探讨水利枢纽工程中电气自动化技术的应用

姜永建

[摘    要 ]在当今的信息化时代中，电气自动化技术已经在很多领域中得到了广泛应用，并发挥出了充分的技术优势。而水利枢纽工程便是电气自动化技术的一个主要应用领域。在当今的水资源不断开发中，电气自动化在水利枢纽工程中的应用效果也越来越明显，并逐渐成为水利枢纽工程中的一项不可或缺的技术。借助于电气自动化技术，可以对水利枢纽工程的泵闸进行自动控制和调节，以此来保障水利枢纽工程的应用效果及其安全性。基于此，本文对电气自动化技术在水利枢纽工程中的应用进行分析，以此来为电气自动化技术的应用和水利工程的发展提供相应参考。

[关键词]电气自动化;自动化控制技术;水利枢纽工程

[中图分类号]TV61;TM76 [文献标志码]A [文章编号]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

隨着社会经济与科学技术的高速发展，各种先进技术开始被应用到水利工程中。尤其是在水利枢纽工程中，电气自动化技术更是发挥着显著的优势。通过电气自动化技术的应用，不仅让水利枢纽工程中的每一个环节都实现了工作效率的显著提升，同时也可以实现各个设备的选择性调节，以此来实现水利枢纽工程整体工作效率和经济效益的进一步提升。因此，在水利枢纽工程的运行过程中，技术人员一定要加强对电气自动化技术的应用，通过合理的自动化控制系统设计与应用来发挥出充分的技术优势，促进水利枢纽工程应用效果的提升，并实现错误率和人工成本的进一步降低。

1 电气自动化技术特点概述

在当今，电气自动化的发展越来越快，该技术所涉及到的范围也越来越广，比如网络安全技术和信息技术等，随着这些技术的飞速发展，电气自动化技术也开始日益成熟起来，并实现了应用范围的不断扩大。水利水电工程就是电气自动化技术的一个主要应用领域，将该技术与水利工程之间进行有机结合，将会对水利工程的良好发展起到有效的推动作用，同时也会实现水利资源的有效节约与水利工程工作效率的进一步提升，并让整个水利工程朝着便捷化、自动化的方向发展[1]。因此，为有效保障我国水利工程的良好发展，就应该将电气自动化技术合理应用到水利工程，尤其是水利枢纽工程中，通过两者的有机结合来发挥出更好的技术优势。

2 水利枢纽工程泵闸电气自动化系统的整体结构设计

在对水利枢纽工程进行泵闸电气自动化系统的设计中，应根据实际的功能需求来进行各个单元模块的设计，主要包括泵闸控制、自动化泵闸综合网络、自动化泵闸远程监控系统和视频系统。该系统可通过分层方式进行控制，主要包括现场的泵闸测控层、数据处理层以及远程调度层。

2.1 现场泵闸测控层

这一层是整个泵闸控制的基础，其核心设备是PLC。具体应用中，借助于气象站、流量传感器、热电偶、电力仪表、闸门开度仪和水位传感器等的这些传感器设备来进行气象数据、泵闸电机温度数据、闸门开度数据以及水位数据等的实时采集，然后将采集到的数据借助于以太网传递给控制中心，控制中心在接收到这些数据之后，会根据实际情况对泵闸设备进行远程控制和调度。

2.2 数据处理层

这一层的主要功能是对现场泵闸数据采集与处理及远程控制，其主要的组成部分是各个数据采集点的数据库服务器以及泵闸远程监控和集控中心的数据库服务器。在该系统的具体应用中，会在各控制中心都设置一台数据服务器，以此来实现所有泵站数据信息的全面汇集，控制中心可以借助于监控客户端对辖区之内每一个泵闸站点信息数据访问，同时也可以通过客户端对泵闸进行远程监控。另外，在该系统中，也将在集控中心设置了数据服务器，这样就可以将辖区之内的每一个泵闸站数据信息都汇集在集控中心的数据库里，为系统调度与控制管理的进一步优化提供充分的数据支撑[2]。

