水闸电气设备的自动化应用与发展

王辉

【摘要】我国水利资源丰富，而水又是民生之本。所以越来越的大中型水利工程被建成或正在兴建于各大江流、湖泊之上。电气设备是水利工程设施发挥其功能的重要组成部分，必须加强大中型水闸电气设备的控制，这样才能保证水利工程的建设目标意义。本文就水闸电气设备的应用及控制方法做一探究。

【关键词】水闸电气 应用 发展

Abstract：China''s abundant water resources, and water is the basis of people''s livelihood. So more and more large and medium-sized water conservancy project being built or under construction in the major river, lake. Water electrical equipment is hydraulic engineering facilities play an important part of its function, must strengthen the large and medium-sized sluice control of electrical equipment, so as to ensure the construction of water conservancy project target. In this paper the application of sluice electrical equipment and control method research.

Keyword：Sluice electrical Application Development

中图分类号：F407.6文献标识码：A 文章编号：

前言

在我国民经济发展中，水利工程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上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。

一、水闸电气设备的安装

1、水闸计算机监控系统的安装与调试

水闸计算机监控系统是按照标准工艺控制要求设计而出的双层控制系统，其下层的现场控制单元LCU直接控制闸门的运行，上层计算机控制系统则负责对所有工艺状况的集中监视和协调控制，并分析和记录所有工艺参数的状况和趋势，双层的使用达到使生产工艺设备稳定，可靠运行的目的。上层与下层之间通过稳定和大容量的100M快速光纤以太网连接，构成完美的网络系统。上层控制级：中央控制室本控制系统设有中央控制室，它配置中央操作站置于中控室内。操作人员通过中央操作站，可以集中监视，管理、掌握过程的现状和趋势，同时进行必要操作，完成整个过程和控制，达到整个过程正常稳定、可靠运行。通过中央操作站可以监视生产过程、各测点实时动态数据、各设备的运行状态、重要参数，显示系统总貌图、操作面板、实时趋势及历史趋势图、棒状图以及实时操作功能等。能完成对现场设备的远距离遥控启动，停止，状态指示等功能。能提供多项报警处理功能，可以保存长时间的报警信息。每台操作员站均能独立监控整个生产过程，同时控制站也可以作为工程师站使用，它可以完成系统软件的编程、组态、调试和修改等工作。下层控制级：电气室和现场站，根据不同的工艺和需求，分别设置不同位置的现场站，并确定其各自的监测范围，从而分组实现启闭机的现场控制和远程控制。主要设备包括：现场控制站、各现场站控制处理器、模拟及开关置的I／O模块、其它各种功能模块、机柜机架。闸门计算机监控系统主要对闸站的闸门控制系统进行有效监视和控制，保证闸门更加安全、可靠运行，实现闸门“无人值班”(少人值守)的目标。闸门计算机监控系统是专门针对于各类闸门控制而设计研发的，适用于水得各类闸门(包括进水闸门，事故闸门，溢洪道闸门、节制闸，船闸等)的自动控制。该系统集泵站监测，控制、保护，视频监视，信息统计和管理于一体，采用分层分布式结构，模块化设计。完成闸门的开启，关闭控制、各参数(开度，荷重，水位、渗压等)测量、闸门的各类控制(流量控制、开度控制)等功能，实现闸门站无人值班、少人值守。奉贤水闸管理管辖的12座水闸通过改造，都已采用远程控制方法来启闭闸门，下图为操作人员在控制室操控启闭设备。

远程控制启闭设备

2、高低压开关柜安装与调试

高低压开关柜常规检验必须小心谨慎，要做好防电措施。检测时闲杂人等必须远离，避免对人体伤害。其安装与调试的一般要求是：

2.1 户内型应垂直安装，户外型有的要求水平安装。垂直安装时，静触头要在上。

2.2 静触头侧接电源，动触头侧接负载。

2.3 初始安装好后必须进行认真细致反复地调试。调试后要达到：分、合闸过程皆达到三相动触头同步动作，其先后最大距离差不得大于3mm；在合闸位置，动刀片与静触头的接触长度要与动刀片宽度相同（刀片全部切入），且刀片下底边与静触头底边保持3mm 左右的距离，保证不能撞击瓷绝缘，静触头的两个侧边都要与动刀片接触，且保证有一定的夹紧力，不能单边接触；在分闸位置，动静触头间要有一定的隔离距离，户内压气式负荷开关不小于182±3mm，户外压气式负荷开关不小于175mm。

