浅析水库闸门自动控制系统设计及实现 姚玉翔

浅析水库闸门自动控制系统设计及实现姚玉翔

摘要：介绍了水库闸门自动控制系统的组成，并论述了闸门自动控制的安全性

设计的方法，采取安全性设计后可有效消除安全性隐患，提高闸门自动控制系统

的安全性，确保闸门的运行安全。

关键词：水库闸门；自动控制系统；安全设计；实现方法

传统水闸启闭机控制系统一般采用继电器-接触器，通过按钮来操作启动和关闭，由于电器触点可靠性比较差，控制手段落后，闸门开度也多凭肉眼观察，误

差大；并且不能根据水位或其它状态的变化实现自动控制；维修方式采用事后维

修和计划维修，这些方法都是基于人工或现场操作人员的经验，实时性差、可靠

性低，一旦出现故障则需要全站停机检修，造成较大的损失。因此迫切需要对闸

门控制方式进行自动化改造。

1水库闸门自动控制系统的构成

要想实现水库闸门的自动控制,控制系统需要包括以下几个部分:现场控制部分、防雷系统、数据采集和信号传输系统以及应用软件。中心计算机同时与打印机、

避雷系统以及LPC或者DCS连接,用来测量闸门开度的开度仪与控制系相连。

1.1现场控制部分

目前的现场控制设备一般采用DSC或者PLC,二者原理相似。控制器接收到上

位机发送过来的控制信号以后做出反应动作,对各接触器的通断进行控制,远程控

制闸门的升降。

1.2防雷系统

水库闸门的自动控制系统主要由电子元件构成,如果线路遭受雷击就会发生故障,还可能产生电磁暂态过程,形成过电压。因此为了避免雷击损害自动控制设备

并影响到系统功能,信传输以及供电线路等容易发生雷电故障的部位加装避雷设施。

1.3数据采集和信号传输系统

数据采集系统主要由库水位传感器、闸门开度传感器、二次仪表以及数据采

集设备构成,而信号传输系统则包括通讯设备、计算机终端以及通讯线路等部分。

闸门开度传感器通过二次仪表将开度信息传送给上位机,完成数据的采集和传输操作。

1.4应用软件

水库闸门自动控制系统中的上位机软件既可以使用组态软件进行制作,也可以

利用可视化语言来开发。前者的要求比较低,只需要操作人员掌握系统结构以及组

态软件的使用方法就可以开发出符合水路闸门自动控制需求的应用软件;对于后者,开发人员需要掌握下位机和底层通讯协议,开发难度与工作量都比较大,非常耗时。 2安全性设计方法

2.1静态安全性设计

为了避免闸门在静态情况下的误动作，根据闸门自动控制系统的特点，可以

通过以下措施来提高系统的静态安全性。

①中心机房计算机软件设计有用户身份确认，不同的用户拥有不同的使用权限，一般用户只能通过计算机查看闸门的相关信息，不能修改和控制闸门的运动

状态；只有管理人员才能通过口令进入闸门控制界面对闸门进行控制。

②闸门和PLC控制柜上设计有现场与集控切换钥匙，钥匙只能交由管理人员

保管，防止无关人员进入闸房对闸门控制柜进行现场操作。

2.2系统自检与自锁互锁设计

PLC系统软件设计为开机自检和循环自检两种模式。系统上电后，PLC首先对

各个传感器输入信号和控制状态反馈信号进行检测，确定各个信号准确无误后才

开始运行控制程序。系统正常运行后，程序仍然循环对各个输入信号和反馈信号

进行自检。在自检过程中，只要出现异常情况，立即停机并将检测到的状态参数

传入中心机房计算机提醒控制人员对系统进行维护。

软件设计时加入了系统自锁与互锁设计，当自检程序检测到故障时，系统进

入自锁状态，立即停止闸门运行，只有当故障排除后才能启动控制程序。同时，

软件限位设计了自锁功能，当闸门提升到软件设定的上限位后，自锁功能启动，

此时不能启动闸门提升，只能启动闸门下降。当闸门运行到软件设定的下限位后，同理，只能启动闸门提升，不能启动闸门下降。

闸门运行过程中，为了防止电机突然改变运行方向，造成电机冲击过大而损坏，软件还设计了互锁功能。闸门提升过程中不能启动闸门下降，下降过程中不

能启动提升，必须在停机之后才能改变电机（闸门）的运行方向。

2.3软件安全逻辑控制

安全逻辑控制是为了保障人员和设备安全所采取的紧急措施，在闸门自动运

行过程中，当故障出现时，必须立即停机。为确保人员和设备安全，硬件控制电

路设计时，在闸门电机动力线上接入了断路器；软件设计时采取紧急停机处理，

断开接触器，停止闸门运行。当PLC发出闸门停止的控制命令以后闸门仍在运行，表明电机接触器故障，不能正确断开动力回路，系统断开断路器，切断电机动力

电源。

2.4过流保护及防雷

闸门电机的启动电流和工作电流都比较大，可以达到十几安或几十安，当电

机电流过大时必须立即停机，确保人员和设备安全。当电流过大时，可能操作人

员还来不及反应就已经烧坏了电机或其它控制设备。因此，必须在电路设计时加

入保护措施，确保异常情况出现就立即断开电路。比较简便、可靠的方法是在电

机动力线上接入过流保护器，当电机电流过大时，过流保护器立即断开，保护电

机不被烧毁，同时保护闸门及其他控制设备。

水库闸房和水管所一般都在野外比较开阔的地方，雷雨季节容易受雷电侵袭

导致设备损坏。因此，良好的防雷和接地措施必不可少。常用的方法是电机动力

线及其他使用市电的设备接入电源避雷器，如果信号线是从室外到市内的传输的

电缆线，则信号线也需接入信号避雷器。中心机房、PLC控制柜都要做好接地，

要尽可能降低接地电阻的阻值。

3水库闸门自动控制系统设计的实现

第一,闸门启闭自动控制的实现。将现地控制设置在闸门的启闭机旁边,而远程控制设备则设置在中心控制室内,在现代控制技术的协助下通过远程控制和现地控

制实现水库闸门启闭的自动控制。

第二,闸门开度自动测量的实现。安装闸门开度自动测量传感器之后,当闸门启闭时,传感器就会自动获取开度数据然后将其传输到现场PLC设备上,由其传人远

端计算机系统后进行数据处理,实现闸门开度的计算、远程传输和显示。通过这样

一系列动作就可以在闸门的启闭过程中进行自动跟踪测量,获得闸门开度数据。

第三,闸门自动限位保护的实现。闸门启闭到极限位置是会脱机,因此自动控制系统需要对闸门运行的限位点进行控制,使用双重硬限位接点,当闸门启闭到预定

位置时系统就会发出停机指令,实现限位保护。

第四,系统数据处理的实现。水库闸门自动控制系统需要采集的数据主要包括