CN107268517A - 一种船闸模型尾门水位调节系统 - Google Patents

一种船闸模型尾门水位调节系统 Download PDF

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刘辉
丁明
万英杰
姜晓彤
刘雨薇
邹琪骁
陈辉
张知浩
刘洋
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Abstract

本发明属于船闸模型控制技术领域，公开了一种船闸模型尾门水位调节系统，包括：PLC电气控制单元、螺杆式水位调节闸门、水位监测单元；所述螺杆式水位调节闸门设置在尾门位置，所述水位监测单元设置在下游区域内；所述PLC电气控制单元分别与所述螺杆式水位调节闸门、所述水位监测单元连接。本发明解决了现有技术中船闸模型在闸室向下游航道泄水的过程中，下游水位波动较大、波动时间较长的问题，达到了船闸模型在闸室向下游航道泄水的过程中，将下游水位稳定在设定值范围内的技术效果。

Description

一种船闸模型尾门水位调节系统
技术领域
本发明涉及船闸模型控制技术领域，尤其涉及一种船闸模型尾门水位调节系统。
背景技术
船闸模型一般由上游引航道、上游阀门、闸室、下游阀门、下游引航道、下游泄水尾门及水槽等相应设备组成。在船闸实际设计的过程中，会首先建造船闸模型对相关设计进行论证。在现实中的闸室向下游航道泄水的过程中，由于水面宽广，水深足够，可以近似的认为水面深度是固定不变的。但是在船闸模型的设计中，闸室向下游航道泄水，下游的水平面会有一个急剧上升的过程，与水面深度是固定不变的这个假设相矛盾。在实际处理的过程中通常将其作为一种系统误差处理，忽略其对观测数据的影响。但是，这样会造成观测数据的不精确，会对实验分析造成一定的影响。而且，由于条件限制，在船闸模型中建设一个足够大的下游湖面需要花费非常巨大的成本，造成资源的巨大浪费，从经济效益与实际操作的方面都是不可取的。
发明内容
本申请实施例通过提供一种船闸模型尾门水位调节系统，解决了现有技术中船闸模型在闸室向下游航道泄水的过程中，下游水位波动较大、波动时间较长的问题。
本申请实施例提供一种船闸模型尾门水位调节系统，包括：PLC电气控制单元、螺杆式水位调节闸门、水位监测单元；
所述螺杆式水位调节闸门设置在尾门位置，所述水位监测单元设置在下游区域内；
所述PLC电气控制单元分别与所述螺杆式水位调节闸门、所述水位监测单元连接。
优选的，所述PLC电气控制单元包括：主控CPU、变频器、信号采集模块、信息显示屏、运行控制操作按钮；
所述主控CPU分别与所述变频器、所述信号采集模块、所述信息显示屏、所述运行控制操作按钮连接；
所述主控CPU接收来自所述运行控制操作按钮的操作信号，所述主控CPU接收来自所述信号采集模块的水位信号，所述主控CPU发送控制信号至所述变频器。
优选的，所述运行控制操作按钮包括开始按钮、停止按钮、急停按钮。
优选的，所述螺杆式水位调节闸门包括：三相交流电机、减速箱、传动丝杆、活动闸门、固定闸门、闸门外框、开度仪；
所述三相交流电机、所述减速箱、所述开度仪安装于所述闸门外框上，所述活动闸门下降到最低点时与所述固定闸门处于同一高度；
所述三相交流电机与所述PLC电气控制单元连接，所述三相交流电机与所述减速箱连接；所述传动丝杆从所述减速箱中穿过，所述传动丝杆的下端与所述活动闸门连接；
所述三相交流电机通过所述减速箱带动所述传动丝杠实现所述活动闸门的上升或下降。
优选的，所述开度仪为拉绳式开度仪。
优选的，所述水位监测单元由分布在下游区域的水位检测仪组成，所述水位监测单元获得水位模拟信号，并将所述水位模拟信号发送至所述PLC电气控制单元。
优选的，所述水位检测仪的个数为6-14个，多个所述水位检测仪均匀分布于下游区域内。