2.4 带有高压熔断器的负荷开关，其熔断器的安装要保证熔管与熔座接触良好。熔管的熔断指示器应朝下，以便于运行人员巡视检查。

2.5 负荷开关的传动机构和配装的操作机构都应完好。分合闸操作灵活、不抗劲，操作机构的定位销在“分”、“合”的位置，能确保负荷开关状态到位（即“确己拉开”、“确已合好”）。

2.6 负荷开关与接地开关配套使用时，应装设联锁并确保其可靠性。

二、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要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。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个方面的控制内容有机地结合在一起，组成的控制系统还要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，这样可以满足技术进步的要求。

三、水闸电气设备的应用

1、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(25cm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(0.10mm)；调节方便；复位行程短(不超过10cm)；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。在网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。

2、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超声波式传感器。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4～20mA，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30mm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。超声波水位仪工作原理是通过传感器发出高频脉冲声波，遇被测物体(水面)表面被反射，折回的反射回波被同一传感器接收，转换成电信号。脉冲发送和接收之间的时间(声波的运动时间)与传感器到物体表面的距离成正比，声波传输的距离S与声速C和传输时间T之问的关系可以用公式表示：S=CT，而测定距离L=S／2。安装传感器时，应使传感器发出的声波垂直于被测物体，使传感器能接收到较多的物体反射回来的声波，使测量更精确。在被测物体与传感器之间不能存在任何物体，以免使声波被遮拦物反射给传感器，造成实测距离为传感器与遮拦物之间的距离。其次，水面波动会对采集精度产生影响，因此采用数字滤波以及加装导管的方法加以抑制。另外，为防止电磁干扰，传感器到控制表之间的传输线务必使用屏蔽电缆。考虑到实用性和数据准确性，目前奉贤区境内水闸都采用超声波式传感器。

3、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绝对编码式两种。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。绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线。。。。。。编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。下图为水闸采用的绝对编码器与启闭机系统的安装示意图。

编码器机械连接方式示意图

四、水闸电气设备控制的强化

水利工程建筑是一种开发水利资源重要手段，且与国计民生、社会发展以及经济建设等社会重大问题相关。水闸电气设备对水利工程建筑实现其功能具有重要作用，因此电气设备控制也显得相对非常重要了。当代社会不仅经济迅猛发展， 而且科学技术也呈现出日新月异的好的发展势头，因而，我们也应添加一些新的科技元素到水闸电气设备的控制中，为的是达到创新控制方法的目的。这种创新需要多方面的保障与支持，首先，应结合近年来国内外在水闸电气设备控制上的成熟理论与经验，进行适当的完善与革新；其次，各相关部门应加强水闸电气设备控制在理论上的研究，促使其一步步进入到现代化控制的阶段和层次上来。

结语

在我国，拥有着许多大型的河流和湖泊，它们是建设水利工程项目的基础。水能是一种天然、绿色，并且储藏巨大的可再生能源，它必须依靠现代机械设备通过一系列的运转与控制，而生产出满足工农业生产、以及人们生活的各种需求。水闸电气设备是现代水能开发与利用的重要设备之一，是人类高科技发展创新的产物。水闸电气设备的安装要以全面、合理、有效利用水资源为前提，在保证安装程序符合操作流程的同时，还要认真分析和研究．力争为国家提供更多的绿色、环保的能源，以实现促进国家经济发展和人民安居乐业的宏伟目标。

参考文献

【1】孙祥明．水利工程电力设备管理手册 北京：知识产权出版社，2007

【2】孟翔宇、王德军．水利工程电气设备的管理与控制[ J ] 水利建筑，2007(2)

【3】王丽清．如何加强水闸电气设备的控制[J] 科技与发展，2001(12)

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。