引黄水闸启闭控制系统的研制与应用

侯 涛 ，李晓炜

（1.济南供水分局，山东 济南 250032；2.历城区黄河河务局，山东 济南 250018）

引黄水闸闸门启闭控制系统，是依托遥控装置、传感系统等先进技术，进行控制闸门启闭运行的一种有效方式。目前引黄水闸运行管理，仍然存有技术设备滞后、劳动强度大、生产效率低和启闭安全性差等问题。通过研制应用该控制系统，并在杨庄引黄水闸进行试验，成功解决了以上问题。

1 控制系统研究的背景

1.1 引黄供水在社会经济建设中的重要作用

黄河水是山东沿黄地区主要的淡水资源，同时还是引黄济津、引黄保泉、引黄济青等重要水源。引黄供水为沿黄地区工农业发展和社会稳定提供了水力资源，满足了沿黄城市居民生活用水、促进了社会经济发展，最大限度地保证了农作物关键期的用水，对农业增产丰收和城市生活、工业生产以及生态环境起到了举足轻重的作用，为国民经济发展和社会稳定做出了贡献。

1.2 现状和存在问题对引黄水闸运行的影响

沿黄各地农业灌溉最大特点是根据天气及农作物的实际情况，按照早提晚关的引水作业模式，使用黄河水。为加大水资源利用率，实现供水效益最大化，当河道水位发生变化时，就需随时调整闸门高度，酌情增加启、闭闸门的次数，来稳定闸后水位和流量，避免因水量突变给闸后水渠工程造成不利影响。

1.3 应用新技术的必要性

多年来，水闸操作人员进行闸门启闭时，多是手工操作，工作条件差环境艰苦。特别是调水调沙期间，天气干旱无雨，气温较高，水位涨落幅度大，为确保闸后水位平稳，灌区水渠使用安全，一天启闭调节10余次，劳动强度非常大。因此，研究试验既减轻管理人员的体力劳动、又能节约工作时间、运行更安全可靠的操作使用设备和仪器迫在眉捷。为此，试验、运用新型的水闸闸门启闭控制系统进行启闭调节闸门非常必要。

2 SZYK型闸门启闭控制系统

2.1 控制系统组成和性能

该控制系统主要由遥控显示器、接收器、控制柜、传感器等组成。在距闸室200 m的范围内，遥控发出闸门升降指令，接收器按照指令连接线路，经过控制柜控制闸门升降，同时将升降高度反馈显示器，便于升降操作；设置了闸门启闭区间，提高了闸门运行的安全性能。

2.2 控制系统原理

1）建立电机转数与闸门启闭高度的函数关系，即闸门升降高度为电机转数的1.7倍。

2）安装在启闭电机上的传感器，检测其转向和转数等信息传递给接收器，经过接收器中的单片机（STC12LE5A16AD）进行处理，计算出闸门升降高度信息并发送给遥控器。

3）遥控装置接收到信息，LED显示屏就会及时显示闸门的高度数据，供管理人员实时掌握水闸闸门运行状况，进行闸门升降的调整。

2.3 控制系统主要参数

1）遥控器。发射功率为10 kW，电压为3 V（2节5#电池）。在遥控器上设有电源开关、LED显示器和2组升降按钮。

2）接收器。接收功率为10 kW，电压为12 V。在接收器上设有电源开关、升降控制线、闸门升降数据线、归零键。

3）闸门升降测试应用值。人员测试平均值为1.69 mm/r和1.71 mm/r。故选取1.7 mm/r为理论值进行测试，后测试证明1.7 mm/r符合实际操作运用值。

4）在启闭机动力电机上安装了3个NPN常开型的传感器，1个测电机转动圈数，2个鉴别电机旋转方向，将信息传递到接收器，单片机根据电机转动方向和转速进行处理，计算出闸门高度，将信息反馈到无线遥控器显示。

