此時需要配置模擬量信號，然后在軟件中進(jìn)行BMX AMI 0810這一模塊的添加，自動將信號地址輸入添加進(jìn)來，傳感信號可以是±2.5 V、±5 V以及±10 V等的這些電壓信號，也可以是0～20 mA形式的電流信號，其對應(yīng)的數(shù)字量是0～20000，對應(yīng)的分辨率是1/20000。因此，如果輸入的電流信號值在4～20 mA之間，其對應(yīng)的BMX AMI 0810模擬量處理后的數(shù)字量是4000～20000。

其次是對流量累計(jì)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)中，需要在各個泵閘站進(jìn)行流量傳感器的安裝，并將其電信號輸入值設(shè)定在4～20 mA之間，這樣就可以通過河流瞬時流量值進(jìn)行準(zhǔn)確獲取。要想實(shí)現(xiàn)河道累計(jì)流量的獲取，就需要借助于PLC對單位時間之內(nèi)流量從瞬時到累積的轉(zhuǎn)變進(jìn)行程序編寫，累積流量是一整個計(jì)算周期中全部的瞬時流量之和，以下是其換算公式：

式（1）中，T為整個周期，Q瞬時是通過傳感器所測量到的流量瞬時值，△t為測量的時間間隔，這里選取的是0.1 s。初始階段的流量瞬時值和累計(jì)值都很小，但是隨著時間的不斷增加，流量累計(jì)值也將逐漸增加，因?yàn)镻LC主要是進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)的流量累計(jì)，所以如果瞬時流量和累積流量之間存在很大差距，通過傳感器所測量到的瞬時流量就很容易被忽略，這樣也就出現(xiàn)了誤差。基于此，在進(jìn)行流量累計(jì)的過程中，應(yīng)該按照兩個寄存器來進(jìn)行累計(jì)流量值分配，每當(dāng)?shù)臀粎^(qū)域的累計(jì)值超過了10000，就需要在高位增加1，同時將低位的10000減去。為避免斷電情況下累計(jì)流量值丟失，應(yīng)該在程序中進(jìn)行掉電保護(hù)功能的設(shè)置。同時，為進(jìn)一步保障累計(jì)流量精度，應(yīng)該將PLC定時器工作中的中斷時間設(shè)置為100 ms，在中斷請求發(fā)生后，系統(tǒng)內(nèi)的中斷處理程序?qū)詣颖徽{(diào)用，并對流量累計(jì)子程序中的瞬時流量進(jìn)行計(jì)算和累加。

3.3 泵閘閘門控制設(shè)計(jì)

（1）對泵閘閘門開度的測量，因?yàn)殚l門開度對于水利樞紐功能的過流能力有著決定性作用，所以在對閘門進(jìn)行控制的過程中，一項(xiàng)關(guān)鍵的內(nèi)容就是對其開度位置做到實(shí)時了解。在本次所研究的水利樞紐功能自動控制系統(tǒng)中，借助于閘門開度編碼傳感器來進(jìn)行閘門開度數(shù)據(jù)測量，這種傳感器所支持的通信協(xié)議有兩種，其一是Modbus類型的通信協(xié)議，其二是4～20 mA類型的模擬量通信協(xié)議。將該傳感器與通用形式的轉(zhuǎn)換盒配合使用，便可將測量獲得的傳感器信號實(shí)時向PLC傳遞，在經(jīng)過PLC的相關(guān)計(jì)算之后，會在自己定義的寄存器地址中對處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存，為相關(guān)程序的閘門開度數(shù)據(jù)讀取提供足夠便利[4]。

