探讨水闸电气设备控制系统应用

付 煜

（佛山市科诚工程监理有限公司，广东 佛山 528000）

水利工程在国民经济发展中占有十分重要的地位和作用，且关系到国家的经济建设，以及人民的生命、财产安全等重大社会问题。水闸电气设备的控制作为水利工程建设与管理的基本要素，在水利工程管理中占有重要的作用。因此，如何增强大中型水闸电气设备控制方法的科学化和现代化，就成为水利工程成败的关键所在。

1 水闸电气控制的内容及要求

大中型水闸是水利枢纽工程的重要建筑物，由于其地位重要、投资巨大，大中型水闸电气控制应以充分保证水闸运行安全、及时准确测量运行数据、便于操作控制为原则，大中型水闸电气控制内容包括以下几个方面：①启闭机电机的正转、停止、反转控制，启闭机电机的过载、断相及短路保护，启闭机电机的工作参数监视和监测；②水闸上下游水位的测量、显示、比较及数据传送；③闸门开启高度的测量、显示、控制及数据传送；④闸门启闭过程中最下安全位和最上安全位的限位控制；⑤通过水闸的即时流量和累计水量的计算、显示及数据传送；⑥闸上照明及其他动力用电的供给。

上述6个方面的控制内容应有机地结合在一起，且组成的控制系统应具有开放性和兼容性，即对水闸电气控制需要增加的内容留有必要的接口，以满足技术进步的要求。

2 大中型水闸电气控制的一、二次回路

现有大中型水闸的启闭形式大多为卷扬式。启闭机中使用的三相交流异步电机的功率为3～15 kW。电气控制的一、二次回路首先要实现电源控制，使电机能正向旋转或反向旋转；其次，要能对电机本身的过载、短路、断相等非正常工况进行保护，还要为闸门启闭的上、下限位控制；闸门启闭高度的自动控制；闸门启闭过程的集中控制、远程控制或遥控提供相应的接口等。

3 二合一精密行程开关

目前所使用的主令控制器，绝大部分是纯机械结构，其传动结构为蜗轮蜗杆。它的缺点是调节困难；调节时上、下限互相影响；费工费时；控制精度差；控制点会偏移：复位行程大（25 cm以上）等。

最新的技术是采用长丝杆传动机构，将电子接近开关和机械行程开关合二为一构成二合一精密行程开关。这种精密行程开关具有重复定位精度高（0.10 mm）；调节方便；复位行程短（不超过10 cm）；容易构成两级保护；可靠性高；寿命长；安装简易等一系列突出优点，是应用于水利工程中取代老式主令控制器的更新换代产品。

二合一行程开关结构原理。长丝杆通过齿轮付与闸门启闭机减速器输出轴相连接，在闸门上升或下降的过程中，长丝杆也跟着一起正转或反转，从而带动长丝杆的圆螺母沿丝杆轴线左右移动。圆螺母上有电子接近开关的触发器件，当圆螺母右移至上限电子接近开关附近时，上限电子接近开关动作，与其对应的常闭触点打开；如圆螺母继续右移，则上限机械行程开关动作，其常闭触点打开。对于圆螺母左移的情况，与上述类似。在圆螺母左移过程中将分别使下限电子接近开关和下限机械行程开关动作。

4 闸门开度传感器

根据输出信号的类型，闸门开度传感器可分为模拟式和数字式。

早期的模拟式闸门开度传感器一般以精密线绕多圈电位器作为传感器件。这种传感器的优点是结构简单、成本低廉，且信号传输只需要三芯电缆，传输费用低，系统停电不会丢失闸门开度信号。其不足是电信号有一定的温漂，但基本满足水利工程中测量闸门开度的要求。

数字式闸门开度传感器又分为计数式和直接编码式两种。计数式传感器的工作原理是对闸门启闭机某一转动轴的角位移通过计数脉冲进行计数，以某一方向的角位移为正进行加计数，以相反方向的角位移为负进行减记数。记录脉冲可由光电器件、干簧管或霍尔器件产生。数据的记录过程和保存都需要有电源支持，传感器中一般备有可以浮充电的电池。其输出的数据格式可以是二进制、BCD码或格雷码。这种传感器的使用可靠性主要取决于充电电池，一旦电池失效则该传感器中的数据将全部丢失。因这种传感器存在影响可靠性的隐患，故这种计数式闸门开度传感器一般不宜推广使用。

