专利名称：用于水库、水电站的液压启闭机双边平衡测量控制设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种用于水库、水电站液压启闭机闸门升降的用于水库、水电站的液压启闭机双边平衡测量控制设备，属于自动化控制技术领域。
背景技术：
大中型水闸是水利枢纽工程中的重要建筑物，在排涝、泄洪、蓄水、流量调节等水库、水电站实际运行管理中，发挥着重要的作用。大中型水闸的升降往往采取液压启闭的方式，其原因在于液压启闭机具有体积小、重量轻、启闭力大等特点。同时，液压式启闭机油缸内的油液为柔性工作介质，能够减轻闸门局部开启时高速水流对闸门产生的振动，具有实现闸门平稳运行的作用。最基本的闸门启闭方式是使用继电器逻辑电路对闸门进行手动升降操作。这种方式设计和实现较为容易，成本低廉，但功能单一，不具备对左右闸门油泵电动机开度的自动纠偏功能，仅适用于对控制功能要求简易的闸门控制情况。同时，继电器逻辑电路结构复杂，电气元件过于庞多，导致其电气设备的维护和更新的难度较大。继电器逻辑电路的集成化水平略低，在某些复杂的闸门控制场合中，若需扩展电气设备的其他用途和功能，必须重新设计控制电路，其实用性受到影响。继电器逻辑电路的控制可视性程度不高，不能给操作人员一种直观有效的监测方式。为此，基于PLC的自动控制方式开始运用于液压启闭机闸门控制场合中。该方式通过调用PLC设备的升门、降门、停机等指令，控制PLC执行单元按照内嵌程序对闸门进行相应的自动化操作。常规的基于PLC控制的液压启闭机闸门升降方式有如下缺陷( 1)水库、水电站闸门一般采用弧形闸门。弧形闸门具有圆弧形的挡水门叶，启闭闸门时，闸门支臂绕一固定支铰的水平轴转动，从而带动闸门升降。对于弧形闸门，PLC自动控制设备通常采用浮子式直接测量间门底端到顶端的开度量。该方法功能过于单一，只能测量闸门的开度大小，不能获取对闸门升降起实际推动作用的闸门支臂的相关信息量。当外界高速水流作用或其他随机因素导致左右间门传感器测得的开度量不一致时，难以有效调整相应的闸门支臂的转动角度，造成闸门左右油缸压力失衡，闸门倾斜，极易导致事故。(2)常用的闸门传感器有线圈电阻型编码器、霍尔器件型编码器和光电编码器。这些传感器又分增量型和绝对型，一般在大量程下增量型的传感器售价较低，但是缺点是掉电时会失去以往的全部测量数据，实用性受到制约。绝对型的传感器在大量程下售价较高。 霍尔器件型编码器、光电编码器和线圈电阻型编码器属于电磁型传感器，在强工业干扰现场易受电磁干扰，测量数据会出现较大的误差。上述传感器均不适用于间门的高精度控制， 影响闸门启闭的可靠性。但绝对型接触式轴角编码器售价适中，其工作原理不属于电磁型， 因此具有优良的抗电磁干扰性能。(3)基于PLC控制的闸门自动启闭方式通常需要两个输入模块，分别用于接收左右闸门传感器信号，以提供给CPU单元进行处理。该输入结构冗余，效率偏低，设备尺寸偏大，多出了不必要的硬件成本。
实用新型内容本实用新型目的是针对采用单一继电器逻辑和常规PLC的液压启闭机闸门控制方式的缺陷，设计了一种改进的适用于水库、水电站的闸门液压启闭机双边平衡测量控制系统。该系统主要采用PLC设备，在闸门现场通过触摸式控制屏或在远程集中控制中心通过工控计算机对间门进行自动控制。用户可以直接在测控屏或者工控机上监测液压启闭机和闸门的实时运行状态，并在其上直接输入数据，点击指令按钮。本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案本实用新型用于水库、水电站的液压启闭机双边平衡测量控制设备，包括了远程集中控制中心。远程集中控制中心通过M0DIBUS现场总线协议同时监测、控制多个现地控制单元；所述现地控制单元包括现地控制电路、液压启闭机、左右间门电动机控制单元和输入选通开关，其中现地控制电路的输出端分别接左右闸门电动机控制单元和液压启闭机的输入端，左右闸门电动机控制单元的输出端分别接液压启闭机的输入端，液压启闭机的输出端接输入选通开关的输入端，输入选通开关的输出端接现地控制电路的输入端。