2.3 远程调度层

这一层的主要功能是对泵闸调度与控制中心进行管理，主要包括泵闸运行情况监控管理和泵闸调度等。具体应用中，将视频工作站以及监控客户端设置在了泵闸集控中心，以此来实现辖区之内所有泵闸的监测、控制和调度，并实现关键设备的跟踪监视。这样就可以让所有的泵闸得到集中统一的实时监控与远程调度，使其运行安全得到良好保障。

3 水利枢纽工程中的电气自动系统开发和应用

3.1 软件系统体系结构

在本次所研究的某水利枢纽工程的电气自动化系统应用中，主要功能是对泵闸的控制和现场信号的采集、处理。在现场控制到远程控制的切换过程中，该系统可以对来自于自动化远程调度与管理中心的控制指令进行接收。在该系统中，将PLC作为主要的监控核心设备，采用施耐德公司的高端控制器产品M580系列PLC，借助于开发工具Unity pro V13.0进行控制程序开发。Unity pro V13.0是一款由施耐德出品的PLC编程软件，其全新的独创设计缩短了开发时间，处理器的灵活性可以实现更高的性能，基于开放性以及对工具的协同式应用，Unity在软件开发和控制系统运行上达到了更高水平。Modicon M580集各种强劲功能和创新技术于一身，全面满足工业过程控制和基础设施自动化控制中的各种需求，在灵活强大的 Unity 软件配合下，自始自终提供令人满意的服务。其独有的“E网到底”的以太网架构，消除了以往自动化架构中管理层和设备层的通讯瓶颈，引领了可编程自动化控制器的发展方向 [3]。

3.2 信号采集设计

首先是对模拟量处理程序进行设计，具体设计中，借助于BMX AMI 0810这一模拟量输入模块来进行水位数据、流量数据等的这些传感器信号采集，此时需要配置模拟量信号，然后在软件中进行BMX AMI 0810这一模块的添加，自动将信号地址输入添加进来，传感信号可以是±2.5 V、±5 V以及±10 V等的这些电压信号，也可以是0～20 mA形式的电流信号，其对应的数字量是0～20000，对应的分辨率是1/20000。因此，如果输入的电流信号值在4～20 mA之间，其对应的BMX AMI 0810模拟量处理后的数字量是4000～20000。

其次是对流量累计程序进行设计，具体设计中，需要在各个泵闸站进行流量传感器的安装，并将其电信号输入值设定在4～20 mA之间，这样就可以通过河流瞬时流量值进行准确获取。要想实现河道累计流量的获取，就需要借助于PLC对单位时间之内流量从瞬时到累积的转变进行程序编写，累积流量是一整个计算周期中全部的瞬时流量之和，以下是其换算公式：

式（1）中，T为整个周期，Q瞬时是通过传感器所测量到的流量瞬时值，△t为测量的时间间隔，这里选取的是0.1 s。初始阶段的流量瞬时值和累计值都很小，但是随着时间的不断增加，流量累计值也将逐渐增加，因为PLC主要是进行浮点数的流量累计，所以如果瞬时流量和累积流量之间存在很大差距，通过传感器所测量到的瞬时流量就很容易被忽略，这样也就出现了误差。基于此，在进行流量累计的过程中，应该按照两个寄存器来进行累计流量值分配，每当低位区域的累计值超过了10000，就需要在高位增加1，同时将低位的10000减去。为避免断电情况下累计流量值丢失，应该在程序中进行掉电保护功能的设置。同时，为进一步保障累计流量精度，应该将PLC定时器工作中的中断时间设置为100 ms，在中断请求发生后，系统内的中断处理程序将会自动被调用，并对流量累计子程序中的瞬时流量进行计算和累加。

3.3 泵闸闸门控制设计

（1）对泵闸闸门开度的测量，因为闸门开度对于水利枢纽功能的过流能力有着决定性作用，所以在对闸门进行控制的过程中，一项关键的内容就是对其开度位置做到实时了解。在本次所研究的水利枢纽功能自动控制系统中，借助于闸门开度编码传感器来进行闸门开度数据测量，这种传感器所支持的通信协议有两种，其一是Modbus类型的通信协议，其二是4～20 mA类型的模拟量通信协议。将该传感器与通用形式的转换盒配合使用，便可将测量获得的传感器信号实时向PLC传递，在经过PLC的相关计算之后，会在自己定义的寄存器地址中对处理好的数据进行储存，为相关程序的闸门开度数据读取提供足够便利[4]。

