闸门远程监控技术在工程应用中的研究与探讨

王尚宏，张 倩

（新疆电子研究所有限公司 新疆 乌鲁木齐 830049）

随着计算机技术的快速发展，SCADA等工业控制技术的日趋成熟，采用计算机、PLC、网络、智能闸门测控仪（开度仪）、旋转编码器、闸位传感器、水位计、上位机监控软件等多种现代技术，实现闸门的远程实时监控已经成为事实，但是现阶段的技术理论在实际工程中出现了许多应用问题，文中针对出现的问题进行了研究探讨并提出了相应的解决思路与办法[1]。

1 闸门远程监控的定义

闸门自动化远程监控系统就是通过计算机监控系统检测采集闸门上、下游水位、闸门荷重、闸门启闭状态与开度、工程运行实时工况图像等信息，并根据实测水文资料，通过上位机监控系统的分析、判断、水文水利计算，进行科学控制、自动调节，保证闸门的优化、安全、经济运行。操作方式上则以计算机作为人机界面，控制方式和理念上则转变为远程监控为主，现场就地控制为辅，并仅作为备用检修操作方式运行。

2 闸门远程监控的构成

闸门远程监控系统能实现就地控制和远程控制2种方式[2]，主要由数据采集系统、启闭控制系统、安全保障系统、视频监视系统、语音报警系统、web发布系统等几部分组成，其相互间逻辑关系如图1所示。

图1 远程监控系统逻辑Fig.1 Long-range logic picture of monitoring system

数据采集系统负责上下游水位、闸位、闸门位置等开关量和模拟量的采集；启闭控制系统负责闸门升降停的控制；安全保障系统则是为了确保闸门在启闭运行时，无论出现任何非正常工况都可以迅速地安全终止操作，保护设备安全；前台计算机监控系统主要负责对数据的处理、分析、判断，提供较为直观友好的人机界面；语音报警系统除了对设备运行异常情况进行报警外，还可以在闸门启闭前进行语音提示，对上下游起到告知作用；WEB发布系统则可以对闸门的运行工况，如水位、流量、开高、开孔数、荷重等参数进行对外发布，以供其它人员浏览；视频监视系统负责采集存储启闭机房内外、上下游河道等重点监控点的运行情况 ，并同时具备通过IE进行远程WEB浏览功能。

其中数据采集系统、启闭控制系统由PLC完成，安全保障系统由数字电子限位、机械限位、负载过荷、工作超时、启闭机过流、方式闭锁等多重保护功能组成，确保闸门运行安全可靠。计算机监控系统、语音报警系统、Web发布系统由前台监控计算机完成，视频监视系统及远程浏览可以通过硬盘录像机来轻松实现。

通过RS485与闸位计实现现地控制的方式。闸门远程集中控制通过可编程控制器[3]与闸位计的通讯来实现，如DZKB、XDZC-100型闸门测控仪等，其本身具备闸门启闭控制、上下限位设置、开高模拟跟踪显示、荷重监视等功能，一般闸门测控仪与PLC的通讯是通过基于MODBUS RTU 485标准串行通信总线[5]实现近地控制.实现方式如图2所示。

图2 系统工作原理图Fig.2 System working principle

3 工程应用中常出现的问题与解决办法

文中主要针对现地控制部分在工程应用中出现的问题进行研究。

3.1 编码器安装方式存在的问题及解决办法

1）编码器设计安装方式

旋转编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来计算闸门位置[4]，在闸位控制中现在普遍采用的安装方式是安装在闸门的丝杆附近，依靠齿轮与闸门的丝杆啮合，在电机提升或下降的过程中丝杆的运动带动编码器的齿轮转动实现开度的计量。如图3所示。

图3 编码器设计安装方式Fig.3 Encoder designs and installs the way

2）存在的问题

在实际应用中发现，中小型闸门在运行过程中由于长期受重力作用或者电机震动会造成丝杆的垂直度全部产生变形，这样带来的问题就是：要么编码器与丝杆啮合的间隙过大，导致编码器不转动；要么是编码器与丝杆啮合的间隙过小，导致编码器损坏，最终造成开度计量的不准确，无法保证闸门控制的可靠运行。

3）解决办法

参照浮子水位计的连接设计方式，将编码器和丝杆的连接方式由齿轮啮合改成钢丝缠绕滑轮和编码器的连接方式，钢丝一端连接丝杆，缠绕滑轮和编码器转盘后再连接一个重锤。这样的话，闸门丝杆在上升或下降过程中不与编码器直接接触，只牵动钢丝，钢丝再经滑轮传动带动编码器转盘的转动。如图4所示。

图4 改进的编码器安装方式Fig.4 Way that the improved encoder is installed

3.2 闸门自动启闭的可靠性存在的问题及解决办法

1）闸门启闭过程的设计方案

普遍采用的闸门启闭控制方式：旋转编码器的信号提供给开度仪，开度仪以4～20 mA的信号传给PLC，PLC根据编码器产生的位移进行逻辑判断控制闸门的启闭。其中闸门的上下限在开度仪上可以进行参数设定，闸门的启闭限位有限位开关来保证。

2）存在的问题

在实际应用中发现，多数闸门附近经过长期沉沙，如果不及时清理，会有一定高度的泥沙堆积，有时也会有大的石块卡在闸门闭合槽中。闸门在关闭的过程中，由于泥沙或石子的阻碍不能达到启闭限位，此时上下限位的限位开关就失去了保护功能，开度仪在未达到下限参数设定时不会给PLC提供达到下限位的信号，PLC就会一直控制电机运转，此时闸门无法下降，但是电机却在继续运行，结果是负载转矩过大导致电机停转，电机长时间电流增大必将引起绕组发热[6]，最终会导致电机损坏，不能保证闸门控制的可靠性。

3）解决办法

采用闭环智能分析+报警的方式来增加闸门启闭过程的可靠性如图5所示。

图5 电流闭环智能分析Fig.5 Electric current closes the intellectual analysis of the ring

在闸门控制系统中，给电机增加一个电流感应模块，将电机电流信号输出给PLC，再给PLC设定一个电机正常工作的电流参考变量。当电机电流大于PLC设定的参考变量时就说明电机堵转，PLC立即发出电机停止运行命令同时向上位机提出报警并提供相应的参数。这样就可以形成一个闸门启闭过程的PLC闭环智能分析+报警过程，对闸门的维护和安全运转提供了可靠性保障。

4 结束语

闸门远程监控技术已经趋于完善，但是在技术实施过程中根据实际情况不同总会出现许多问题，作为工程人员针对出现的问题及时进行研讨和技术改进能促进系统的最佳化。本文中提到的相关技术问题均取自新疆兵团且末垦区苏塘灌区自动化项目，所论及的改进方法也在该项目中具体实施，改善效果良好。

[1]莫兆祥，楚伟华，王卫.闸门自动化远程监控方式设计分析[J].机电一体化，2008（1）：89-92.

MO Zhao-xiang，CHU Wei-hua，WANG Wei.The automation of the gate controls the way to design and analyse longrangly[J].The Electromechanics Integrates，2008（1）：89-92.

[2]旷哲.基于PLC的阀门远程监控系统设计 [D].长沙学院，2008.

[3]杨青峰，付骞.可编程控制器原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2010.

[4]刘兴海.旋转编码器的应用[J].新疆钢铁 2006（1）：31-34.

LIU Xing-hai.Rotate the application of the encoder[J].Xinjiang Steel，2006（1）：31-34.

[5]李昌禧.微机化仪器仪表设计[M].武汉：华中理工大学出版社，1999.

[6]王永华等.现代电器控制及PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.