水闸控制系统的应用

2010-06-26卢少同李志芹

水科学与工程技术 2010年4期

关键词：电位器变阻器水闸

卢少同，李志芹，信权

（1.天津市引滦工程尔王庄管理处，天津宝坻 301802；2.引滦工程潮白河管理处，天津宝坻 301800）

在我国所有的河道中，水闸是不可缺少的设施，并起到了非常重要的作用。近几年来，现有的水闸升降控制系统已不适应现行工程管理标准，为此，必须对原系统进行改造。

1 水闸升降控制现状

1.1 基本情况

引滦工程是一项关系到国计民生的大项目，由天津市政府投入巨资兴建。为把水源有计划地调入，在引滦入津工程中兴建了大量水闸。每个水闸至少由两个闸门组成，且由专门机构和专职人员进行管理。

1.2 水闸升降控制原理及过程

每道闸门由一台三相异步电机做动力，经过制动机构、减速机构带动升降机构和闸门。其原理和控制过程是：利用外接电位器电阻值大小反应闸门的位置；外接电位器滑线端与一个大槽圆盘连接；减速机械转动带动小槽圆盘转动，经过线皮带驱动大槽圆盘转动，然后带动滑线变阻器，其电阻值变化转换为电压变化，经过双积分A/D转换器变成数字量，驱动数码管显示闸门升降位置。水闸升降定位是通过预先设定一个电压值（与水闸高度对应），此电压值经过比较器驱动继电器，切断电器自锁电路，电机停止转动。整个控制过程原理框图1所示。

图1 控制过程原理图

图1中可见，水闸上升时带动滑动变阻器微型丝杠正转，电阻值增加，V值增大，反之，水闸下降时，V值减少。VR为高度设置电压。来自滑动电阻器上的电压高于或低于VR值时，比较器输出高或低电平，切断自锁电路，停止电机转动。电机正、反转和停止操作，则通过外部按键手工操作。

1.3 水闸控制存在的问题

基于当时的电子技术水平，引滦工程水渠闸升降控制采用目前的控制方案，无论从成本上还是从环境和当时的控制要求上是基本合理的。但是，随着时间的推移，这种控制方式暴露出的缺点主要有：

1.3.1 可靠性差、误差大

用滑动变阻器模拟水闸升降位置，可靠性差、误差大。主要原因：①由于滑动变阻器活动端是靠皮带线轮带动的，很容易受外界扰动，使滑动端位置变化，造成整个升降过程位置定位不准。②滑动变阻器实质是一个多电圈电位器，其阻值和转动圈数总是有限的。因此，滑动端每转一圈，其阻值变化应与相应的水闸升降高度严格一致。这在实际中是很难实现。③滑动变阻器磨损大、易损坏。这个缺点造成故障率高、控制失灵或损坏。同时，滑动端因磨损，造成接触不良，使电阻值变化不连续，结果造成水闸位置显示出跳跃现象。④由于闸门本身的自重，造成水闸上升速度和下降速度的差异，简单地由一个滑动变阻器模拟水闸升降高度，影响了水闸的精确定位。

1.3.2 控制操作麻烦，自动化程度低

控制器采用分离元件制成，无记忆和定时功能，水闸的位置高度控制是靠预先电路设定完成的。这种控制器只能在水闸一定高度内起作用。一旦水闸进入极端位置，电位器活动端进入到尽头，控制器便失去控制能力。这时只有靠人工点动完成定位。此外，一些特殊操作要求，如：水闸锁定操作，钢丝绳左右摆度控制，也只能靠人工手动操作完成，而且完成该项操作至少需要一人在水闸上，一人在水闸下，相互配合才能完成操作。

1.3.3 控制器抗干扰能力差

控制器仅在接触器部分闭合触点处加装了消拉弧措施，无法采用软件技术消除干扰（分离元件电路所至），时常出现外界干扰源干扰显示器工作的现象和电机正、反转控制失控的问题。

1.3.4 控制器互换性、通用性差

控制器互换性和通用性差的主要根源在位置取样电位器上。位置取样电位器是一个特殊制作的非标准元件，一旦磨损坏，除了控制器生产厂家外，用户买不到替换电位器，加上这种电位器故障率高，给用户维修带来了很大不便。

2 水闸升降定位控制工作原理

引滦水渠纵横交叉，水闸分布距离大，且处于露天环境，且在广大乡村地区。因此，水闸升降控制系统不宜采用外接传感器来采集闸门位置、钢绳松紧程度的信息。主要因为考虑到外接传感器带来的诸多弊端，如成本增加、维修维护费用增加、外接引线接头的自然锈蚀、雨水造成的短路和人为因素破坏等。

考虑到上述因素和向下兼容功能，为了能够达到引滦考核标准，选用了一种新型的“水闸升降定位智能控制”仪器。该系统在不接任何外部传感器的条件下，采用微控制器作智能控制部件，利用微电脑的精确计时功能，根据水闸行程H=Vt关系，在预先设定H下，根据上升、下降或标定、锁定外给信息，自动完成水闸升降或完成特殊操作，如标定、锁定、钢丝绳松紧控制操作。新一代控制器具有上升、下降和位置识别和记忆功能，在外部指令下能方便实行标定、锁定、钢丝绳松紧控制操作。新一代控制器中除了必要的硬件抗干扰设计外，还配有“看门狗”电路和软件抗干扰程序设计，一旦出现干扰，控制器能及时储存水闸的当前位置和工作状态。

