水库闸门泄洪远程控制系统设计

郎 涛

(安宁市水务局，云南 安宁 650300)

水利工程中，通常会在关键进出口等要道设置各类闸门，用于保障水库顺利完成防洪等任务，维护水库的安全和效益[1-3]。随着技术的革新和发展，对于闸门的控制逐渐从手动转变为自动，利用计算机技术监控闸门的启闭，经过不断发展，逐渐实现了闸门的实时监控和自动控制[4]。但是，随着水情水调的变化和流域经济的发展，对水库闸门的控制要求越来越高，以往的控制手段越来越难以满足实际的控制需求[5]。

近年来，水资源短缺问题愈加明显，水资源的合理管理和发展受到越来越多人的重视，闸门的精确控制是科学管理水资源的重要保障[6]。国外在闸门控制上的研究有很多经验，如美国的某自动化控制系统，能够同时控制大量闸门的运行，其他一些国家在闸门自动化方面集成度较高，有很多成功的案例，有很多成功的经验值得借鉴[7]。在国内，水库闸门的控制研究与发展不是很完善，一些常规的闸门控制系统控制精确度较低，距离理想的智能化控制还有一些距离。如文献[8]提到的基于无线智能节点的远程控制系统，该系统在开发设计时，在内部模块布置了多个智能节点，实现了节点组网和综合态势显示，能够在闸门控制中通过节点回传目标状态信息，以便及时发出合理的控制指令，在实际应用上，受到通信距离的影响，控制指令的传输存在较高的延迟，系统的整体协调性需要进一步提高。文献[9]中提到的基于物联网和PLC的闸门系统也存在类似的问题，该系统借助物联网技术和PLC实现控制器的设计和远程无线通信，进而实现闸门的远程控制，系统在运行上十分稳定，但是对于远程通信延迟的问题并没有很好地解决，系统的协调性同样存在不足。因此，本文提出自动泄洪的水库闸门远程控制系统设计，以解决上述常规的控制系统中存在的问题。

1 自动泄洪的水库闸门远程控制系统硬件设计

在水库闸门远程控制系统的硬件设计上，借鉴以往使用的控制系统的总体结构(见图1)，针对其中的部分环境展开设计研发。

图1 闸门控制系统总体结构示意图

考虑到在闸门远程控制系统中，实现良好的控制效果离不开控制模块的支持，因此针对图1中显示的控制模块展开设计。

1.1 现场控制单元设计

对于控制模块，分两部分进行设计，一部分是现场控制单元设计，另一部分是传感器的安装设计。对于现场控制单元设计，选用限位开关、触摸屏、步进电机等硬件组成控制单元[10](见图2)。

图2 闸门现场控制单元硬件结构

图2中使用的PLC型号为CPU315-2DP/PN，方便构建容错系统；每一个控制柜均采用PROFIBUS通信，通过电缆将其与触摸屏连接在一起，形成通信网络，各控制柜采用星型拓扑结构组网，以满足多种宽频需求。在上述设计的基础上，安装闸门开度传感器。

1.2 安装传感器设计

水库闸门开度的自动控制中，开度的大小是重要参数之一，只有获得准确的闸门开度，才能实现闸门开度的有效控制。为保证闸门开度自动控制的安全运行，使用灵敏度高、抗干扰性能强的传感器测量闸门开度。具体的设计内容如下：

在硬件设计中，采用两种传感器监测闸门远程控制信号，分别是绝对式传感器和增量式传感器(见图3)。

图3 传感器安装示意图

图3中显示了两种不同的传感器在两侧油缸上的安装情况，两种传感器的安装分别实现了控制同步信号的传输和监测数据到现场控制单元的可靠传输。当闸门运动时，卷筒转轴就会带动两个旋转编码器转动，以拉线伸缩的位移作为依据，通过系统软件部分可以计算出闸门开度，进而控制闸门。同时，为了避免闸门出现损耗，将限位开关安装在闸门运行的最高点和最低点，当闸门启闭过程中达到限位时，提示报警，保证闸门和系统的安全。在上述硬件设计的基础上，展开水库闸门控制系统软件部分的设计。

2 自动泄洪的水库闸门远程控制系统软件设计

2.1 闸门开度测量及同步纠偏

当水库闸门两边运行不同步时会导致闸门无法开启，为了避免这种错误发生，在闸门远程控制系统设计中测量闸门开度并对其进行同步纠偏处理。

以控制精度为依据，将闸门有效行程内的开度曲线划分为多个直线段，这样处理后可以把有限基点区间内的曲线当作基点之间连接的直线，从而建立闸门开度W的计算模型。公式如下：

(1)

式中X——读取的液压缸实际数值；

Xn——理论上的液压缸位移数值；

Qn——各个区间开度的计算值，Q0=0，Qn表示最大行程开度；

n——区间分段数量。

由闸门开度的计算模型可知，液压缸的初始位移读数能够在闸门全关闭情况下确定，根据上述计算公式即可实现实时监控闸门开度的效果。

针对可能出现的闸门不同步的情况，采用同步控制原理，利用位置测量传感器监测两端油缸的行程，通过产生的监测信号判断行程是否存在差异。如果两端存在差异，通过软件程序的逻辑判断发出控制指令，消除油缸两侧的行程误差，使其同步工作。另外，当系统开始纠偏时，自启门开始，判断两侧油缸行程，出现行程偏差，则给定修正电压，直到达到同步要求。确定闸门开度后，在远程通信模块和通信协议的支持下，实现闸门的自动控制。

