自动化技术在水利工程的应用

李 昂，刘光景，冯 洋

（1.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250109；2.山东泽硕信息科技有限公司，山东 济南 250031；3.山东润鲁工程咨询集团有限公司，山东 济南 250100）

随着自动化技术在设备控制、远程调度、数据采集、分析等领域的应用，为水利工程运行管理从业人员提供了更加高效、精准、智能的帮助和支持。

1 工程概况

南水北调东线穿黄河工程位于山东省泰安市与聊城市之间，通过下穿黄河的穿黄河隧洞连接了东平湖和鲁北输水干渠，实现南水北调工程在山东境内引长江水到聊城、德州等地，同时具备向河北省、天津市及雄安新区供水的条件[1]。穿黄河工程通过出湖闸、进口检修闸、埋涵出口闸、隧洞出口闸四座闸门调节流量和水位，并设有一座东阿分水闸为聊城市提供工业用水[2-6]。

2 应用实例

2.1 实例1：东平湖出湖闸闸门开度测量方式优化改造

2.1.1 存在问题分析

东平湖出湖闸原有闸门开度测量方式是通过启闭机的钢丝绳、滚筒、减速箱、齿轮、传动轴等一系列的机械传动及变比带动开度编码器动作，通过编码器转动的圈数来换算出闸门开度值，但是受限于钢丝绳的紧固程度、韧性、齿轮间隙等因素影响，导致开度存在一定机械误差，从而影响开度测量的准确性。开度仪表通过4~20 mA上传开度数据，PLC经过模拟量转换计算出开度值，但是开度仪表在4~20 mA区间易出现信号漂移，从而导致PLC转换的开度值不准确，影响远程自动化监测与控制的实效性。

2.1.2 技术改造内容

结合现场情况分析数据误差产生的原因，对目前存在的问题进行改造，主要内容包括测量方式和数据传输，改造项目主要设备清单见表1。

表1 改造项目主要设备清单

（1）测量方式的改造。安装收绳设备，开度收绳设备工作原理是测量闸门的实际位移量，即闸门实际动作多少位移量，开度收绳设备就能测得多少位移量，和之前测量相比就解决了因为机械传动产生的误差问题。新增加的收绳设备与原编码器配套使用，收绳设备安装固定在启闭机底座上，测量收绳的钢丝绳垂直向下拉出，固定在闸门上方。其原理是通过闸门上、下移动，带动收绳设备收紧动作，固定在收绳设备的编码器信号输出至高精度的隔离分线器上。

（2）数据传输的改造。编码器输出数据接入高精度的隔离分线器，由分线器把信号转换为两路相互隔离的信号，一路接入PLC，另一路接入开度仪表。PLC采集端根据编码器的编码规则及转换码数进行PLC程序的开发，开发的逻辑程序最终换算出实际的开度值，开度仪表端根据编码器的输出信号设定相应参数，得到实际的开度值，且能保证开度仪表和PLC的开度值一致性。数据传输工作原理见图1。

图1 数据传输工作原理

2.1.3 技术改造实施过程

（1）硬件。收绳设备安装固定在启闭机底座上，测量收绳的钢丝绳垂直向下拉出，绳端固定在闸门上方。安装高精度隔离分线器，更换开度仪表。分线器安装在启闭机控制箱内并用燕尾丝固定，输入接口接收绳编码器的输出信号，输出接口分别接PLC和现地开度仪表，连接线缆采用RVVP屏蔽层线缆，物理接头均采用DB25实心针插头连接固定。安装完成后进行调试，测量PLC、开度仪表、收绳编码器之间的信号顺序连接。

（2）程序开发。传输线缆采用21芯屏蔽线缆，每台启闭机皆有单独线缆汇聚到PLC控制柜，再由PLC功能采集模块接入PLC。编码器在正常运行中实时输出一组格雷码，通过外部连接数据线输出至PLC的数字量输入模块，把传感器输出的格雷码采集到PLC中，PLC通过码制转换、逻辑运算处理，换算出实际的数据值。

2.1.4 数据测试及改造效果

项目改造后对闸门升降进行多次数据测试，数据计数为四舍五入进位，测试记录见表2。

表2 出湖闸启闭机开度数据测试记录

收绳式开度设备和编码器数据传输的改造，明显提升了闸门开度测量的精度，同时也解决了开度仪表和PLC数据误差较大、有延时的问题，增强了调水设备的准确性、实效性及安全性。

2.2 实例2：东阿分水闸控制系统自动化技术改造

2.2.1 分水闸运行存在的主要问题

东阿分水闸改造前现地控制柜电气设备较为简单，控制柜不具备接入PLC条件，只有单一的启闭功能，控制功能缺失严重。主要存在的问题包括：①控制回路缺少远程控制功能，无法与现地PLC连接实现远程控制；②缺少蝶阀开度显示，操作蝶阀时不能实时查看角度变化；③缺少机械限位和数字限位，蝶阀全开或全关时无动作；④蝶阀变送器故障，输出的模拟量信号异常；⑤配电柜内电压表、电流表不具备通信采集“接口”，无法上传数据；⑥柜内其它设备年限较长，部分设备已出现老化现象。

