自動化技術(shù)在水利工程的應(yīng)用

李 昂，劉光景，馮 洋

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

隨著自動化技術(shù)在設(shè)備控制、遠(yuǎn)程調(diào)度、數(shù)據(jù)采集、分析等領(lǐng)域的應(yīng)用，為水利工程運(yùn)行管理從業(yè)人員提供了更加高效、精準(zhǔn)、智能的幫助和支持。

1 工程概況

南水北調(diào)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(xiàn)南水北調(diào)工程在山東境內(nèi)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(qū)供水的條件[1]。穿黃河工程通過出湖閘、進(jìn)口檢修閘、埋涵出口閘、隧洞出口閘四座閘門調(diào)節(jié)流量和水位，并設(shè)有一座東阿分水閘為聊城市提供工業(yè)用水[2-6]。

2 應(yīng)用實例

2.1 實例1：東平湖出湖閘閘門開度測量方式優(yōu)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(jī)的鋼絲繩、滾筒、減速箱、齒輪、傳動軸等一系列的機(jī)械傳動及變比帶動開度編碼器動作，通過編碼器轉(zhuǎn)動的圈數(shù)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(dǎo)致開度存在一定機(jī)械誤差，從而影響開度測量的準(zhǔn)確性。開度儀表通過4~20 mA上傳開度數(shù)據(jù)，PLC經(jīng)過模擬量轉(zhuǎn)換計算出開度值，但是開度儀表在4~20 mA區(qū)間易出現(xiàn)信號漂移，從而導(dǎo)致PLC轉(zhuǎn)換的開度值不準(zhǔn)確，影響遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測與控制的實效性。

2.1.2 技術(shù)改造內(nèi)容

結(jié)合現(xiàn)場情況分析數(shù)據(jù)誤差產(chǎn)生的原因，對目前存在的問題進(jìn)行改造，主要內(nèi)容包括測量方式和數(shù)據(jù)傳輸，改造項目主要設(shè)備清單見表1。

表1 改造項目主要設(shè)備清單

（1）測量方式的改造。安裝收繩設(shè)備，開度收繩設(shè)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(shè)備就能測得多少位移量，和之前測量相比就解決了因為機(jī)械傳動產(chǎn)生的誤差問題。新增加的收繩設(shè)備與原編碼器配套使用，收繩設(shè)備安裝固定在啟閉機(jī)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(shè)備收緊動作，固定在收繩設(shè)備的編碼器信號輸出至高精度的隔離分線器上。

（2）數(shù)據(jù)傳輸?shù)母脑臁＞幋a器輸出數(shù)據(jù)接入高精度的隔離分線器，由分線器把信號轉(zhuǎn)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(jù)編碼器的編碼規(guī)則及轉(zhuǎn)換碼數(shù)進(jìn)行PLC程序的開發(fā)，開發(fā)的邏輯程序最終換算出實際的開度值，開度儀表端根據(jù)編碼器的輸出信號設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，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(shù)據(jù)傳輸工作原理見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸工作原理

2.1.3 技術(shù)改造實施過程

（1）硬件。收繩設(shè)備安裝固定在啟閉機(jī)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(jī)控制箱內(nèi)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(xiàn)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(jìn)行調(diào)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(fā)。傳輸線纜采用21芯屏蔽線纜，每臺啟閉機(jī)皆有單獨(dú)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(yùn)行中實時輸出一組格雷碼，通過外部連接數(shù)據(jù)線輸出至PLC的數(shù)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(zhuǎn)換、邏輯運(yùn)算處理，換算出實際的數(shù)據(jù)值。

2.1.4 數(shù)據(jù)測試及改造效果

項目改造后對閘門升降進(jìn)行多次數(shù)據(jù)測試，數(shù)據(jù)計數(shù)為四舍五入進(jìn)位，測試記錄見表2。

表2 出湖閘啟閉機(jī)開度數(shù)據(jù)測試記錄

收繩式開度設(shè)備和編碼器數(shù)據(jù)傳輸?shù)母脑欤黠@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(shù)據(jù)誤差較大、有延時的問題，增強(qiáng)了調(diào)水設(shè)備的準(zhǔn)確性、實效性及安全性。

2.2 實例2：東阿分水閘控制系統(tǒng)自動化技術(shù)改造

2.2.1 分水閘運(yùn)行存在的主要問題

東阿分水閘改造前現(xiàn)地控制柜電氣設(shè)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(yán)重。主要存在的問題包括：①控制回路缺少遠(yuǎn)程控制功能，無法與現(xiàn)地PLC連接實現(xiàn)遠(yuǎn)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(jī)械限位和數(shù)字限位，蝶閥全開或全關(guān)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(nèi)電壓表、電流表不具備通信采集“接口”，無法上傳數(shù)據(jù)；⑥柜內(nèi)其它設(shè)備年限較長，部分設(shè)備已出現(xiàn)老化現(xiàn)象。

2.2.2 技術(shù)改造內(nèi)容

（1）現(xiàn)地控制單元改造。原有現(xiàn)地控制柜不具有接入PLC的接口，缺少標(biāo)準(zhǔn)的操作設(shè)備，電壓、電流儀表沒有通信輸出功能，設(shè)備老化。結(jié)合現(xiàn)場情況，對柜內(nèi)設(shè)備進(jìn)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(xié)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(zhǔn)確的開度數(shù)據(jù)；安裝限位器，可使儀表開到位、關(guān)到位動作準(zhǔn)確，并接入至控制回路。

