水闸自动监控系统的构成及工作原理.

职业教育水利水电建筑工程专业
《水利工程管理技术》
水闸自动监控系统的构成及工作原理
《水利工程管理技术》项目组
2015年4月
水闸自动监控系统的构成及工作原理
一、水闸自动化监控系统
随着国民经济的发展与科学技术的进步，对水闸实行自动化监控，是现代化水利工程管理科学化的必然趋势。

水闸的自动化监控是建立在现代通信技术、自动化控制技术、计算机技术、自动控制设备及现代量测技术基础上的。

被控制的闸门型式主要是平板门、弧型门与人字门，闸门的启闭机械有卷扬式启闭机、液压式启闭机与螺杆式启闭机。

水闸自动化监控系统作为我国水利信息化建设的基本内容，正在逐步被推广应用，新建的水闸或现行闸门的除险加固工程一般都要求包括水闸自动化管理部分。

随着信息技术的不断发展，水闸自动化监控也被注入新的内容，主要表现在:采用GPS/GIS/RS技术，实现水利的“3S”化，从C/S 体系转向B/S体系，实现多媒体化等。

二、自动化监控系统构成与工作原理
水闸自动化监控系统主要由中心监控室与现场测控站组成，见图6-6所示。

中心监控室也称测控调度中心，一般设在水闸管理处(所)内，由测控计算机、网络设备、及其他计算机设备等组成；现场测控站是水闸(或闸群、多孔水闸)监控系统的主要信息源及命令执行者，其主要任务是根据中心监控室的遥测查询指令，自动采集本站点的水情或工情数据，并发送给控制中心，或根据控制中心调度指令控制闸门运行。

现场测控站一般设在启闭机房内，由各类传感器、通信设备、主控设备(如PLC、人机界面HMI)、中间继电器、电机保护及配电设备等构成。

图6-6 闸门控制系统硬件结构图
从图6-6中还可看出，水闸自动化控制系统中水位、闸位、闸门启闭电流与电压以及荷重的监测大都采用各类传感器。

传感器的作用与功能主要是:测量与数据的采集、检测与控制、诊断与监测以及辅助观测等，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制要求。

下面对水闸自动化监控系统中采用的各类传感器与监测设备分别进行介绍。

(一)现场水位监测系统简介
水闸的水位监测主要是将上、下游水位，通过传感器(压力式传感器或浮子码盘式传感计)将探出的现地水位变化物理量转换为电信号(压力传感器转换为4～20MA，码盘传感计转换为葛莱码串行脉冲信号)后，经传输线将水位信号，送入水位测量仪进行电平隔离，A/D转换，由微处理机进行数据处理后分别送至各显示器显示，并根据各预置数值输出控制信号。

从图6-7中可以看出，由水位传感器探出的水闸上、下游水位的变化量由现地水位变送器将测出的水位模拟信号，经A/D转换为数字信号后送入微处理器，经数据处理后输出的信号，可以在水位监测仪上直观地显示出水位数值，也可将信号输入到计算机内进行管理，对水位数据进行存储、查询、水位报表打印、人为设置水位报警信号等。