所述现地控制电路包括继电器控制电路、闸门开度显示器和PLC控制电路。 所述液压启闭机包括左右闸门传感器和油路电磁阀。本实用新型具有如下有益效果(1)本系统具有可编程控制功能，用户可根据需求，通过编制内嵌PLC程序，随时扩展系统功能或将功能重新配置。系统设计和调试工作量小，维护方便，容易改造，实用性很强。(2)本系统测量方式具有平衡测量特性。在左右闸门传感器的闸门支臂上各安装一个角度传感器，测量支臂的转角α工和Ci2，再根据支臂转角α和闸门开度H的拟合关系， 换算出闸门开度值H。拟合曲线如图1所示。拟合函数存储在PLC的CPU单元中，每当一个转角测量信号输入PLC进行处理时，就会自动调用拟合函数功能，并立刻得到闸门的实时开度量。若左右闸门开度值不一时，即H1 Φ H2, PLC由内嵌纠偏程序，通过调整相应的闸门支臂转角大小，达到对左右闸门开度的平衡控制。平衡测量法能够同时获得闸门开度量和闸门支臂的转动角度量，有效消除外界干扰，时刻保证液压启闭机闸门升降控制的安全性和稳定性。(3)本系统的左右闸门角度信号传感器均采用绝对型接触式轴角编码器。此类编码器利用金属电刷与码盘电导环的接触与否，输出通断信号，具有角位移、长度检测和定位的功能。这种传感器具有掉电记忆功能，无需设置停电保持电路和参考点，即使电源断电， 由于码盘金属电刷的机械接触位置不变，再次接通电源后，编码器的数据仍然能够正常输出。且绝对型编码器不受电磁干扰的影响。使得编码器的抗干扰性和数据的可靠性大大提尚ο(4)本系统的PLC输入模式采用选通型数据读取方式、使得闸门液压启闭机的左右闸门开度传感器信号共用同一个PLC输入模块进行处理。左右传感器输入信号按时分原则轮换送入CPU单元处理。时分间隙转换由PLC的内嵌程序实现。该选通技术可以减少一个PLC的输入设备，提高输入效率，减少硬件成本。(5)本系统使用现场控制和远方控制两级组合的工业网络型控制方式，即在远程集中控制中心的工控计算机上，通过M0DIBUS现场总线协议，与N个水库、水电站现地控制单元的PLC通讯模块链接，并对各自的PLC设备分别发出指令信号，以达到对现地控制单元的闸门液压启闭机进行双边平衡测量和控制的作用。同时，考虑到PLC设备出现故障或受其他随机因素的影响，导致PLC控制功能无法启动，为保证紧急情况下仍能启闭闸门，安全调节水库水量，本实用新型保留了基于继电器逻辑的手动控制功能。并将基于常规继电器逻辑的现地手动控制方式、基于PLC的现地自动控制方式和基于工控计算机指令的远程控制方式组合起来，形成一个多功能的工业网络型二级组合控制系统。根据实际情况，在水库、水电站闸门现场采用自动或手动方式操作闸门液压启闭机的升降；而在远程集中控制中心，由工控计算机远程调用PLC自动控制功能，控制闸门液压启闭机的升降。操作权的切换可由电气控制屏屛面上的切换开关选择，也可由远程集中控制中心的工控机指令选择。 当选定一种控制方式时，其他方式闭锁。此组合控制结构能够更加可靠地控制间门液压启闭机的运行。三种控制方式能够无扰动切换，满足用户需求。
图1为本实用新型的液压启闭机闸门支臂转角和闸门开度的拟合曲线图。图2为本实用新型的模块总体结构框图。图3为本实用新型的PLC配置电路图。图4为本实用新型的PLC选通输入模块电路。图5为本实用新型的PLC控制信号输入模块电路。图6为本实用新型的PLC输出模块电路。图7为本实用新型实用新型的左右闸门油泵电动机控制电路。图8为本实用新型的继电器逻辑控制电路图。
具体实施方式