（2）對閘門進(jìn)行調(diào)度與控制，根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用功能，閘門控制系統(tǒng)可以分為兩個部分，第一是現(xiàn)場繼電器控制，第二是遠(yuǎn)程控制。在系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，應(yīng)優(yōu)先選擇現(xiàn)場繼電器控制形式，這個是對閘門進(jìn)行調(diào)度與控制的基礎(chǔ)，這種控制形式有著最高的可靠性與安全性。在選擇通過遠(yuǎn)程控制形式進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備的控制時，閘門的控制方式有兩種，第一是開環(huán)控制，第二是閉環(huán)控制。開環(huán)控制過程中，主要是借助于點(diǎn)動法對閘門的上升、下降以及停止進(jìn)行控制;閉環(huán)控制過程中，主要是借助于目標(biāo)值和實(shí)際值之間的比較來實(shí)現(xiàn)閘門運(yùn)行狀態(tài)的自動控制。

在通過閉環(huán)控制方法進(jìn)行泵閘門控制的過程中，一項(xiàng)最為關(guān)鍵的內(nèi)容就是對其具體開度進(jìn)行確定。如果閘門處在一個完全關(guān)閉的狀態(tài)，這時可以通過部分開閘的方式對其進(jìn)行操作，具體操作中，對閘門的開度值做出預(yù)先設(shè)定，然后通過實(shí)際值和設(shè)定值之間的比較來進(jìn)行相應(yīng)的開閘操作控制。如果閘門處在一個完全打開的狀態(tài)，這時可以通過兩種方式對其進(jìn)行操作，第一是將閘門關(guān)閉一部分，第二是將閘門完全關(guān)閉，具體操作中，閘門需要向上運(yùn)行一段距離，在閘門到達(dá)擱門器的上端脫離之后才開始向下運(yùn)行。相反的，如果需要將關(guān)閉的閘門完全打開，其控制指令需要在閘門脫離了擱門器下端之后再向下運(yùn)行，并且需要完全擱在擱門器上端時才實(shí)現(xiàn)閘門全開。

3.4 PLC之間的以太網(wǎng)通信設(shè)計(jì)

在通過水利樞紐工程自動化系統(tǒng)進(jìn)行自動調(diào)度與控制的過程中，需要很多臺PLC來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，M580CPU自帶以太網(wǎng)口訪問M3402020數(shù)據(jù)如下：用網(wǎng)線連接M580服務(wù)口一端和M340以太網(wǎng)口一端。M580一端編程配置：在PLC總線上雙擊CPU上的以太網(wǎng)口，點(diǎn)擊通道0，即可看到，安全性，IP配置等選項(xiàng)，點(diǎn)擊IP配置。可以自己根據(jù)需要設(shè)置IP地址，也可使用默認(rèn)IP，主地址位服務(wù)卡IP地址，地址A為下面2個口的IP地址。從‘工具打開DTM瀏覽器，右鍵點(diǎn)擊BMEP58 ECPU 點(diǎn)擊添加，選擇modbus Device，添加DTM。雙擊BMEP58 CPU，下拉找到設(shè)備列表里剛新建的modbus device，在地址設(shè)置里填寫IP地址，此IP地址為要訪問的M340的IP地址。在請求設(shè)置里添加請求，填寫讀取地址、長度，寫入地址、長度。

4 結(jié)束語

綜上所述，在水利樞紐工程的運(yùn)行過程中，通過電氣自動化技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，可以讓各個設(shè)備運(yùn)行參數(shù)得到實(shí)時獲取，并對泵閘的運(yùn)行狀態(tài)和具體開度情況做到實(shí)時了解，然后根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求來實(shí)現(xiàn)泵閘遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)度。通過此方式，不僅可以有效提升水利樞紐工程的工作效率，同時也可以實(shí)現(xiàn)人力資源成本的進(jìn)一步節(jié)約，避免由于人為因素所造成的失誤情況，提升水利樞紐工程的應(yīng)用質(zhì)量及其安全性。因此，在水利樞紐工程的具體應(yīng)用中，水利部門一定要對電氣自動化技術(shù)做到足夠重視，并將其合理應(yīng)用在水利樞紐工程的控制中，尤其是泵閘的自動化控制與遠(yuǎn)程調(diào)度。這樣才能讓先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢在水利樞紐工程中得以充分發(fā)揮，滿足水利樞紐工程的實(shí)際運(yùn)行與發(fā)展需求。

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