图6-7 水位监测系统工作原理框图
水位传感器的种类比较多，目前常用的有浮子式水位传感器和压力式水位传感器两种。

浮子式水位传感器又有接触编码和光电编码等多种形式。

1.浮子式水位传感器
浮子式水位传感器由浮子、平衡重锤、绳索、水位轮及编码器等主要部件组成，如图6-8所示。

浮子随水位变化作上下运动，并经绳索带动水位轮产生圆周运动，即将直线位移量转换为角位移量。

水位轮带动同轴的角编码器产生数字编码输出。

机械编码器由码盘和开关等部件组成，码盘上按码制规则形成导电和绝缘码区，码盘结构也可多样。

编码器码轮位数决定其可测量的水位变幅(例如：10位码轮相应可测的水位变幅为1024cm)。

图6-8 浮子式水位传感器安装图
2.压力式水位传感器
单晶硅片受力后电阻率发生显著变化，即压阻效应。

将单晶硅膜片和电阻条采用集成电路工艺
制作成硅压组芯片。

由这种芯片构成的传感器一般称为固态压阻式压力传感器它广泛应用于各个生产科研领域。

利用固态压阻式压力传感器来测量静水压力，实现测量水深的目的。

传感器零点高程加上被测水深就是该处的水位。

压力式水位传感器的现场安装参见图6-9。

图6-9 压力式水位传感器现地安装示意
由于压力式水位传感器探头存在零点漂移、密封漏水等可靠性问题，目前使用没有浮子式水位计使用广泛。

除此之外，水位检测方式还有超声波式，红外、激光式，mm波，气泡式等。

（二）现场闸门测控系统
现场闸门测控系统由闸门位置传感器、闸门启闭荷重传感器、电机电流传感器、三相数字电流表和闸门电器控制等部分组成。

另有一台数字式电压表来测量三相供电电压。

下面分别简要介绍一下闸位传感器，荷重传感器，电流、电压传感器与闸门电器控制部件的作用及工作原理。

1.闸位传感器
闸位传感器又称闸门开度传感器(其原理很大程度上与水位传感器相似)或闸位计，闸门开度传感器是将传感器接收到的闸门开、关行程信息，经放大处理后能使水闸管理人员通过显示屏，直观地观察到闸门的实时高度。

闸门开度传感器可根据输出信号的类型不同，分为模拟式和数字式闸门开度传感器。

几种常用闸位传感器如下：
(1)模拟式闸门开度传感器
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，将闸门启闭机滚筒的转动通过传动装置引至电位器的旋转轴，在闸门启闭的过程中，电位器旋转轴跟着转动，使得电位器的动臂与某一固定臂之间的阻值随着闸门的升降而变化。

当在电位器的两固定臂施加一电压时，即可从动臂取走一电位值。

这种传感器的优点是结构简单、成本低。

其不足是电信号有一定的温度
漂移，精度不高数字式闸门开度传感器又分为计数式和直接编码式两种。

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。

记录脉冲可由光电器件、干簧管或霍尔器件产生。

霍尔式闸位、限位传感器现场安装详见图6-10中箭头所示。

这种传感器数据的记录过程和保存都需要有电源支持，一般备有可以浮充电的电池，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，故这种计数式闸门开度传感器应用较少。

图6-10 霍尔式闸门开度、限位传感器安装示意图
(2)直接编码式闸门开度传感器
直接编码式闸门开度传感器是将启闭机某一转动轴的角位移通过码盘、微动开关、光电器件或黑白条码直接按某一码制进行编码输出，它的数据不需要借助于电源来记录和保存，它的可靠性取决于码盘及其触针的可靠接触寿命、微动开关的机械和电气寿命、阅读黑白条码的光电器件的寿命。

2.闸门启闭荷重传感器
闸门启闭荷重传感器又称电阻应变式称重传感器，常用的有压阻式传感器与压电式传感器，参见图6-11。

图6-11 闸门荷重传感器安装示意图
这里，重点介绍一下压阻式传感器(其原理与压力式水位传感器相似)。

压阻式传感器是采用半导体材料制作的，当半导体材料在某一方向上受到应力作用时，它的电阻率会发生显著的变化这种现象被称为半导体压阻效应。

压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制作的器件，压阻式传感器的灵敏度要比金属应变片的灵敏度大50～100倍，有时压阻式传感器的输出不需要放大就可以直接用于测量。

此外，它还具备分辨率高、尺寸小、横向效应小、响应频率高，适合于动态测量等特点。

压阻式传感器是在硅片上制造出四个等值电阻，组成电桥电路。

没有压力作用时，输出电压为零；当有压力时，则有电压输出，且输出的电压与所受的压力成正比，因而根据输出电压的大小就可以得出压力的大小。

3.电动机电流、电压传感器
电动机电流、电压的测量是电量测量中最基本的参数之一，电参数的测量，由于显示环节不同，而分成模拟式和数字式两种方式。

首先由电量传感器将被测电流与电压进行转换和处理，得到量程适当并与被测电路隔离的电流信号。

水闸启闭电动机大都采用三相交流电，产生的是三相正弦交流信号。

传感器采集到的信号，经AC/DC转换器转换成直流信号，再经A/D转换成数字信号后直接显示，下面以电流传感器为例进行介绍。

（1）工作原理
电流传感器常用的是霍尔式电流传感器，又称电流一磁场式，其原理基于霍尔效应。

它具有精度高、线性好、频宽、响应快、过载能力强、非接触测量和不损耗被测电路能量等优点。

霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。

霍尔电动势的大小与控制电流和磁场的磁感应强度的乘积成线性函数关系，它表征了单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电动势的大小。

