CN105137951A - 一种水闸引流自控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水闸引流自控系统及方法，以实现依据上下游水位对水闸进行远程调控的目的，本发明的水闸引流自控系统包括现场采集控制单元、控制中心操作单元、水闸单位管理单元，现场采集控制单元负责控制程序的存储和逻辑运算、控制指令的传输和执行、信息的交互以及水位等信息的采集；控制中心操作单元负责对现场采集控制单元采集到的信息进行组态、对设备进行远方控制、网络通讯监测；水闸单位管理单元负责管理控制中心操作单元，向上级部门汇报工程信息，接受上级调度指令。本发明能够减轻人员的劳动强度，提高工作效率，并能够及时根据水位变化进行闸高自动调节控制，可以精确控制引水流量。
Description
技术领域
本发明涉及一种水闸引流自动调节控制系统及方法，尤其适用于上下游水位差频繁变化且变幅较大的水闸，属于水利工程与自动化控制的交叉技术领域。
背景技术
目前，水闸的引流控制方式为现场手动控制和控制中心远方控制，确定闸门开高的依据是：根据上下游水位组合情况和上级调度流量要求，对照始流时“闸下安全水位—流量”关系曲线，确定始流时可泄放的最大流量，然后根据调度要求的流量，从“闸高—水位—流量”关系曲线中查得闸门开高，当调度流量大于始流值时，则必须分级开启，引流流量必须与上、下游水位相适应，使水跃发生在消力池内。开闸时应由中间向两边依次对称开启，关闸时次序相反。
对于水闸工程，不管采取何种引流控制方式，闸门开高及启闭顺序主要靠人工来进行测算和控制。在水闸上下游水位变化不频繁、且变幅不大时，上述控制方式基本满足了水闸控制的使用要求，而当出现暴雨、洪水及海洋潮汐造成水闸上下游水位变化频繁、且变幅较大的状况时，上述控制方式无法动态跟随水位变化，不能及时调节闸门开高满足引水的流量要求，同时很可能造成超流量引水，破坏水闸稳定和河道安全。
对于上下游水位频繁变化、变化幅值大的水闸工程，采用传统的人工引流控制方式，会出现以下问题：一是运值人员须随时根据水位变化情况，查图表测算和及时调整闸门开高，以满足调度流量的要求，造成运值人员劳动强度大、工作任务重，同时也很难做到及时调节；二是无法准确控制水闸引水流量，导致引流不足或者超标引水，引流不足造成无法最大限度发挥工程效益，超标引水导致河床和河道两侧护坡受到严重冲刷，给工程控制应用带来安全隐患，容易造成安全事故。
在已公开的专利文献中，公布号为CN102359088A、名称为“一种放水闸门的远程控制方法及系统”的发明专利提供了一种闸门的远程控制技术，当系统中交流换相电路提供正向电流时，直流换相电路为直流发电机提供正向电流，并驱动交流接触器闭合，为阀门控制电机提供正向电流；当交流换相电路提供反相电流时，直流换相电路为直流发电机提供反相电流，并驱动交流接触器闭合，为阀门控制电机提供反相电流。该发明中，直流换相电路、直流发电机和交流接触器位于水库的启闭机房内，并且直流换相电路、直流发电机和交流接触器均与交流供电线路连接，在控制室和水库的启闭机房内不存在控制线路，可以减少控制线路出现故障时对远程控制的安全性的影响。该发明提供的技术方案没有试图解决水闸引水流量的控制问题，并不能实现对上下游水位频繁变化、变化幅值大的水闸工程进行精确有效的远程控制。
发明内容
为了克服上述缺陷，实现依据上下游水位对水闸进行远程调控的目的，本发明提供的技术方案具体如下：
一种水闸引流自控系统，包括现场采集控制单元、控制中心操作单元、水闸单位管理单元，其中，
现场采集控制单元负责控制程序的存储和逻辑运算、控制指令的传输和执行、信息的交互以及水位、闸高、电机电流、设备状态的模拟和数字信号的采集，现场采集控制单元设有数据采集模块、数据传输模块、设备控制模块。
控制中心操作单元负责对现场采集控制单元采集到的信息进行组态、依据水闸单位管理单元的指令对设备进行远方控制、网络通讯监测；控制中心操作单元与现场采集控制单元之间采用双网结构，确保监控网络的安全可靠运行。
水闸单位管理单元负责管理控制中心操作单元，向上级部门汇报工程信息，接受上级调度指令、向控制中心操作单元发送调度指令(如引流流量、闸门孔数、开闸时间、安全事项)。
上述现场采集控制单元中，设备控制模块分为自动调节控制子模块以及闸高设定自控子模块，其中：