2.2.2 技术改造内容

（1）现地控制单元改造。原有现地控制柜不具有接入PLC的接口，缺少标准的操作设备，电压、电流仪表没有通信输出功能，设备老化。结合现场情况，对柜内设备进行集成，增加多功能仪表,法劲FAJ96（采集电压、电流、功率等）支持Modbus通信协议，增加电动合闸、分闸装置，增加开度仪表，控制回路增加PLC接口。

（2）安装蝶阀变送器和限位器。变送器信号接入开度仪，显示准确的开度数据；安装限位器，可使仪表开到位、关到位动作准确，并接入至控制回路。

（3）PLC控制柜与现地控制柜的集成。PLC控制柜与现地控制柜系统集成，包括安装、接线、调试，实现远程监控功能。所采集的信息分为数字量数据、模拟量数据、Modbus协议数据三种类型。数字量数据包括现场蝶阀打开或关闭状态、闸位行程开关状态、蝶阀保护装置状态、有关按钮或开关状态、电动机状态等；模拟量数据包括开度仪仪表数据；Modbus协议数据包括电压、电流等数据。PLC和监控平台程序开发，PLC控制柜与管理处控制室远程集控的连接。

2.2.3 技术改造的实施过程及效果

（1）蝶阀变送器及限位器信号接入。主要实施过程包括：①变送器信号接入开度仪，显示准确的开度数据；②对限位装置进行更换，可使闸门开到位、关到位能准确动作，并接入至控制回路；③变送器、限位器信号传输线缆敷设，用线槽固定上墙，做到平行、垂直敷设到现地控制柜；④模拟量传输线缆采用RVVP屏蔽线缆，防止电磁干扰，信号失真。

（2）PLC控制柜改造。数字量数据包括现场蝶阀打开或关闭状态、闸位行程开关状态、蝶阀保护装置状态、有关按钮或开关状态、电动机状态等；模拟量数据包括开度仪仪表数据；Modbus协议数据包括电压、电流等数据。

1）蝶阀开度数据采集。开度仪表的开度数据传输方式为4~20mA模拟量数据，此量程对应0°~90°闸门开度。PLC设备配备了AMI0810采集模块对该模拟量信号进行采集，给定相应的通道分配，将模拟量转换为数字量，在程序中对数据进行相应的转换、计算和整定，从而得出相应的数据结果。

2）现地控制柜电压、电流数据采集。现地柜的电流、电压都集成在了柜内的多功能仪表上，而多功能表的数据传输方式也遵从RS485串口协议。PLC设备将该数据采集至TSX21601串口模块。程序将该数据进行整定后，传输至触摸屏，从而便于监管人员对现地控制柜的电流和电压状态进行监测。

3）现地控制柜数字量状态采集。控制柜按钮状态通过数字量信息的方式传输至PLC设备中。为了保护PLC设备不会被传输线路误入的高压电流损坏，机旁箱传输的数字量信息先是传递到PLC柜的中间继电器上，再以低压信号的方式传输至PLC的DDI1602模块上。采集模块的端口I0-I15，在PLC正常运行中，将模块上的端口状态映射到PLC的程序寄存器中，由程序逻辑的限制条件，对操作的流程做出正确的执行。闸门的电气限位信号，先传输至机旁箱中，再经过其端子传输至PLC中。对于闸门的启闭两种状态，PLC通过检测限位开关信号来判断，从而对闸门的开和关指令进行有效的控制，避免闸门越上限和下限。

（3）技术改造效果。通过对现地设备的自动化升级改造，该闸站的运行状态及数据信息成功接入，实现了PLC以太网方式进行通信，接收远程启闭命令，同时上传设备的运行状态和各种数据。

2.3 实例3：穿黄隧洞监测井安全监控升级改造

穿黄隧洞布置有两处监测井（排气孔），既是隧洞排气、检修的通道，也是隧洞内安全检测数据采集走线通道。在两处监测井加装安全监控设备，是为保障监测井设备安全，并可以在汛期观察周边汛情，防止黄河涨水入井。因监测井地处农田区域且周边无电线或稳定供电设备，改造项目采用立高杆架设太阳能板供电监控摄像头，并在杆下布置短时备用电池和硬盘录像机，使用通信商民用数据流量卡实现远程设备控制和画面传输。投入使用后，一处设备因周边林木较高遮挡阳光，导致太阳能供电板输出功率无法稳定支持监控设备和硬盘录像机正常运转；且两处设备均出现通信卡流量消耗过快（所在地无法办理无限流量业务）、使用成本过高的情况。

3 总结

水利工程是关乎社会民生的重要国家项目，自动化技术推广应用是意义深远的国家战略。实例1和实例2的自动化改造，通过并不复杂的技术手段和较低的预算投资，实现了对水利工程现场操作方式的升级和管理水平的提升，并且在实际应用中取得良好的使用体验，对水利工程运行管理工作的有效开展和深入研究有显著帮助。

实例3则体现出了自动化技术在水利工程应用中依然存在普及障碍，其主要原因在于：一方面自动化技术依赖于供电、通信等基础设施，另一方面水利工程多呈现点、线、面复杂局面，日常巡检、维护、紧急抢修等技术工作的开展有障碍。

近年来，水利工程运行管理单位在设备、人员、管理等方面加大资金投入、加强建设力度，但是自动化技术在水利行业得到广泛应用后如何做到深度融合，依然任重道远。