（2）对闸门进行调度与控制，根据实际的应用功能，闸门控制系统可以分为两个部分，第一是现场继电器控制，第二是远程控制。在系统的应用过程中，应优先选择现场继电器控制形式，这个是对闸门进行调度与控制的基础，这种控制形式有着最高的可靠性与安全性。在选择通过远程控制形式进行现场设备的控制时，闸门的控制方式有两种，第一是开环控制，第二是闭环控制。开环控制过程中，主要是借助于点动法对闸门的上升、下降以及停止进行控制;闭环控制过程中，主要是借助于目标值和实际值之间的比较来实现閘门运行状态的自动控制。

在通过闭环控制方法进行泵闸门控制的过程中，一项最为关键的内容就是对其具体开度进行确定。如果闸门处在一个完全关闭的状态，这时可以通过部分开闸的方式对其进行操作，具体操作中，对闸门的开度值做出预先设定，然后通过实际值和设定值之间的比较来进行相应的开闸操作控制。如果闸门处在一个完全打开的状态，这时可以通过两种方式对其进行操作，第一是将闸门关闭一部分，第二是将闸门完全关闭，具体操作中，闸门需要向上运行一段距离，在闸门到达搁门器的上端脱离之后才开始向下运行。相反的，如果需要将关闭的闸门完全打开，其控制指令需要在闸门脱离了搁门器下端之后再向下运行，并且需要完全搁在搁门器上端时才实现闸门全开。

3.4 PLC之间的以太网通信设计

在通过水利枢纽工程自动化系统进行自动调度与控制的过程中，需要很多台PLC来进行数据交换，M580CPU自带以太网口访问M3402020数据如下：用网线连接M580服务口一端和M340以太网口一端。M580一端编程配置：在PLC总线上双击CPU上的以太网口，点击通道0，即可看到，安全性，IP配置等选项，点击IP配置。可以自己根据需要设置IP地址，也可使用默认IP，主地址位服务卡IP地址，地址A为下面2个口的IP地址。从‘工具打开DTM浏览器，右键点击BMEP58 ECPU 点击添加，选择modbus Device，添加DTM。双击BMEP58 CPU，下拉找到设备列表里刚新建的modbus device，在地址设置里填写IP地址，此IP地址为要访问的M340的IP地址。在请求设置里添加请求，填写读取地址、长度，写入地址、长度。

4 结束语

综上所述，在水利枢纽工程的运行过程中，通过电气自动化技术的科学应用，可以让各个设备运行参数得到实时获取，并对泵闸的运行状态和具体开度情况做到实时了解，然后根据实际的应用需求来实现泵闸远程监控与调度。通过此方式，不仅可以有效提升水利枢纽工程的工作效率，同时也可以实现人力资源成本的进一步节约，避免由于人为因素所造成的失误情况，提升水利枢纽工程的应用质量及其安全性。因此，在水利枢纽工程的具体应用中，水利部门一定要对电气自动化技术做到足够重视，并将其合理应用在水利枢纽工程的控制中，尤其是泵闸的自动化控制与远程调度。这样才能让先进的技术优势在水利枢纽工程中得以充分发挥，满足水利枢纽工程的实际运行与发展需求。

参考文献

[1] 钱丽.新形势下泵站水闸自动化监控系统的应用[J].数字化用户，2017（14）：118.

[2] 邱超.自动化控制系统在外环西河泵闸项目的应用[J].建筑工程技术与设计，2017（23）：3494.

[3] 王利楠.一种水利工程农业灌溉用自动控制的阀门：CN201921584600.1 [P].2020.

[4] 张见刚. 探讨水利枢纽工程中电气自动化技术的应用[J]. 建材与装饰，2020（8）：252-253.

[5] 杨重文. 浅谈电气自动化在水利枢纽工程中的应用[J]. 城市建设理论研究：电子版，2012（30）：1-2.