【摘要】本文著重研究了以單片機為核心，對中、小水電站的閘門系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制的方法，并對閘門控制系統(tǒng)的硬件和軟件進行了設計。該控制系統(tǒng)具備對閘門及攔污柵運行狀態(tài)的監(jiān)視能力和對閘門快速平穩(wěn)啟閉的控制能力，并給出了提高閘門控制系統(tǒng)抗干擾能力的軟、硬件措施。

　　【關鍵詞】機械設計,閘門控制系統(tǒng),單片機,抗干擾

　　1.綜述

　　我國小水電資源十分豐富，發(fā)展經(jīng)濟實用的小水電自動化技術很有必要，但是中、小水電站運行的可靠性需要得到保障。因此，進行中、小水電站閘門控制系統(tǒng)的自動化研究就有很大的實際意義。

　　2.閘門控制系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)

　　2.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的選擇

　　中小水電站的閘門控制系統(tǒng)作為水力發(fā)電機組的后備保護設備，要求其動作可靠、迅速。因此其監(jiān)控系統(tǒng)應具有良好的通訊網(wǎng)絡、控制算法和靈敏的感應元件。針對以上要求，閘門控制系統(tǒng)宜納入水電廠管理控制系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)、兩層網(wǎng)絡的管控一體化總線型結(jié)構(gòu)體系。這樣的體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了負責底層生產(chǎn)控制和管理的現(xiàn)場總線系統(tǒng)與上層的決策管理系統(tǒng)的結(jié)合，保證了控制與管理的相互滲透與相互溝通。

　　2.2 微型計算機的選擇

　　閘門控制系統(tǒng)所處環(huán)境十分惡劣，系統(tǒng)選用何種微機控制器就顯尤為重要。單片機將CPU、ROM、RAM、寄存器陣列、模擬和數(shù)字輸入輸出接口、定時器、計數(shù)器都集成在一塊芯片上，應用開發(fā)在各個工程應用領域，綜上以單片機作為閘門控制系統(tǒng)的核心控制部件是必要而可行的。

　　2.3 閘門控制系統(tǒng)的功能

　　為了可靠完成閘門的啟閉，其控制系統(tǒng)應具備以下功能：閘門控制功能、閘門運行參數(shù)及狀態(tài)信號的采集和處理、閘門控制系統(tǒng)的計算判斷功能、閘門控制系統(tǒng)的保護功能、人機聯(lián)系功能、通信功能。

　　2.4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

　　閘門控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。

　　圖2-1 閘門控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

　　3.PID控制算法

　　3.1 離散PID控制算法的推導

　　系統(tǒng)是采樣控制系統(tǒng)，其控制器是數(shù)字控制器，所采用的算法應當是離散PID控制算法。

　　在模擬控制系統(tǒng)中，PID控制算法的表達式為：

　　(3-1)

　　將式(3-1)離散化，并寫成差分方程形式：

　　(3-2)

　　令KI為積分系數(shù)：

　　KD為微分系數(shù)：

　　式(3-2)變?yōu)椋?/p>

　　(3-3)

　　上式即是位置式PID控制算法的表達式。采用增量式PID控制算法。考慮第k-1次采樣時刻有：

　　(3-4)

　　用(3-3)減去(3-4)，并化簡得：

　　(3-5)

　　式(3-5)即為增量式PID控制算法的表達式，累加誤差對控制量計算結(jié)果的影響小，而且容易通過加權處理來獲得較好的控制效果。

　　3.2 PID數(shù)字控制器的參數(shù)整定

　　擴充臨界比例度法整定T、Kp、Ti和Td的步驟如下：

　　(1)選擇一個合適的采樣周期T，控制器作純比例控制;

　　(2)調(diào)整Kp的值，使系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下臨界振蕩周期Ts和臨界振蕩增益Ks;

　　(3)選擇合適的控制度。控制度是指數(shù)字控制器的控制效果與模擬控制器的控制效果相比較的評價指標。通常用下式表示。

　　控制度= (3-9)

　　通常，控制度為1.05時，數(shù)字控制器和模擬控制器的控制效果相當。當控制度為2.0時，數(shù)字控制器比模擬控制器的控制質(zhì)量差一倍。

　　4.閘門控制系統(tǒng)的傳感器

　　4.1 閘門開度儀

　　閘門開度儀包括閘位傳感器和閘位顯示儀表。閘位傳感器安裝在閘室內(nèi)卷揚機被動輪軸端，采用齒輪傳動。閘位傳感器采ROQ425絕對型光電編碼器，安裝于鋼絲繩收緊器GPS500內(nèi)，GPS500裝在啟閉機閘門上方，鋼絲繩活動端直接連接閘門。采用這種鋼絲繩收緊器，直接測量閘門開度，精度比較高。

　　4.2 超聲波水位儀的工作原理及安裝要求

　　安裝傳感器時，應使傳感器發(fā)出的聲波垂直于被測物體，使傳感器能接收到較多的物體反射回來的聲波，使測量更精確。在被測物體與傳感器之間不能存在任何物體。其次，水面波動會對采集精度產(chǎn)生影響，可采用數(shù)字濾波以及加裝導管的方法加以抑制。另外，為防止電磁干擾，傳感器到控制表之間的傳輸線務必使用屏蔽電纜。