因此，霍尔元件灵敏度与元件材料的性质和几何尺寸有关。

在实际使用中，一般都采用N型半导体材料制作成霍尔元件。

在电流测量中，将控制电流固定，被测电流产生的磁场为霍尔元件所感受，霍尔元件输出电动势随被测电流而变化。

（2）常用的工作方式
霍尔式电流传感器一般有两种工作方式，即霍尔直测式电流传感器与霍尔磁平衡式电流传感器。

如图6-12所示，电流信号经传感器测量及放大，通过AC/DC转换后送入显示环节。

图6-12 交流电流、电压测量框图
4.闸门电器控制部分 闸门电器控制设备分为一次设备和二次设备。

一次设备是指生产和分配电能的设备，二次设备是指对一次设备进行测量、控制、监视和保护用的设备。

常用的二次设备有互感器、测量仪表、继电保护及自动装置、直流设备等。

水闸现场测控站的主控设备以往均采用继电器，由于使用继电器较多，回路线路复杂，有些质量不能保证，运行中不断出现一些故障，同时使用继电器有些功能卖现起来比较困难。

目前一般可选用单片机、工控机、可编程控制器(PLC)等，由于可编程控制器(PLC)的特点优势，现在绝大多数主控设备都选用PLC 。

（1）可编程控制器
可编程控制器(Programable Logic Controller)简称PLC 或PC ，是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机技术，使之功能不断增强，从最初的逻辑控制、顺序控制发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID 回路调节等功能的现代PLC ，逐渐适合复杂的控制任务。

PLC 具有高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、性价比高、寿命长等特点。

（2）闸门启闭常规典型控制电路
闸门启闭电动机控制电路原理如图6-9所示。

从图中可看出在电机控制一次回路中接有两只交流接触器，1FC 与1ZC ，通过改变相位来达到电动机实现正反转的目的，再将控制按钮远距离外接，就可以很方便地实现闸门远程集中控制的功能。

一般来说，闸门升、降、停操作信号的生成有两种途径:一种是利用二次回路的控制按钮，此时，闸门操作信号直接并串于二次回路中，如图6-9所示。

另一种是利用弱电按钮、键盘或鼠标，由主控单元(或终端)的继电器形成闸门升、降、停信号，并将相应继电器的接点并串于二次控制回路中。

为保证闸门的安全运行，在二次控制回路中接有上下限位开关XK1, XK2，通过人为调整XK1与XK2的位置来控制闸门的启闭高度。

图6-13是利用单片机来控制多孔闸的系统原理图，各种传感器均安装在现地，单片机系统装电流、电压传感
器 放大器 AC/DC 转换 模拟显示器
A/D 转换
数字显示器
于测控调度中心的操作台内，其中，开度传感器检测闸门开度的状态编码，水位传感器检测水位变幅的状态编码，荷重传感器测得闸门荷重的电压或电流信号，而单片机系统则完成对各种信号的数据采集处理和对闸门的控制功能。

另外，闸门终端通过RS-485总线向上位机(调度中心的主控单元乡传送闸门开度和预置数值，同时接收上位机发送的开度预置值。

(3)自动空气开关(简称自动开关)
自动空气开关广泛应用于500 V以下的交、直流装置中。

自动空气开关一般由自动脱扣机构、触头系统、操作机构和灭弧装置组成。

当电路发生过负荷、短路、电压降低或失压时，自动空气开关能自动切断电路。

自动空气开关分装置式(除操作手柄和板前接头露出外，其余部分安装在壳内)和框架式(敞开式结构)。

自动空气开关主要技术参数：①型号:DZ表示装置式空气开关；DW表示框架式空气开关；②允许切断极限电流值:允许切断极限电流值指自动开关在额定电压下能切断的最大短路电流值。