优选的，所述水位检测仪的个数为10个。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在本申请实施例中，提供一种船闸模型尾门水位调节系统，系统包括PLC电气控制单元、螺杆式水位调节闸门、水位监测单元；螺杆式水位调节闸门设置在尾门位置，水位监测单元设置在下游区域内；PLC电气控制单元分别与螺杆式水位调节闸门、水位监测单元连接。本发明从前馈-反馈的角度出发，在下游阀门开启的过程中，通过前馈开环控制，调节螺杆式水位调节闸门进行泄水，达到前馈控制水位目标值后，转入闭环PID反馈控制，并设定反馈水位目标值。水位监测单元获得水位信息，水位信息经处理后反映水位实际值，PLC电气控制单元以反馈水位目标值和水位实际值为依据进行PID整定，对下游航道与下游水槽之间的螺杆式水位调节闸门进行控制，调节活动闸门，实现将下游水位稳定在一个接近设定恒定值的状态，使船闸模型在闸室向下游航道泄水的过程中，下游水位波动较小、波动时间较短。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种船闸模型尾门水位调节系统在船闸模型中的位置布置图；
图2为本发明实施例提供的一种船闸模型尾门水位调节系统中的PLC柜内布置图；
图3为本发明实施例提供的一种船闸模型尾门水位调节系统中的PLC控制面板布置图；
图4为本发明实施例提供的一种船闸模型尾门水位调节系统中螺杆式水位调节闸门结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种船闸模型尾门水位调节系统的工作流程图。
其中，11-主控CPU、12-变频器、13-信号采集模块、14-信息显示屏、15-运行控制操作按钮；
21-三相交流电机、22-减速箱、23-传动丝杆、24-活动闸门、25-固定闸门、26-闸门外框、27-开度仪。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种船闸模型尾门水位调节系统，解决了现有技术中船闸模型在闸室向下游航道泄水的过程中，下游水位波动较大、波动时间较长的问题。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一种船闸模型尾门水位调节系统，包括：PLC电气控制单元、螺杆式水位调节闸门、水位监测单元；
所述螺杆式水位调节闸门设置在尾门位置，所述水位监测单元设置在下游区域内；
所述PLC电气控制单元分别与所述螺杆式水位调节闸门、所述水位监测单元连接。
本发明提供一种船闸模型尾门水位调节系统，系统包括PLC电气控制单元、螺杆式水位调节闸门、水位监测单元；螺杆式水位调节闸门设置在尾门位置，水位监测单元设置在下游区域内；PLC电气控制单元分别与螺杆式水位调节闸门、水位监测单元连接。本发明从前馈-反馈的角度出发，在下游阀门开启的过程中，通过前馈开环控制，调节螺杆式水位调节闸门进行泄水，达到前馈控制水位目标值后，转入闭环PID反馈控制，并设定反馈水位目标值。水位监测单元获得水位信息，水位信息经处理后反映水位实际值，PLC电气控制单元以反馈水位目标值和水位实际值为依据进行PID整定，对下游航道与下游水槽之间的螺杆式水位调节闸门进行控制，调节活动闸门，实现将下游水位稳定在一个接近设定恒定值的状态，使船闸模型在闸室向下游航道泄水的过程中，下游水位波动较小、波动时间较短。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本实施例提供了一种船闸模型尾门水位调节系统，包括：PLC电气控制单元、螺杆式水位调节闸门、水位监测单元。
所述PLC电气控制单元分别与所述螺杆式水位调节闸门、所述水位监测单元连接。
所述螺杆式水位调节闸门设置在尾门位置，如图1所示；所述水位监测单元设置在下游区域内。
其中，如图2和图3所示，所述PLC电气控制单元包括：主控CPU11、变频器12、信号采集模块13、信息显示屏14、运行控制操作按钮15。其中，主控CPU11含开关量输入输出单元。