2.2 闸门远程控制设计

在闸门控制系统的远程通信设计上，利用Modbus协议定义一个能够被控制器识别的消息结构；在Modbus协议的支持下，每个控制柜都可以通过此协议找到目标设备地址，根据地址的不同产生不同的行为；如果需要回应，控制柜也是通过Modbus协议发出，实现控制柜与其他设备的数据交换。

Modbus在数据传输上有两种模式，根据实际需求选择RTU模式或ASCII模式，在配置每一个控制柜时，用户需要选择合适的通信模式和通信参数，实现最佳的数据交换。

在远程通信协议的支持下，计算闸门开度控制量，用于控制闸门启闭。相关计算公式如下：

(2)

(3)

式中u——闸门开度控制变量；

Td——控制回路的输出；

wc——闸门开度。

式(2)的作用是防止闸门频繁上升或下降造成闸门损耗，能够使闸门升降更加科学，式(3)为整理后的计算公式，通过式(3)即可计算出最佳闸门开度控制量。至此，自动泄洪的水库闸门远程控制系统设计完成。

3 自动泄洪的水库闸门远程控制系统实验研究

3.1 实验准备

在水库闸门远程控制系统设计完成后，针对整个系统设计结果进行实验研究，验证系统的控制协调性，同时根据实验分析证明系统在实际应用上各项功能正常。

以水库闸门作为实验案例，在实验前，检查现场控制柜线路电源是否正常，在保证电源供给正常后，设计水库闸门控流，用于后续实验研究(见图4)。

图4 闸门控流示意图

为了保证实验中闸门流态势自由出流的状态，在图中显示的闸门位置设计堰体结构，避免流量变化影响实验结果(见图5)。

图5 堰体结构示意图

考虑到实验中需要调整不同的流量，需要远程通信技术支持控制指令的传输。因此，在实验中对远程控制系统的通信部分进行实验。综上所述，在水库闸门远程控制系统实验研究中，设计远程通信同步实验和闸门开度精确度实验，通过这两组实验分析控制系统的控制协调性。

3.2 远程通信同步实验结果及分析

在远程通信同步实验中，将水库闸门远程控制系统布置在闸门和计算机上，连接同一个路由器，在各个控制系统中的数据采集模块设置相同的IP地址。借助网络调试助手设置本地端口和本地IP。设置完成后，利用计算机的命令控制台测试系统的网络连接情况，在保证连接正常的情况下进行各个控制系统的远程通信同步实验。

控制系统远程通信同步实验以闸门电机接收的控制信号延迟作为实验指标，延迟越高，说明控制系统远程通信同步效果越差，延迟越低，说明控制系统远程通信同步效果越好。实验结果见图6。

上述实验设定目标为100cm，控制电机以较高的速度向期望值运行，达到期望值后输出实验结果。观察图6中显示的结果可知，三组实验结果中，基于无线智能节点的控制系统和基于物联网的控制系统延迟较高，在电机向期望值运行的过程中延迟波动比较大，非常不稳定，控制效果极差。相比之下，提出的自动控制系统在经过短时间的波动后逐渐稳定，并且延迟远远小于另外两种控制系统。综上所述，提出的水库闸门远程控制系统远程通信同步更明显，在闸门控制上具有更好的控制效果。

图6 不同控制系统远程通信同步实验结果

3.3 闸门开度精确度实验结果及分析

在闸门开度精确度实验中，设置不同流量，使用不同的控制系统执行不同流量控制指令并求解最优闸门开度，同时得到不同条件下的系统计算流量，将其与给定流量进行相对误差的计算，根据相对误差计算结果，分析各个控制系统的闸门开度精确度(见表1)。

表1 闸门开度精确度实验结果

从最优闸门开度结果和流量相对误差两方面分析各个控制系统的性能，随着给定流量的增加，最优闸门开度在不断变大，三组结果相差并不大，理论上对自动泄洪工作影响较小；但是在流量相对误差实验结果中，基于无线智能节点的控制系统和基于物联网的控制系统数值比较大，远远高于提出的自动控制系统实验结果。再结合最优闸门开度实验结果综合分析可知，三组实验结果中，只有提出的自动控制系统能够满足对闸门开度精确度的需求，相对误差低，闸门开度最佳，并且在远程通信方面也更加稳定，提出的水库闸门远程控制系统在实际应用中协调性优于常规的控制系统。

4 结 语

本文以自动泄洪的水库闸门控制作为主要研究内容，为了满足闸门的实际控制需求，提出了自动泄洪水库闸门远程控制系统设计。在系统设计上，从硬件和软件两方面展开研究与分析，设计系统整体结构和功能。在系统开发设计完成后，以常规的控制系统作为参考对象，通过远程通信同步实验和闸门开度精确性实验，证明了提出的控制系统应用性能更好。但是，在实际工作中很容易受到外界天气的影响，因此，在后续研究中，重点研究天气因素对控制效果的影响，尽可能使控制系统更加完善。