自动调节控制子模块负责根据上下游水位的变化对闸门的调节高度做逻辑运算，并根据运算结果启动闸高设定自控子模块；其逻辑运算的过程为：
判断水位条件，若上游水位低于或者等于下游水位，则判断结果为将闸门全部关到底；若下游水位低于下游始流水位(参考工程勘探设计资料及控制运用条件)，则控制下游始流水位，从中间向两侧分级提闸门到初次开闸高度，直至下游水位超过下游始流水位；
对于上下游水位连续不断变化的情况，为使引流流量满足要求，闸门开高要不停的作相应调整，这对闸门启闭机运行非常不利，因此为了防止闸门频繁动作，同时能满足引流流量的要求，本发明设定流量误差范围，并且该流量误差范围根据水闸实际情况及上下游水位差大小进行取值；按照调度指令和上下游水位组合情况确定引流设定流量，并实时测量水闸正常运行状态下的实际引流流量，当引流设定流量与实际引流流量的差值在流量误差范围内，则不调节闸门高度；否则，开始根据每级闸门的设定高度为闸门设置级数，然后启动闸高设定自控子模块，按照从中间向两边提或从两侧向中间降的顺序进行自动操作，直至引流设定流量与实际引流流量的差值在流量误差范围内为止。
闸高设定自控子模块负责逻辑判断每孔闸门的设定高度与其实际高度的数值：当设定高度与实际高度的数值相等时，发出停止指令，闸门停止动作；否则闸门按照指令进行相应的动作。
进一步，流量误差范围的取值为引流设定流量的5％-10％。
进一步，现场采集控制单元中，数据采集模块通过水位传感器采集水位信息，水位传感器布置在闸门引水对水位的影响区以外，水位传感器与闸门的距离至少是河宽的5至10倍；闸门前后设有导流翼墙时，选择水位波动影响较小、无漂浮物的位置设置水位传感器。
进一步，现场采集控制单元中，水位信息还来自于水文站提供的水位数据。
一种水闸引流自控方法，利用上述的水闸引流自控系统对水闸进行自动调节，包括如下步骤：
现场数据采集的步骤：对闸站现场的水位、闸高、电机电流、设备状态的模拟和数字信号进行采集；
接收并发送调度指令的步骤：接收上级部门下发的调度任务，形成调度指令发送到设备控制端；
对闸门进行引流计算的步骤：将采集到的闸站数据进行处理分析，根据调度指令、上下游水位的变化、水闸的实际情况，确定闸站的引流流量，从而确定每孔闸门的级数和需调节的高度；
对闸门进行引流控制的步骤：根据闸门引流计算的结果，发出指令给相应水闸，从而完成每孔闸门的引流控制。
进一步，对闸门进行引流计算的步骤具体为：
判断水位，若上游水位低于或者等于下游水位，则计算结果为将闸门全部关到底；若下游水位低于下游始流水位，则从中间向两侧分级提闸门到初次开闸高度，直至下游水位超过下游始流水位；
设定流量误差范围，按照调度指令和上下游水位组合情况计算引流设定流量，并实时测量水闸正常运行状态下的实际引流流量，当引流设定流量与实际引流流量的差值在流量误差范围内，则计算结果为不调节闸门高度；否则，开始根据每级闸门的设定高度为闸门设置级数；
逻辑判断每孔闸门的设定高度与其实际高度的数值：当设定高度与实际高度的数值相等时，计算结果为停止执行动作，否则计算结果为相应闸门需要依据指令按照从中间向两边提或从两侧向中间降的顺序进行动作，直至引流设定流量与实际引流流量的差值在流量误差范围内为止。
进一步，闸门的设定高度是根据水闸多年运用的经验，满足在消力池内发生水跃，以一次0.2～0.5m为宜。
进一步，闸门级数的设置是根据闸门计算高度与实际高度差值的绝对值除以每级闸门的设定高度，然后取整加一。
本发明的水闸引流自动调节控制系统及方法，对于上下游水位频繁变化的水闸工程，是水闸控制方式的重大革新，它能够按照运行人员设定的引流流量，根据上下游水位自动计算出每个闸门应开启的高度，并能按照控制运用的要求自动实现各个闸门的升降控制，进一步提高水闸控制的自动化水平。通过采用上述技术方案，本发明能够取得如下的技术效果：一是可以根据水闸控制运用的要求设定引水流量，不仅仅局限图表上显示的数值；二是水闸引流自控功能的实现，可以大大减轻运值人员的劳动强度，提高水闸运行的工作效率；三是能及时根据水位变化进行闸高自动调节控制，可以精确控制引水流量，不会超标引水，既能确保水闸工程的安全稳定，又能最大限度地发挥工程效益；四是确保上级防汛调度指令得到有效执行，及时引足水量；五是可为实现水闸引流数据的自动统计和查询功能提供数据和技术支持。
附图说明