以下将结合附图2 8，详细论述本实用新型的设备部署情况和具体工作方法。本实用新型的模块连接结构如图2所示。不同水库、水电站的闸门现场由各自的现地控制单元控制其液压启闭机闸门的启闭状态，远程工控计算机则可以通过M0DIBUS现场总线协议同时监测、控制多个现地控制单元的闸门运行状态。现地控制单元包括现地控制电路、液压启闭机、左右间门电动机控制单元和输入选通开关。其中现地控制电路包含PLC控制电路和继电器控制电路，分别用于对闸门液压启闭机做自动和手动升降操作。PLC控制电路输出的闸门开度数值信号，通过闸门开度显示器实时显示。左右闸门电动机控制回路内的接触器触头通过PLC控制电路或继电器控制电路内的接触器线圈的通电闭合，选择液压启闭机内左右闸门油泵电动机的运转。液压启闭机内设有油路电磁阀和闸门角度传感器。油路电磁阀用于控制液压启闭机闸门的上升、下降和溢流功能。闸门角度传感器实时测量左右闸门支臂的转角大小，并将转角数值传输至现地控制单元的PLC选通输入模块。远程集中控制中心内的工控计算机采用M0DIBUS协议与现地控制单元内的PLC通讯模块建立链接，PLC上传间门运行状态和开度信号给远程工控机，用户可以通过工控机调用升门、降门或停机等指令远程操作PLC设备实现对液压启闭机闸门的自动控制。基于PLC的现地自动控制方式如图3飞所示。其中，本实用新型的PLC配置电路图如图3所示。PLC电气控制设备共含有6个子模块，分别为一个通讯模块、一个CPU模块、 两个开关量输入模块和两个开关量输出模块。通讯模块用于和远程工控计算机建立通讯链接，满足工控机对PLC的远程控制要求。CPU是PLC的控制中枢，接收并存储用户数据和命令，按内嵌程序执行逻辑或算数运算，并将结果传送到相应的输出设备。开关量输入模块一个用于接收16位的经选通处理后的左右闸门角度传感器信号，此信号具有平衡测量功能。 另一个用于接收闸门液压启闭机的各个控制信号。开关量输出模块的输出信号包括电磁阀回路控制信号、左右闸门电动机选通信号和闸门状态指示信号，以达到对闸门液压启闭机的自动化控制和状态显示功能。用户可以根据具体需求，在输入、输出模块的备用接口上另接其他电气元件，用以扩展或重新配置PLC的输入、输出模块功能。PLC选通输入模块电路如图4所示。左右闸门角度传感器信号采用时分原则共用同一个16位开关量输入模块 TffDDDI 16DT作为输入设备，通过电路内的左右闸门油泵电动机接触器触头(KA_L、KA_R)的开闭，接通相应的闸门传感器电源，使得PLC的CPU单元读取相应的闸门角度数据并进行处理。一定时隙后，该闸门电机的接触器触头断开，另一个闸门电机的接触器触头闭合，从而带动另一路闸门角度数据的处理。系统如此往复运行。该时隙转换由PLC的内嵌程序自动完成，无需人工介入。闸门角度传感器的数据传输引脚与PLC输入模块之间通过二极管连接，有效防止两路闸门角度传感器信号之间的相互干扰。PLC控制信号输入模块电路如图5所示。该电路同样采用一块16位开关量输入模块TWDDDI16DT作为输入设备，外接一个转换开关和4个控制按钮。操作权选择开关(SA) 用于从“闸门现地自动控制”、“闸门远方自动控制，，和“闸门现地手动控制，，中选择相应的工作方式，选择一种方式时，其余方式自动闭锁。然后再对间门液压启闭机进行操作，按压相应的升门(SB1)、降门(SB2)或停止按钮(SB3)，发出指令信号。当系统产生故障时，可由故障复位按钮(SB4)重置系统状态。PLC按照各自指令程序工作，其结果由输出模块电路输出。输入模块的备用引脚可根据用户需求，接入其他电气元件，扩展系统输入功能。PLC输出模块电路如图6所示。输入控制信号按PLC内嵌程序处理后，输出至16 点开关量输出模块TWDDRA16RT。输出信号既可以显示液压启闭机闸门的上升(HLl)、下降 (HL2 )、停止(HL3 )和油泵故障状态(HL4)，又可以对溢流阀(KC)、闸门上升电磁阀(Kl)、闸门下降电磁阀(K2)和左右闸门油泵电动机接触器线圈(KA_L、KA_R)通电，以启动相应的系统功能。当系统出现严重问题时，还能自动报警提醒用户注意，采取相应措施。备用输出接口用于实现系统的扩展输出功能。左右闸门油泵电动机控制电路如图7所示。油泵电机控制回路采用三相电源供电，自动空气开关(QF1、QF1’)通断电源。左右闸门电动机接触器触头(KA_L、KA_R)根据其接触器线圈的通电与否，选择对应的油泵电机运转。热继电器热元件(FR、FR’)与油泵电机相连，使得电动机在高温工作环境下，自动停机保护。