所述主控CPU11分别与所述变频器12、所述信号采集模块13、所述信息显示屏14、所述运行控制操作按钮15连接。
所述主控CPU11接收来自所述运行控制操作按钮15的操作信号，所述主控CPU11接收来自所述信号采集模块13的水位信号，所述主控CPU11发送控制信号至所述变频器12。
所述主控CPU11可以通过内部总线接收所述信号采集模块13的模拟量信号，可以通过MODBUS RTU串口通信发出相关控制指令控制所述变频器12。
所述运行控制操作按钮15包括开始按钮、停止按钮、急停按钮。
所述运行控制操作按钮15可以通过将信号发送给对所述主控CPU11实现系统的开始、停止、急停的自动化控制。按下“开始”按钮，进入自动控制流程；按下“停止”按钮，停止自动控制流程；按下“急停”按钮，闸门紧急停止。
所述主控CPU11、所述信号采集模块13是整个水位调节系统的大脑与核心。
所述信息显示屏14可以接收所述主控CPU11处理好的各种信号，包括所述运行控制操作按钮15的各种操作状态、水位信号。
其中，如图4所示，所述螺杆式水位调节闸门包括：三相交流电机21、减速箱22、传动丝杆23、活动闸门24、固定闸门25、闸门外框26、开度仪27。
所述三相交流电机21、所述减速箱22、所述开度仪27安装于所述闸门外框26上，所述活动闸门24下降到最低点时与所述固定闸门25处于同一高度。
所述三相交流电机21与所述PLC电气控制单元中的变频器12连接，所述三相交流电机21可以接收所述变频器12的控制；所述三相交流电机21与所述减速箱22连接；所述传动丝杆23从所述减速箱22中穿过，所述传动丝杆23的下端与所述活动闸门24连接。
所述三相交流电机21通过所述减速箱22带动所述传动丝杠23实现所述活动闸门24的上升或下降。
所述开度仪27用来测量所述活动闸门24的运行开度，主要用于自动控制中的前馈控制，下游阀门开始泄水时，尾门同时也有一个快速排水的过程，对主要干扰及时进行粗调，大大减少反馈控制中的PID控制器的负担。
一种优选的情况，所述开度仪27为拉绳式开度仪，拉绳式开度仪相对于其他类型的开度仪具有结构简单、价格低廉的优点。
所述固定闸门25与活动闸门24组合实现挡水的功能，当活动闸门24升起时，起到挡水的作用；当活动闸门24下降时，起到泄水的作用。
其中，所述水位监测单元由分布在下游区域的水位检测仪组成，所述水位监测单元获得水位模拟信号，并将所述水位模拟信号发送至所述PLC电气控制单元。
所述水位检测仪的个数为6-14个，多个所述水位检测仪均匀分布于下游区域内。一种优选的情况，所述水位检测仪的个数为10个。
所述水位检测仪将检测到的水位模拟信号传送到所述信号采集模块13，取其平均值之后作为实际水位值。
单级船闸模型从上游向下游过船的过船流程是，先开启上游阀门，待上游水位与闸室水位齐平之后，此时可以模拟船从上游使入闸室。之后，开启下游阀门，待闸室水位与下游水位齐平之后，模拟船从闸室使出至下游。本发明的目的就是通过对活动闸门的控制实现模型系统的下游水位波动尽可能小与波动时间尽可能短，最终稳定在预设的区间。
水位调节系统的工作流程如图5所示，包括：
1.通过水位检测单元的测量，主控CPU对采集到的水位信号进行处理，得出下游水位在稳定状态下的水位值。
2.根据稳定状态下的水位值设定下游水位的目标水位值与PID死区范围。一般稳定状态下，PID死区范围为目标水位值的±5％。
3.从控制面板上启动水位调节系统。
4.当PLC从整个控制系统中监测到下游阀门开启时，通过前馈开环控制，尾门开始下降泄水，然后转入闭环PID反馈控制,以设定的下游目标水位为目标值。模型系统的下游水位波动尽可能小与波动时间尽可能短，最终稳定在预设的区间，以便使通航过程中的下游水位的变化更加接近真实情况。通过对闸门的前馈-反馈控制调节，使得下游水位在一个很小的范围内波动，这种情况与真实中的泄水过程类似，能够有效的减少船闸下游泄水过程中的水位提升的误差影响。