自动空气开关的触头系统包括接在电路内的主要触头及接在控制电路内的辅助触头。

主要赢头通常又由工作触头及灭弧触头组成。

工作电流主要系指通过工作触头的电流值。

接触处往往焊有银片，并施加足够的触头压力。

灭弧触头是用来专门保护工作触头免受电弧烧坏的。

当接通电路时，灭弧触头先接通，然后工作触头再接通。

切断电源时，工作触头先断开，灭弧触头后断开。

因此，接通和断开电流时，电弧都发生在灭弧触头上，而不会发生在工作触头上。

灭弧触头具有可更换的碳或黄铜灭弧端。

(4)低压闸刀开关
低压闸刀开关是一种最简单的低压开关，用于交流500 V电压，直流440 V电压下，额定电流不大于1 500 A的电路中，闸刀开关必须与熔断器串联使用，以便在短路或长期过负荷时能自动切断电路。

(5)交流接触器
交流接触器适用于交流电压500 V以下、电流1 500 A以下的电路中，供控制和频繁启动三相异步电动机用，可进行远距离操纵和自动控制，使电路接通或断开。

由于它不能切断短路电流和过负荷电流，故不能用来保护电器设备。

(5)按钮
按钮是一种手动控制开关，用桥式触点代替刀片。

在电路中按动它发出“指令”去控制接触器线圈的电源，再由他们去控制主电路接通或断开。

按钮可分为启动按钮(开闸或关闸)和停止按钮(闸门停止启动或关闭)两种。

启动按钮具有常开触点，停止按钮具有常闭触点。

图6-13 电动机控制原理图
(6)限位开关
限位开关的作用与按钮开关相同，只是其触点的动作不是靠手按动，而是利用生产机械某些运动部件的碰撞促使触点动作，使之接通或断开某些电路而达到一定的控制要求。

水闸中闸门的电动启闭、行车的控制等电路中，都利用了限位开关，以达到后备保护作用。

(7)熔断器
熔断器是最简单的保护电器，它用来保护电器设备免受过载和短路电流的损害。

熔断器除在低压装置中被广泛应用外，在3～35 kV的高压系统中，亦被用来保护电压互感器和小容量的配电变压器，与负荷开关配合使用，在短路容量较小的网络中替代高压断路器。

熔断器中装熔体，通过熔断器的电流越大，则熔体熔化得越快，因而断路的时间越短，熔体熔断后，可以更换。

熔断器和熔体的额定电流是两个不同的数值。

熔断器的额定电流是指它的载流部分和接触部分所允许的长期工作电流；熔体的额定电流是指长期通过熔体，而熔体不会熔断的最大电流。

在同一个熔断器内，可装入不同额定电流的熔体，但熔体的额定电流不能超过熔断器的额定电流。

①低压熔断器的选择。

低压熔断器的选择主要依据三条:一是熔断器的额定电压不得小于电网的额定电压；二是熔断器的额定电流不得小于熔体的额定电流；三是根据结构选择各种型式的熔断器。

②高压熔断器的选择。

高压熔断器的选择主要依据四条:一是熔断器的额定电压不得小于电网的额定电压；二是高压熔断器作为用电负载的短路保护时，其熔体额定电流大于或等于回路的计算电流；三是如果高压熔断器作为仪用互感器的短路保护，可选择专用的高压熔断器；四是在熔体电流选择后，熔断器的额定电流不能小于熔体的额定电流。

(8)互感器
互感器包括电压互感器和电流互感器，用以分别向测量仪表、继电器的电压线圈供电，正确反映电器设备的正常运行和故障情况。

互感器的主要作用：一是将一次回路的高电压和大电流变为二次回路标准的低电压和小电流，使测量仪表和保护装置标准化、小型化，并使其结构轻巧，价格便宜，便于室内安装；二是使二次设备与高电压部分隔离，且互感器二次设备接地，从而保证了设备和人身的安全。

①电压互感器。

电压互感器的工作原理和变压器相同，它容量很小，类似一台小容量变压器，但结构上要求有较高的安全系数；它的二次侧接测量仪表和继电器的电压线圈阻抗很大，互感器在近于空载的状态下运行。

闸门中所使用电压互感器的准确级一般为0.5级及1级(电压互感器的准确级是指，在规定一次电压和二次负荷变化范围内，负荷功率因数为额定值时，电压误差为最大值)。

②电流互感器。

电流互感器同样是根据变压器原理工作的，水闸中广泛采用的是电磁式电流互感器。

电流互感器主要特点是:一次绕组串联在电路中，并且匝数很少，故一次绕组中的电流完全取决于被测电路的负荷电流，与二次电流无关；电流互感器二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小，正常情况下，电流互感器相当于短路状态；电流互感器在运行中不允许二次侧开路，为防止电流互感器二次侧开路，对运行中的电流互感器，需拆开连接的仪表时，其副线圈必须短接。