熔断器(FU1、FU1’)与电压表相连，互感器(TA、TA’)与电流表(PA、PA’)相连，用于显示闸门电动机回路的电压、电流状态。三相电源中的一相(1W2 )引出，用于对继电器手动控制电路供电。基于继电器逻辑的现地手动控制方式如图8所示。被引入的220V交流电转换成 24V直流电后，供应给整个继电器控制电路，并由自动空气开关(QFO)控制通断。将操作权选择开关(SA’)打到“现地手动”位置，按下闸门上升按钮(SB1’)，此时中间继电器线包 (KA_R、KA_L、KA5、KA3 )得电，闸门油泵电机和电磁阀电源指示被同时启动，常开触头(KA3 ) 闭合，闸门上升指示灯(HL7)被点亮，时间继电器线包(KTl)因此得电，导致触头(KA2)闭合，溢流阀(YVl)通电。油路压力控制阀门被打开，防止油泵系统过载，保持油路压力恒定。 时间继电器触头(KTl) 一旦断开，继电器线圈(KA2)失电，溢流阀功能停止，同时闸门上升继电器线包(KA13)得电，升门电磁阀(YV2)功能启动，闸门开始上升。上升过程中，若按下闸门升降停止按钮(SB3’)，继电器控制电路断开，闸门油泵电动机功能停止，升降停止指示灯(HL6)被点亮，闸门保持静止状态。若按下闸门下降按钮(SB2’)，中间继电器线包(KA_R、KA_L、KA5、KA4)得电，触头 (KA4)闭合，时间继电器线包(KTl)因此得电，闸门下降指示灯(HL8)被点亮，溢流阀(YVl) 功能被开启。时间继电器触头(KTl)断开后，溢流阀停止运行，常开触头(KA14)闭合，降门电磁阀(YV3)功能启动，闸门开始下降。若在此期间按下停止按钮(SB3’)，闸门油泵电动机停止下降，升降停止指示灯(HL6)被点亮。本实用新型在基于PLC自动控制技术的前提下，设计了一种闸门液压启闭机双边平衡测量控制系统。该系统能够增强传感器的测量功能，有效应对因左右传感器信号量不一致时导致的闸门倾斜隐患，提高闸门操作的安全性和稳定性。闸门传感器采用了一种新型的绝对型编码器来测量闸门支臂的转角信号，克服了常用编码器带来的易受电磁干扰、 掉电失忆的影响。同时，PLC采用的选通型数据读取技术，改进了 PLC输入模块，提高了输入效率，减少了硬件成本。
权利要求1.一种用于水库、水电站的液压启闭机双边平衡测量控制设备，其特征在于包括了远程集中控制中心，远程集中控制中心通过M0DIBUS现场总线协议同时监测、控制多个现地控制单元；所述现地控制单元包括现地控制电路、液压启闭机、左右间门电动机控制单元和输入选通开关，其中现地控制电路的输出端分别接左右间门电动机控制单元和液压启闭机的输入端，左右闸门电动机控制单元的输出端分别接液压启闭机的输入端，液压启闭机的输出端接输入选通开关的输入端，输入选通开关的输出端接现地控制电路的输入端。
2.根据权利要求1所述的用于水库、水电站的液压启闭机双边平衡测量控制设备，其特征在于所述现地控制电路包括继电器控制电路、闸门开度显示器和PLC控制电路。
3.根据权利要求1所述的用于水库、水电站的液压启闭机双边平衡测量控制设备，其特征在于所述液压启闭机包括左右闸门传感器和油路电磁阀。
专利摘要本实用新型公布了一种用于水库、水电站的液压启闭机双边平衡测量控制设备。整个控制系统将远程集中控制中心和多个现地控制单元通过MODIBUS总线相连，远程控制中心通过现场总线协议同时监测、控制多个现地控制单元。本实用新型能够增强传感器的测量功能，有效应对因左右传感器信号量不一致时导致的闸门倾斜隐患，提高闸门操作的安全性和稳定性。闸门传感器采用了绝对型接触式轴角编码器来测量闸门支臂的转角信号，克服了常用编码器带来的易受电磁干扰、掉电失忆的影响。同时，系统改进了PLC输入模块，提高了输入效率，减少了硬件成本。
文档编号E02B7/20GK202073072SQ20112011545
公开日2011年12月14日 申请日期2011年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者严锡君, 徐立中, 李臣明, 樊棠怀, 殷兴辉, 郭锐, 马小平 申请人:河海大学