3 水闸升降定位智能控制适用范围及特点

3.1 适用范围

凡是应用三相异步电动机做动力实现水闸或其他装置升降定位控制的部门或行业均可采用此仪器。

3.2 水闸升降定位智能控制的特点

3.2.1 控制器操作方式

该控制器不仅增加了自动控制功能，而且还保留原控制器的手动操作功能，方便职工熟悉新仪器和完成操作任务。

3.2.2 新旧控制器相互兼容功能

该控制器在功能上、外形尺寸、控制方式、连接方式等方面都能与原控制器进行兼容。这样给在选择仪器方面有了很大空间。为今后大批量改造带来了诸多方便，而且减少了一定的开支，达到了经济运行的效果。

3.2.3 升降定位控制功能

该仪器在自动控制系统中，根据水闸现场实际情况设定为3种：

①闸门下降到底部时，设定为标定。

②将闸门上升到极限位置时，设定为锁定。

③任意位置控制。该功能主要是为了方便职工在操作中的习惯性，可避免误操作，确保安全输水。

3.2.4 定位精度

水闸最大行程为2.54m。在该行程下误差≤1%。

3.2.5 位置记忆功能

设置水闸位置记忆功能，其目的是停电后开机或进行下一个动作时给操作者提供当前水闸所处位置的信息，以便在此基础上进行升降高度决策，同时也时给控制系统一个水闸高度信息，以次高度为基础，计算给定升降高度所需的时间。

实现水闸位置记忆的功能，该仪器采用日历时钟芯片FC8583来完成。利用FC8583内部1K静态RAM（1×1024位）空间，随时保留任何一操作下的水闸位置。

3.2.6 钢丝绳摆度控制功能

自动操作系统中，在完成零点位置标定和极限位置锁定两种状态下的操作后，能够准确地保证钢丝绳最大左右摆幅小于等于±15cm（主要依据引滦工程考核标准）

3.2.7 自动锁定功能

当水闸由标定位置升至到解锁位置时，需要人工进行穿锁杠，2min后，计算机自动控制水闸下降，到达锁定位置，并使钢丝绳的左右摆幅小于等于±15cm。这样减少了工作量，而且也为日常管理工作带来了诸多方便。

3.2.8 不用外接传感器功能

在不用任何外部传感器的条件下，采用微控制器做智能控制部件，利用微电脑的精确计时功能，根据水闸行程H=Vt关系，在预先设定H下，根据上升、下降不同速度或标定、锁定外给信息自动完成水闸升降或特殊操作。

3.2.9 采用液晶显示

3.2.10 采用菜单提示、人—机对话操作功能

该功能由锁定到标定操作进行演示:

（1）先接通仪器电源，再接通电机电源；

（2）仪器电源接通后，进入主菜单，主菜单显示画面。手动保留了原设备由人工方法进行水闸升、降、停的操作，自动则由计算机控制水闸的升、降、停动作。

（3）由锁定到标定。①按动主菜单上的自动按键，进入“标定？”“锁定？”“工作？”画面。②若水闸位置在解锁位置，按动标定按钮，出现下降的画面，显示根据下降的时间和高度值，画面上不断显示时间T和高度H的值，直到水闸达到标定位置，电机停转，显示“上调？”或“下调？”画面。此提示为钢丝绳松紧的粗调提示。訩按“YES”键，计算机自动执行点动操作，使闸门下行或上行。按“NO”键，停止上调或下调。訪只要执行一次“上调”或“下调”操作，计算机就反复询问“上调？”“下调？”，一直到按动“NO”键停止上调、下调，进入调节钢丝绳松紧的细调画面。③若水闸在下降时需暂停下降，可以按动面板下的手动“停止”按键。显示屏停止刷新显示，固定显示已下降的时间和已下降的高度。直到按动面板上“确认”按键，水闸继续在当前时间和现高度下，执行下降操作。④调节钢丝绳松紧的细调画面“松吗？ ”“紧吗？ ”。按“YES”或“NO”按钮，计算机根据提示在提升水闸时，考虑钢绳的松紧，决定提升高度，以校正由于钢丝绳的钢性等外界因素影响下降速度造成降落高度的误差。

3.2.11 控制器具有较强的抗电磁干扰功能

（1）提高电源抗干扰能力。据统计分析，70%左右的干扰是从的电源藕合而来的，因此提高电源的质量很关键。本系统采取以下措施：加电源低通滤波器和隔离变压器共同来完成。加电源滤波器仅允许50HZ交流通过，对混入的高频和中高频（100～3000kHZ）干扰电压由较好的衰减作用，是提高抗干扰性能的关键。电源变压器一次和二次线圈间加静电屏蔽层，同时将变压器进行磁屏蔽以减少漏磁通的影响。

（2）抑止执行仅够动作回馈的干扰。对于交流接触器的常闭、常开触点，采用RC方法。电容器C把触点断开的电弧电压到达最大值的时间推迟到触点完全断开，用来抑制触点间放电，用电阻R抑制触点闭合时的短路电流。

（3）接地防止干扰。接地在消除干扰上起很大作用。本系统中把交流地线、直流地线、模拟地和数字地严格分开。具体的讲，即指模拟电路地与数字电路地分开接地，然后汇合成一点。继电器大电流地单独引至接地点。印刷版上地线形成足够宽度的网络状，以减少各地线点之间的电位差。

（4）控制程序的监视保护。采用上述措施只能在一定程度上起抗干扰作用，但不能完全消除干扰，仍可能会使该机控制失控。本设备采取了软硬件相结合的办法，如：555时基电路程序监视器，对程序实行监视，一旦程序失控，便可自动复位保护。