电流互感器二次测额定电流大都为5A。

电流互感器按用途可分为测量用和保护用两种，其准确级有0.2、0.5、1、3和10等5级(准确级是指在规定的二次负荷范围内，一次电流为额定值的最大误差)。

对测量级电流互感器的要求是在正常工作范围内有较高的准确度，而当通过故障电流时，则希望电流互感器较早饱和，以保护仪表不受短路电流的损害；保护级电流互感器主要在系统短路时工作，因此，在额定一次电流范围内的准确度要求不如测量级高，一般只相当干3级或10级。

（三）计算机远程监控与视频系统
1.计算机远程监控
现场配置一个总线接口模块和一台计算机，可实行计算机的远程监控。

闸管所计算机监控系统由一台工控计算机(上位机)、一个总线接口模块、一个远程监控模块和一台打印机组成。

它通过RS-485总线网络与现场数字设备进行数据通信，采集监测数据，发送控制指令。

图6-14示意了水
闸自动控制系统的原理和内部结构。

图6-14 水闸自动控制系统原理图
除此之外，计算机还可与内部局域网和Internet网连接，实现水闸的远程监控。

水闸实施远程监控，被控制的现场环境与机房设备的实时图像传输显得十分重要，当用户通过中心站的监控计算机实现远程操作时，一套运行良好的视频监视系统是必不可少的，它可以在闸门启闭过程中随时观察闸门运行的状况、水流的变化，以保障系统安全可靠的运行。

下面简要介绍一下水闸自动化监控系统的视频部分。

2.视频系统结构、工作原理及其用途
（1）视频系统结构
整个视频监控系统的硬件结构如图6-15所示，它由现场和闸管处(所)中心监控室两大块构成。

图6-15视频监控系统硬件结构图
在水闸现场通常共安装四台彩色摄像机，其中室外配备两台全方位云台和变焦镜头，用作观察上、下游河道，岸边及水闸周围的图像。

其余两台是室内摄像机，用于监视启闭机房的启闭机工作状况(如闸孔较多，启闭机房较长时可多配1 ～2台摄像机)。

为了能在阴天或夜晚看清机房设备，配置了两盏遥控照明灯。

现场有两个云台控制器和一个照明控制器，它们能够通过RS-485总线接收来自闸管所视频监控计算机的控制指令，执行指令可完成以下操作：控制上、下游全景摄像机云台作水平或竖直方向转动，控制变焦镜头变焦，改变光圈，清扫前窗等；控制启闭机房两侧两盏照明灯的开关。

现场视频信号分四路送到闸管所监控室，一路是上游全景摄像机信号，一路是下游全景摄像机信号，另外两路是启闭机房摄像机信号。

在闸管所监控室，有一台视频矩阵，其中输入端接现场摄像机信号、另一个输入端接电视信号(或录像机、VCD信号)。

该视频矩阵的输出，分别接电视机、大屏幕投影机和计算机视频采集卡。

视频矩阵具有RS-485接口，可接收计算机指令，控制任一个输入到任一个输出。

也就是说，在电视机、投影机和计算机上可同时显示某一路输入图像(上、下游全景摄像机，启闭机房摄像机电视信号)，也可分别显示不同输入图像。

（2）视频系统工作原理
视频监控系统以其直观、方便、信息内容详实被广泛应用于生产管理、保安等诸多场合，成为金融、交通、商业、电力、水利、公安、海关、国防，乃至住宅社区等领域安全防范监控的重要手段。

所有视频信号经中心站的画面分割器输入监控计算机，监控计算机通过RS-485总线操作解码器，实现云台不同方向的转动以及摄像头聚焦、变倍的变化。

闭路电视监视系统是采用先进的电子科技手段，对远端场景进行传感成像、信号传输、集中监视、图像记录以及联动控制的安全技术防范和管理系统。

计算机数字监视系统采用视频图像数字化压缩记录的形式，采用高档的工业控制微机、PC工作站机或者PC服务器，增加摄像机图像输入路数，提高多画面图像的显示速率、增加对云台和镜头的控制等功能，配之以良好的人机交互界面，便构成了以计算机为核心的数字式监控系统，参见图6-16所示。