本发明是一种基于PLC控制的前馈-反馈船闸模型尾门水位调节系统，操作人员在控制室对本系统发出自动控制的命令，可以从控制的角度，从前馈-反馈的角度出发，通过在下游阀门开启的过程中，对下游航道与水槽之间的尾门控制，实现将下游水位稳定在一个接近设定恒定值的状态。在下游阀门开启的过程中，通过前馈开环控制，尾门开始下降泄水，达到前馈控制水位目标值后，转入闭环PID反馈控制，以设定的下游目标水位为目标值，以下游区域多个均匀分布的水位检测仪的测量值作为实际反馈水位值，通过PLC对目标值与实际反馈水位值做PID整定，使得下游水位值在一个小的范围内波动。
本发明实施例提供的一种船闸模型尾门水位调节系统至少包括如下技术效果：
在本申请实施例中，提供一种船闸模型尾门水位调节系统，系统包括PLC电气控制单元、螺杆式水位调节闸门、水位监测单元；螺杆式水位调节闸门设置在尾门位置，水位监测单元设置在下游区域内；PLC电气控制单元分别与螺杆式水位调节闸门、水位监测单元连接。本发明从前馈-反馈的角度出发，在下游阀门开启的过程中，通过前馈开环控制，调节螺杆式水位调节闸门进行泄水，达到前馈控制水位目标值后，转入闭环PID反馈控制，并设定反馈水位目标值。水位监测单元获得水位信息，水位信息经处理后反映水位实际值，PLC电气控制单元以反馈水位目标值和水位实际值为依据进行PID整定，对下游航道与下游水槽之间的螺杆式水位调节闸门进行控制，调节活动闸门，实现将下游水位稳定在一个接近设定恒定值的状态，使船闸模型在闸室向下游航道泄水的过程中，下游水位波动较小、波动时间较短。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种船闸模型尾门水位调节系统，其特征在于，包括：PLC电气控制单元、螺杆式水位调节闸门、水位监测单元；
所述螺杆式水位调节闸门设置在尾门位置，所述水位监测单元设置在下游区域内；
所述PLC电气控制单元分别与所述螺杆式水位调节闸门、所述水位监测单元连接。
2.根据权利要求1所述的船闸模型尾门水位调节系统，其特征在于，所述PLC电气控制单元包括：主控CPU、变频器、信号采集模块、信息显示屏、运行控制操作按钮；
所述主控CPU分别与所述变频器、所述信号采集模块、所述信息显示屏、所述运行控制操作按钮连接；
所述主控CPU接收来自所述运行控制操作按钮的操作信号，所述主控CPU接收来自所述信号采集模块的水位信号，所述主控CPU发送控制信号至所述变频器。
3.根据权利要求2所述的船闸模型尾门水位调节系统，其特征在于，所述运行控制操作按钮包括开始按钮、停止按钮、急停按钮。
4.根据权利要求1所述的船闸模型尾门水位调节系统，其特征在于，所述螺杆式水位调节闸门包括：三相交流电机、减速箱、传动丝杆、活动闸门、固定闸门、闸门外框、开度仪；
所述三相交流电机、所述减速箱、所述开度仪安装于所述闸门外框上，所述活动闸门下降到最低点时与所述固定闸门处于同一高度；
所述三相交流电机与所述PLC电气控制单元连接，所述三相交流电机与所述减速箱连接；所述传动丝杆从所述减速箱中穿过，所述传动丝杆的下端与所述活动闸门连接；
所述三相交流电机通过所述减速箱带动所述传动丝杠实现所述活动闸门的上升或下降。
5.根据权利要求4所述的船闸模型尾门水位调节系统，其特征在于，所述开度仪为拉绳式开度仪。
6.根据权利要求1所述的船闸模型尾门水位调节系统，其特征在于，所述水位监测单元由分布在下游区域的水位检测仪组成，所述水位监测单元获得水位模拟信号，并将所述水位模拟信号发送至所述PLC电气控制单元。
7.根据权利要求6所述的船闸模型尾门水位调节系统，其特征在于，所述水位检测仪的个数为6-14个，多个所述水位检测仪均匀分布于下游区域内。
8.根据权利要求7所述的船闸模型尾门水位调节系统，其特征在于，所述水位检测仪的个数为10个。
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