5 闸门开度数显控制仪

大中型水闸启闭过程中需要掌握的基本数据之一就是闸门启闭开度，闸门开度数显控制仪（简称闸高仪）一般不仅可以测量、显示闸门的开度，而且还可以通过预先设定，将闸门自动控制到欲启闭到的开度，从而方便了闸门启闭的控制。根据是否使用计算机芯片，可将闸高仪分为智能型和非智能型；根据输入信号的类型，闸高仪分为模拟式和数字式两种。模拟式非智能型的闸高仪，由于其功能少，对传感信号的处理结果受温度影响，闸门开度数据不易远距离传输等，将逐步被淘汰。相反，数字式智能型闸高仪，由于其中使用了计算机芯片（一般为单片机），其许多功能可以通过软件来实现，并且它的输入信号一般是由对闸门位移直接进行数字编码的传感器提供，因此，这种闸高仪测量精度高，没有温度漂移和时间漂移问题，功能多，且可直接将有关数据进行双向传输，是今后的发展趋势。这种闸高仪的具体功能如下：①可适应3种闸门型式：单扇平板闸门，上下扉双扇平板闸门，弧形闸门；②可对与之相连的传感器进行率定，从而可确保闸高仪测量闸门开度的精确度；③在闸门的安全启闭高度范围内可任意设定上下限值，并当闸门开度等于上下限值时能给出对应的上下限继电器触点，利用这些触点可以自动控制闸门到任意设定的某一开度；④能任意设定上下限动作的提前量，以消除启闭系统的机械和电气惯性，达到精确控制的目的；⑤可以专门设定闸门启闭的最高限和最低限，用以对闸门启闭的安全范围做进一步限定；⑥提供闸高信号的RS－485接口和并行接口，方便其它系统的数据采集。

6 水位传感器和水位仪

最原始的测量水位的方法是使用水尺。虽然这种测量方法较准确，但使用不方便，容易产生读数误差，最主要的是不能实现数据的远传，故这种方法今后只应作为一种水位基准来使用。

使用电气方法测量水位的水位仪，由水位传感器和水位显示仪组成，两者之间由信号传输线相联系。目前常用的水位传感器有压力式传感器和码盘式传感器。压力式传感器是利用半导体单晶硅在外力的作用下其阻值发生变化的原理制成的，利用这种传感器可加工成“投入式液位变送器”，使用时将它直接投入被测液体中，十分方便。这种变送器的输出电流一般为4～20 mA，信号线仅需2芯电缆，故信号传输费用少；由于其体积小，直径一般在30 mm左右，故在现场安装时无需建造专用的测井，因而节省费用。压力式传感器的缺点是存在时漂和温漂，且密封工艺不成熟，使用寿命较短。

7 计算机应用

随着计算机技术突飞猛进的发展，在大中型水闸控制应用中利用计算机技术来实现数据采集、数据处理、数据传送等已成为必然。

目前计算机技术在大中型水闸中的应用，既有使用单片机组成水闸工况综合测控系统的，也有使用工控机来组成系统的。在功能的实现上两者都能达到相同目的。使用单片机的方法在开发上比使用工控机难度更大，但单片机成本低，在现有经济条件下具有一定优势，而工控机在操作界面、数据处理方面比单片机系统开发容易得多。今后计算机技术的应用推广不仅与现有控制内容不矛盾，而且还依赖于现有技术。闸门开高数显控制仪为计算机提供了闸高信号，水位仪为计算机提供了水位信号，这些信号是计算流量和累计水量的依据，也为计算机进一步处理、传送水位、闸高数据提供了来源，所以随着社会经济的进一步发展，应逐步在大中型水闸中安装闸高、水位测量控制仪器，并在此基础上实现计算机的综合应用。