（3）PLC控制柜與現(xiàn)地控制柜的集成。PLC控制柜與現(xiàn)地控制柜系統(tǒng)集成，包括安裝、接線、調(diào)試，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。所采集的信息分為數(shù)字量數(shù)據(jù)、模擬量數(shù)據(jù)、Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)三種類型。數(shù)字量數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場蝶閥打開或關(guān)閉狀態(tài)、閘位行程開關(guān)狀態(tài)、蝶閥保護(hù)裝置狀態(tài)、有關(guān)按鈕或開關(guān)狀態(tài)、電動機(jī)狀態(tài)等；模擬量數(shù)據(jù)包括開度儀儀表數(shù)據(jù)；Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)包括電壓、電流等數(shù)據(jù)。PLC和監(jiān)控平臺程序開發(fā)，PLC控制柜與管理處控制室遠(yuǎn)程集控的連接。

2.2.3 技術(shù)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(zhǔn)確的開度數(shù)據(jù)；②對限位裝置進(jìn)行更換，可使閘門開到位、關(guān)到位能準(zhǔn)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(shè)，用線槽固定上墻，做到平行、垂直敷設(shè)到現(xiàn)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(shù)字量數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場蝶閥打開或關(guān)閉狀態(tài)、閘位行程開關(guān)狀態(tài)、蝶閥保護(hù)裝置狀態(tài)、有關(guān)按鈕或開關(guān)狀態(tài)、電動機(jī)狀態(tài)等；模擬量數(shù)據(jù)包括開度儀儀表數(shù)據(jù)；Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)包括電壓、電流等數(shù)據(jù)。

1）蝶閥開度數(shù)據(jù)采集。開度儀表的開度數(shù)據(jù)傳輸方式為4~20mA模擬量數(shù)據(jù)，此量程對應(yīng)0°~90°閘門開度。PLC設(shè)備配備了AMI0810采集模塊對該模擬量信號進(jìn)行采集，給定相應(yīng)的通道分配，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在程序中對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換、計算和整定，從而得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果。

2）現(xiàn)地控制柜電壓、電流數(shù)據(jù)采集。現(xiàn)地柜的電流、電壓都集成在了柜內(nèi)的多功能儀表上，而多功能表的數(shù)據(jù)傳輸方式也遵從RS485串口協(xié)議。PLC設(shè)備將該數(shù)據(jù)采集至TSX21601串口模塊。程序?qū)⒃摂?shù)據(jù)進(jìn)行整定后，傳輸至觸摸屏，從而便于監(jiān)管人員對現(xiàn)地控制柜的電流和電壓狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

3）現(xiàn)地控制柜數(shù)字量狀態(tài)采集。控制柜按鈕狀態(tài)通過數(shù)字量信息的方式傳輸至PLC設(shè)備中。為了保護(hù)PLC設(shè)備不會被傳輸線路誤入的高壓電流損壞，機(jī)旁箱傳輸?shù)臄?shù)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(yùn)行中，將模塊上的端口狀態(tài)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(zhí)行。閘門的電氣限位信號，先傳輸至機(jī)旁箱中，再經(jīng)過其端子傳輸至PLC中。對于閘門的啟閉兩種狀態(tài)，PLC通過檢測限位開關(guān)信號來判斷，從而對閘門的開和關(guān)指令進(jìn)行有效的控制，避免閘門越上限和下限。

（3）技術(shù)改造效果。通過對現(xiàn)地設(shè)備的自動化升級改造，該閘站的運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)信息成功接入，實現(xiàn)了PLC以太網(wǎng)方式進(jìn)行通信，接收遠(yuǎn)程啟閉命令，同時上傳設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和各種數(shù)據(jù)。

2.3 實例3：穿黃隧洞監(jiān)測井安全監(jiān)控升級改造

穿黃隧洞布置有兩處監(jiān)測井（排氣孔），既是隧洞排氣、檢修的通道，也是隧洞內(nèi)安全檢測數(shù)據(jù)采集走線通道。在兩處監(jiān)測井加裝安全監(jiān)控設(shè)備，是為保障監(jiān)測井設(shè)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(jiān)測井地處農(nóng)田區(qū)域且周邊無電線或穩(wěn)定供電設(shè)備，改造項目采用立高桿架設(shè)太陽能板供電監(jiān)控攝像頭，并在桿下布置短時備用電池和硬盤錄像機(jī)，使用通信商民用數(shù)據(jù)流量卡實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備控制和畫面?zhèn)鬏敗Ｍ度胧褂煤螅惶幵O(shè)備因周邊林木較高遮擋陽光，導(dǎo)致太陽能供電板輸出功率無法穩(wěn)定支持監(jiān)控設(shè)備和硬盤錄像機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；且兩處設(shè)備均出現(xiàn)通信卡流量消耗過快（所在地?zé)o法辦理無限流量業(yè)務(wù)）、使用成本過高的情況。

3 總結(jié)

水利工程是關(guān)乎社會民生的重要國家項目，自動化技術(shù)推廣應(yīng)用是意義深遠(yuǎn)的國家戰(zhàn)略。實例1和實例2的自動化改造，通過并不復(fù)雜的技術(shù)手段和較低的預(yù)算投資，實現(xiàn)了對水利工程現(xiàn)場操作方式的升級和管理水平的提升，并且在實際應(yīng)用中取得良好的使用體驗，對水利工程運(yùn)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(xiàn)出了自動化技術(shù)在水利工程應(yīng)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(shù)依賴于供電、通信等基礎(chǔ)設(shè)施，另一方面水利工程多呈現(xiàn)點(diǎn)、線、面復(fù)雜局面，日常巡檢、維護(hù)、緊急搶修等技術(shù)工作的開展有障礙。

近年來，水利工程運(yùn)行管理單位在設(shè)備、人員、管理等方面加大資金投入、加強(qiáng)建設(shè)力度，但是自動化技術(shù)在水利行業(yè)得到廣泛應(yīng)用后如何做到深度融合，依然任重道遠(yuǎn)。