图1是本发明实施例的网络结构图。
图2是本发明实施例的闸门引流计算流程图。
图3是本发明实施例的控制中心操作单元对话界面示意图。
图中标记代表：H代表上游侧水位；h代表下游侧水位；△h代表上游侧水位与下游侧水位之间的差值，即H-h的值；h0代表下游侧始流水位；e0代表初次开闸高度；e代表正常运行时的闸门开高；Q设代表按调度指令和水位组合情况确定的引流设定流量；Q实代表正常运行时的实际引流流量(根据实际测流确定的流量计算公式计算得到，流量计算公式与闸净宽、上下游水位差、闸门开高有关，并且根据测流情况选择合适的周期进行相应的修订和完善)；ε代表流量误差范围。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的水闸引流自控系统的网络结构如图1所示，在控制中心操作单元布置计算机，在现场采集控制单元(LCU)的水闸现场布置采集控制单元柜，购置计算机、采集控制系统装置(包含配套软件)、交换机、网线、光纤、光纤接续盒等硬件设备，并完成设备的安装调试；上下游水位、闸门开高、启闭机电机电流的采集需要布置水位传感器、闸高开度仪(包含旋转编码器)，电流互感器等硬件设备，安装调试后将所有的信号点送到现场采集控制单元中。
在控制中心操作单元实现闸门的远方控制以及上下游水位、启闭机电机电流和闸门开高的采集和显示。利用与采集控制系统配套的组态软件，根据现场采集控制单元的水位、电流、开高等信号的位置状态进行组态，自定义控制程序中需要使用的中间量，实现采集量的正常显示和闸门的远方控制。
现场采集控制单元的闸门引流自动调节控制流程如图2所示，自控程序启动后，首先判断水位条件，若上游水位低于或者等于下游水位高(设定△h＝H-h≦0.01m时)，则将闸门全部一次性关到底(不分级关闸)，以防止水向上游倒流；若下游水位低于下游始流水位h0(h0参考工程勘探设计资料及控制运用条件)，则控制始流，从中间向两侧分级提闸门到初次开闸高度e0，直至下游水位超过始流水位h0；正常运行时，实时检测|Q设-Q实|的数值，当|Q设-Q实|小于或者等于一个限值ε(流量误差范围)，不调节闸门高度；当|Q设-Q实|大于一个限值ε，则开始调节闸门高度；升降闸门时，首先确定级数，每级闸门高度的数值由水闸实际运行状况确定，然后按照从中间向两边提或从两侧向中间降的顺序进行自动操作，直至|Q设-Q实|小于限值ε为止；在闸门动作之前，还要先判断每孔闸门设定高度与实际高度的数值，当设定高度与实际高度数值相等时，发停止指令，闸门不动作，否则闸门按照确定的调节高度进行动作。
根据水闸运行规程，闸门应由中间向两边依次对称开启，关闭顺序相反。本实施例不管水差大小如何，均按此操作顺序要求进行。为确保在任何水位组合下，水流平稳、水闸稳定，水跃均发生在消力池内，要求分级启闭闸门，并且相邻闸门开启高差不得超过一定值。
控制中心操作单元的对话界面如图3所示，界面上可对闸门进行提、落、停远方操作控制，也可对每孔闸门进行高度控制，还可进行流量自动调节控制，对话数据包括上级要求的日平均调度流量、上游侧水位、下游侧水位、值班员根据调度流量设定的设定流量、程序根据上下游水位和设定流量计算得出的闸门开启高度、程序根据当前上下游水位和闸门高度算出的实际流量、闸门的提落停按钮、闸门设定高度及闸高自控按钮、每孔闸门的实际高度、闸门运行时的电机电流、引流自控按钮以及统计需要的日平均流量、今日引水时数、今日引水量等数据。
上述对话界面操作过程为：首先查看上下游水位是否满足引流条件，满足引流条件后根据调度指令设定上级调度日平均流量，然后根据上级调度流量和上下游水位变化趋势确定引流设定流量，在确保上下游引水安全的条件下开启闸门自控按钮，自控按钮变色，水闸引流自动调节控制程序运行，开始自控引流，发挥工程效益。
本发明不限于上述实施例，一切采用等同替换或等效替换形成的技术方案均属于本发明要求保护的范围。
Claims (9)
1.一种水闸引流自控系统，其特征在于，包括现场采集控制单元、控制中心操作单元、水闸单位管理单元，其中，
所述现场采集控制单元负责控制程序的存储和逻辑运算、控制指令的传输和执行、信息的交互以及水位、闸高、电机电流、设备状态的模拟和数字信号的采集，所述现场采集控制单元设有数据采集模块、数据传输模块、设备控制模块；