　　5.閘門控制系統(tǒng)硬件設計

　　5.1 閘門開度控制回路通道設計

　　在單片機控制系統(tǒng)中，I/O通道是連接單片機和控制對象的重要組成部分。I/O通道的主要任務是將檢測單元采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單片機可以接收的信息形式送入單片機。單片機按某種算法計算后，將計算結(jié)果以數(shù)字量或轉(zhuǎn)化為模擬量輸出，以控制執(zhí)行機構(gòu)動作。I/O通道起到CPU和被控對象之間的信息傳送和變換的橋梁作用。I /O通道可分為模擬量輸入、輸出通道、數(shù)字量輸入、輸出通道。

　　圖5-1 閘門開度控制回路通道邏輯框圖

　　圖6-1 主程序流程圖

　　5.2 狀態(tài)顯示及異常報警通道設計

　　閘門控制系統(tǒng)除了能控制閘門的啟閉以外，還能采集閘前水位信息，反映攔污柵阻塞信息。為了保證閘門動作的可靠性，又設置了異常報警通道。本次設計中，狀態(tài)顯示及異常報警功能涉及模擬量輸入11路，開關量輸入3路，開關量輸出22路。

　　5.3 人機聯(lián)系界面設計

　　閘門控制系統(tǒng)除了在中控室集中控制部分設有人機聯(lián)系界面以外，還應在現(xiàn)地控制單元設立操作控制平臺，以便于操作人員通過顯示屏了解閘門運行狀況，并在必要時通過按鈕進行人工干預。 　　5.4 通信接口設計

　　在閘門控制系統(tǒng)中，單片機需要從閘門開度儀獲取閘門實際開度信息，需要從上位機獲取閘門開度設定值。當閘門運行出現(xiàn)異常時，單片機還應當將異常信號上傳給上位機。因為現(xiàn)地控制單元離中控室上位機比較遠，所以采用RS-485通訊協(xié)議。又因為8031的串行口采用TTL電平，而RS-485采用±12V電平，所以它們之間的連接需要經(jīng)過接口進行電平轉(zhuǎn)換。 RS-485是一種基于差分信號傳送的串行通訊鏈路層協(xié)議，它解決了RS-232協(xié)議傳輸距離太近(15m)的缺陷，是工業(yè)上廣泛采用的較長距離數(shù)據(jù)通訊鏈路層協(xié)議。

　　6.閘門控制系統(tǒng)軟件設計

　　6.1 主程序設計

　　主程序模塊流程圖如圖6-1所示。閘門控制系統(tǒng)上電以后首先執(zhí)行初始化和自檢。初始化包括標志位和變量的初始化、中斷初始化、接口芯片初始化、各程序模塊的初始化。自檢包括對ROM、RAM和顯示裝置的檢查。

　　6.2 數(shù)據(jù)采集模塊程序設計

　　閘門控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要包括對攔污柵柵前、柵后水位的數(shù)據(jù)采集，對閘門位置的數(shù)據(jù)采集，對啟門電機的定子電壓、定子電流、定子線圈的溫度的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集模塊按所采集的數(shù)據(jù)性質(zhì)不同可分為模擬量數(shù)據(jù)采集程序和開關量數(shù)據(jù)采集程序。

　　6.3 控制模塊程序設計

　　閘門控制系統(tǒng)的控制程序模塊主要實現(xiàn)閘門的啟閉操作。同時，在閘門動作時，控制程序模塊還要對閘門的運行狀況進行監(jiān)視，一旦閘門動作出現(xiàn)異常狀況，控制程序應當采取相應措施處理并上報上位機。

　　7.閘門控制系統(tǒng)抗干擾措施

　　抗干擾的硬件措施：

　　(1)電源的抗干擾措施

　　由電源供電線路引入的干擾和電源自身產(chǎn)生的干擾是計算機控制系統(tǒng)的主要干擾源。電源部分應盡可能靠近電源引進口。供電系統(tǒng)的配線應盡量采用粗導線。電源后面的一段布線，應采用扭絞線，扭絞螺距要小。如果導線太粗，無法扭絞，應使布線距離縮到最小。交流線(指低通濾波器到穩(wěn)壓電源的連線)、直流穩(wěn)壓電源線、邏輯信號線、模擬信號線、繼電器等感性負載的驅(qū)動線、非穩(wěn)壓的直流線均應分開布線。

　　(2)開關量輸入/輸出抗干擾

　　開關量輸入信號可以采用軟件重復檢測的方法抗干擾。兩次檢測相隔一段時間。如果兩次檢測結(jié)果相同，則認為取得了真正的開關信號，否則繼續(xù)等待。

　　開關量輸出的軟件抗干擾主要采用重復輸出的辦法。在條件允許的情況下，輸出周期盡可能短，這樣能及時防止誤動作。

　　8.結(jié)論

　　本系統(tǒng)針對閘門控制系統(tǒng)的運行特點，采取改進的PID控制算法，保證了閘門快速平穩(wěn)運行。采用單片機作為CPU，充分利用了單片機體積小、抗干擾能力強的優(yōu)點，保證了閘門控制系統(tǒng)的可靠性及經(jīng)濟性要求。恰當使用了一些新型傳感器，傳感器作為監(jiān)控系統(tǒng)與被控對象接觸的底層元件，有著異常重要的作用。閘門控制系統(tǒng)采用了三層結(jié)構(gòu)、兩層網(wǎng)絡的管控一體化結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性同時方便了水電廠的運營管理。采用了現(xiàn)場工業(yè)總線，提高了現(xiàn)場設備的互操作性、可擴展性和運行的靈活性。介紹了一些傳統(tǒng)的抗干擾措施，而且闡述并使用了一些抗干擾的新技術。

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　　作者簡介：李云陽(1981―)，男，工學碩士，講師，研究方向：自動控制。