5）本系统设有闸门启闭高度区间0～2 m（即电机旋转0～1 176 r，也可根据需要经过计算机程序进行调整设置）。

2.4 控制系统的研制

组织人员对电机设备、转速和闸门高度进行测试，现场测试启闭机上的齿轮转速和闸门升、降高度。电机转数为启闭机设备设定的电机和齿轮转数按 43.34∶1 折算值。

根据测试数据分析表明：启闭机提升闸门要克服上升阻力和闸门自重，速度较慢。下降闸门则由于闸门自重下落较快。

启闭电机JZ242型额定转速为698 r/min。闸门起升额定速度为1.16 m/min，即1.66 mm/r。与测试平均数据1.69 mm/r相近，分析误差主要因启闭机连接闸门为油丝绳松紧程度不同所致。

通过组装调试，打开遥控器右侧电源开关，在距闸室200 m的范围内，轻按遥控器上的1#升（降）或2#升（降）按键，接收器就会按照升降指令进行控制连线，启动电机运转，闸门就会随之升降。同时遥控器显示系统会实时显示闸门的高度，管理人员根据情况进行升降调整操作，直至符合要求为止。

2.5 控制系统的使用情况

自2010年5月28日，SZYK型引黄水闸闸门启闭控制系统在杨庄闸安装试用至今，一直运行良好，达到了研制目的。

特别是调水调沙期间，管理人员能够随时掌握闸门启闭高度、闸后水渠的水位和水势情况，每次调整闸门达到要求，只需1人就能够方便、快捷的完成。调水调沙期间，虽然大河水位变化无常，但管理人员都能够轻松操作完成。使用SZYK型水闸闸门启闭控制系统调控闸门，达到了准确、省时、省力、安全的目的，运行效果明显，实用性强。

3 应用效果

3.1 实现了闸门启闭无线远程调控

应用水闸闸门启闭控制系统调控闸门启闭，在远程无线遥控闸门启闭操作上实现了新突破，解决了水闸运行时多人协同操作、反复调整、频繁启闭的现实问题，实现了200 m范围内调控闸门高度的目的，减少了用工量，缩短了开启时间，提高了工作效率。

3.2 提高了闸门运行安全度

在接收器单片机程序内设置闸门启闭高度区间，即启闭高度最小值0和最大值2 m。当闸门降至最小值时，启闭操作自动停止，避免无限下降造成油丝脱槽和其他事件的发生；当闸门升至2 m时，启闭操作同样自动停止，避免了闸门过度上升带来的不安全影响。

为保证操作安全，在遥控器、接收器都安装了无线遥控系统启闭闸门专用的电源开关，杜绝了闸门无计划操作，避免了闸门运行的不安全因素。

3.3 实现了闸门运行状态的实时再现

传感器在启闭机动力电机上的成功运用，实现了闸门运行状态的实时再现。在启闭机动力电机上安装了3个NPN常开型传感器。传感器将运行信息传递到接收器，单片机根据电机转动方向和转数，计算升、降信息，并反馈到无线遥控器，遥控器屏幕就会显示闸门运行高度信息，供操作人员查看和使用。此信息在遥控器上始终保留，管理操作人员实时查看闸门当时运行状况，调整闸门运行状态。

3.4 与远程监控系统形成闸门操作功能上的互补

无线遥控接收设备利用电子模块进行组装，与远程监控闸门操作系统并联，共同使用闸门启闭控制设施，不需任何切换操作，二者都可单独使用，互不影响，操作闸门运行效果一样，形成了闸门操作功能上的互补。因遥控器显示系统随时显示现实的闸门高度信息，不会造成与远程监控系统一同操作使用的可能。

3.5 减少设备运行频率，延长了工程、设备使用寿命

SZYK型闸门启闭控制系统，可一次精准地操控闸门启闭到要求的高度，以达到控制闸门安全引水的目的。无线遥控系统提升闸门的运用，大大减少闸门启闭频率，降低运行设备磨损率，延长了设备的使用寿命。同时，利用该系统调控闸门，避免了闸后水跃及折冲水流等不利现象的产生，从而提升了工程运行的安全性。