所述控制中心操作单元负责对所述现场采集控制单元采集到的信息进行组态，依据水闸单位管理单元的指令对设备进行远方控制，以及网络通讯监测；所述控制中心操作单元与现场采集控制单元之间采用双网结构，确保监控网络的安全可靠运行；
所述水闸单位管理单元负责管理控制中心操作单元，向上级部门汇报工程信息，接受上级调度指令，向控制中心操作单元发送调度指令。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述现场采集控制单元的设备控制模块分为自动调节控制子模块以及闸高设定自控子模块，
所述自动调节控制子模块负责根据上下游水位的变化对闸门的调节高度做逻辑运算，并根据运算结果启动闸高设定自控子模块；所述自动调节控制子模块的逻辑运算过程为：
判断水位条件，若上游水位低于或者等于下游水位，则判断结果为将闸门全部关到底；若下游水位低于下游始流水位，则从中间向两侧分级提闸门到初次开闸高度，直至下游水位超过下游始流水位；
设定流量误差范围，确定引流设定流量，并实时测量水闸正常运行状态下的实际引流流量，当引流设定流量与实际引流流量的差值在流量误差范围内，则不调节闸门高度；否则，开始根据每级闸门的设定高度为闸门设置级数，然后启动闸高设定自控子模块进行自动操作，直至引流设定流量与实际引流流量的差值在流量误差范围内为止；
所述闸高设定自控子模块负责逻辑判断每孔闸门的设定高度与其实际高度的数值：当设定高度与实际高度的数值相等时，发出停止指令，闸门停止动作；否则闸门按照指令进行相应的动作。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述流量误差范围的取值为引流设定流量的5％-10％。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征是，所述数据采集模块通过水位传感器采集水位信息，所述水位传感器与闸门的距离至少是河宽的5至10倍；闸门前后设有导流翼墙时，选择水位波动影响较小、无漂浮物的位置设置水位传感器。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征是，所述现场采集控制单元中，水位信息来自于水文站提供的水位数据。
6.一种水闸引流自控方法，其特征在于，利用权利要求1至5中的水闸引流自控系统对水闸进行自动调节，具体包括如下步骤：
现场数据采集的步骤：对闸站现场的水位、闸高、电机电流、设备状态的模拟和数字信号进行采集；
接收并发送调度指令的步骤：接收上级部门下发的调度任务，形成调度指令发送到设备控制端；
对闸门进行引流计算的步骤：将采集到的闸站数据进行处理分析，根据调度指令、上下游水位的变化、水闸的实际情况，确定闸站的引流流量，从而确定每孔闸门的级数和需调节的高度；
对闸门进行引流控制的步骤：根据闸门引流计算的结果，发出指令给相应水闸，从而完成每孔闸门的引流控制。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述对闸门进行引流计算的步骤具体为：
判断水位，若上游水位低于或者等于下游水位，则计算结果为将闸门全部关到底；若下游水位低于下游始流水位，则从中间向两侧分级提闸门到初次开闸高度，直至下游水位超过下游始流水位；
设定流量误差范围，按照调度指令和上下游水位组合情况确定引流设定流量，并实时测量水闸正常运行状态下的实际引流流量，当引流设定流量与实际引流流量的差值在流量误差范围内，则计算结果为不调节闸门高度；否则，开始根据每级闸门的设定高度为闸门设置级数；
逻辑判断每孔闸门的设定高度与其实际高度的数值：当设定高度与实际高度的数值相等时，计算结果为停止执行动作，否则计算结果为相应闸门需要依据指令进行动作，直至引流设定流量与实际引流流量的差值在流量误差范围内为止。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述闸门的设定高度需满足在消力池内发生水跃为一次0.2～0.5m。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述闸门级数的设置是根据闸门计算高度与实际高度差值的绝对值除以每级闸门的设定高度，然后取整加一。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |