1 前言
目前，大多數(shù)中小水庫的水閘開啟與關(guān)閉仍為手動(dòng)方式，這種方式的缺點(diǎn)是人為因素影響大。在突然大量降雨，尤其是發(fā)生洪水的前后，依靠手動(dòng)操作水庫水閘很難得到及時(shí)開啟和關(guān)閉。這不僅影響水庫堤壩的安全，而且大水過后因未能及時(shí)關(guān)閘而減少水庫的蓄水。設(shè)計(jì)本水閘自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，旨在實(shí)施水庫水閘自動(dòng)開啟和關(guān)閉的有效監(jiān)控，從而保障水庫堤壩安全和限度發(fā)揮水庫的蓄水功能。
2 設(shè)計(jì)的基本要求
本水閘自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)基于以下基本要求：
1）本系統(tǒng)應(yīng)可實(shí)施遠(yuǎn)距離監(jiān)控。在水閘現(xiàn)場安裝曳引電動(dòng)機(jī)和水位信號檢測探頭，在較遠(yuǎn)距離的室內(nèi)安裝監(jiān)控裝置。
2）本系統(tǒng)須具有以下4個(gè)功能：自動(dòng)檢測水位信號的功能，自動(dòng)控制水閘曳引電動(dòng)機(jī)的功能，自動(dòng)顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)及水位狀態(tài)的功能和自動(dòng)報(bào)警的功能。
3）本系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。
4）由本系統(tǒng)制造的裝置應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)久耐用、維修方便和造價(jià)較低。
5）本系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)三相交流電源，也適應(yīng)單相交流電源。
3 設(shè)計(jì)的基本思想
3.1 技術(shù)方案若從滿足本系統(tǒng)所具有的功能要求出發(fā)，則設(shè)計(jì)本系統(tǒng)有3種技術(shù)方案可供選擇。一是由數(shù)字電子電|考試大|路和模擬電子電路組成監(jiān)控電路；二是由可編程序控制器組成監(jiān)控電路；三是由微型計(jì)算機(jī)組成監(jiān)控電路。由于后兩者的設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對環(huán)境有一定的要求和購置設(shè)備的價(jià)格較高，因此，設(shè)計(jì)本系統(tǒng)電路時(shí)選定第一種技術(shù)方案。
3.2 電路組成為使本系統(tǒng)具有上述4個(gè)功能，本系統(tǒng)的電路應(yīng)包括以下幾個(gè)部分：水位信號檢測部分、邏輯控制部分、系統(tǒng)工作狀態(tài)和水位狀態(tài)顯示部分、報(bào)警部分、水閘曳引電動(dòng)機(jī)主電路和控制電路部分及直流電源部分。其電路組成方框圖如圖1所示。
3.3 水位信號檢測方法如何檢測水位信號，這是設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時(shí)需要重點(diǎn)解決的問題之一。目前，國內(nèi)檢測水位信號有3種方法，即浮力法、浮力重力法和浮力磁力法。浮力法是利用浮球檢測水位，用浮球連桿作用于開關(guān)而使監(jiān)控系統(tǒng)獲取水位信號。浮力重力法是用浮球檢測水位，用滑輪鋼絲繩牽動(dòng)的重砣作用于微動(dòng)開關(guān)而使監(jiān)控系統(tǒng)獲取水位信號。浮力磁力法是用浮球檢測水位，用安裝于浮球上的磁鐵作用于干簧管而使監(jiān)控系統(tǒng)獲取水位信號。由于上述方法存在設(shè)備投資較大，系統(tǒng)可靠性較差，設(shè)備維護(hù)修理不便且成本較高等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)本系統(tǒng)電路時(shí)不采用這些方法。本系統(tǒng)采用筆者最近研制成功的一種新型的水位信號探頭裝置檢測水位信號。使用這種水位信號探頭裝置不僅可克服上述的主要缺點(diǎn)，而且具有原理先進(jìn)、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、工作可靠和水位控制距離大等優(yōu)點(diǎn)。
3.4 簡化水閘曳引電動(dòng)機(jī)控制回路傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)控制回路較為復(fù)雜。它不僅將交流接觸器一些常開常閉輔助觸頭按一定的規(guī)律連接于其內(nèi)，而且還要將起動(dòng)按鈕和停止按鈕的常開和常閉觸頭連接于其內(nèi)。這不僅使電路復(fù)雜，而且使系統(tǒng)工作的可靠性降低。本系統(tǒng)雖在水閘曳引電動(dòng)機(jī)控制電路中使用交流接觸器，但僅使用其主觸頭，不使用其任何輔助觸頭，也不連接起動(dòng)和停止按鈕的觸頭，使此電路變得十分簡單，從而提高其工作的可靠性和穩(wěn)定性。
3.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控為避免水閘現(xiàn)場室外環(huán)境對本系統(tǒng)工作可靠性和穩(wěn)定性的影響，在水閘現(xiàn)場僅安裝簡單的水位信號探頭裝置、水閘曳引電動(dòng)機(jī)及其主電路，而將本系統(tǒng)由大部分電路組成的裝置安裝于離水閘現(xiàn)場較遠(yuǎn)的室內(nèi)，以提高系統(tǒng)的使用壽命、工作可靠性和穩(wěn)定性。
4 電路原理及分析
水閘曳引電動(dòng)機(jī)主電路及控制電路如圖2所示。邏輯控制電路的電源電路如圖3所示。本系統(tǒng)既可適應(yīng)于三相交流電源，也可適應(yīng)于單相交流電源。
以下分析本系統(tǒng)的工作情況。當(dāng)工作方式選擇開關(guān)置“自動(dòng)”位置時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光指示系統(tǒng)當(dāng)前處于自動(dòng)工作狀態(tài)。當(dāng)水庫泄水使庫內(nèi)水位降到所設(shè)定的低水位線時(shí)，水位探頭可檢測對應(yīng)此水位的一個(gè)低電平信號。此信號使蜂鳴器鳴叫，以提醒水庫管理人員注意。接著此信號經(jīng)一個(gè)非門后，使三極管導(dǎo)通，從而使發(fā)光二極管發(fā)光指示低水位狀態(tài)。然后這個(gè)信號又使三極管工作，繼電器J1常開觸點(diǎn)閉合，圖2中交流接觸器KM1線圈通電，KM1主觸點(diǎn)閉合，水閘曳引電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)水閘下降。當(dāng)水閘下降到完全關(guān)閉位置時(shí)，限位開關(guān)常開觸點(diǎn)閉合，使繼電器J1的常開觸點(diǎn)復(fù)位，交流接觸器KM1線圈失電，曳引電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，水閘關(guān)閉完畢。同理，當(dāng)水庫內(nèi)水位達(dá)到所設(shè)定的高水位，水庫需要泄水時(shí)，水位探頭可檢測一個(gè)低電平信號。這個(gè)信號可使圖2中繼電器J2的常開觸點(diǎn)閉合，使交流接觸器KM2的線圈得電，使水閘曳引電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)而開啟水閘。當(dāng)水閘開啟至所限位置時(shí)，限位開關(guān)常開觸點(diǎn)閉合，繼電器J2的常開觸點(diǎn)復(fù)位，交流接觸器KM2線圈失電，曳引電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，水閘開啟完畢。水閘開啟過程中，系統(tǒng)同樣具有狀態(tài)顯示和報(bào)警功能。當(dāng)系統(tǒng)工作方式選擇開關(guān)置“手動(dòng)”位置時(shí)，系統(tǒng)處于手動(dòng)工作狀態(tài)。此時(shí)，可手動(dòng)操作起動(dòng)按鈕和停止按鈕使水閘進(jìn)行開啟和關(guān)閉運(yùn)行。
5 電路裝置及運(yùn)行效果
筆者于1998年下半年將本水閘監(jiān)控系統(tǒng)制成了一種監(jiān)控器。此監(jiān)控器的面板布置 如圖4所示。面板上“↑↓”別表示系統(tǒng)處于手動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，使水閘上升和下降，它們分別由啟動(dòng)和停止按鈕控制。面板上設(shè)置高水位、低水位、自動(dòng)和電源指示燈，設(shè)置自動(dòng)手動(dòng)的扳把開關(guān)和控制電源的空氣開關(guān)。
筆者于1998年下半年將此監(jiān)控器安裝于水閘現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行。其結(jié)果表明，本系統(tǒng)監(jiān)控可靠，性能穩(wěn)定，能有效地發(fā)揮自動(dòng)檢測水位信號、自動(dòng)控制水閘曳引電動(dòng)機(jī)、自動(dòng)顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)和水位狀態(tài)以及自動(dòng)報(bào)警的功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)的基本要求。
6 結(jié)束語
本水閘自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)雖沒有采用可編程序監(jiān)控技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)，但本系統(tǒng)以它特有的功能解決了水庫水閘的監(jiān)控問題。尤其是本系統(tǒng)裝置的低成本價(jià)格優(yōu)勢，使這個(gè)系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用市場。
目前，大多數(shù)中小水庫的水閘開啟與關(guān)閉仍為手動(dòng)方式，這種方式的缺點(diǎn)是人為因素影響大。在突然大量降雨，尤其是發(fā)生洪水的前后，依靠手動(dòng)操作水庫水閘很難得到及時(shí)開啟和關(guān)閉。這不僅影響水庫堤壩的安全，而且大水過后因未能及時(shí)關(guān)閘而減少水庫的蓄水。設(shè)計(jì)本水閘自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，旨在實(shí)施水庫水閘自動(dòng)開啟和關(guān)閉的有效監(jiān)控，從而保障水庫堤壩安全和限度發(fā)揮水庫的蓄水功能。
2 設(shè)計(jì)的基本要求
本水閘自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)基于以下基本要求：
1）本系統(tǒng)應(yīng)可實(shí)施遠(yuǎn)距離監(jiān)控。在水閘現(xiàn)場安裝曳引電動(dòng)機(jī)和水位信號檢測探頭，在較遠(yuǎn)距離的室內(nèi)安裝監(jiān)控裝置。
2）本系統(tǒng)須具有以下4個(gè)功能：自動(dòng)檢測水位信號的功能，自動(dòng)控制水閘曳引電動(dòng)機(jī)的功能，自動(dòng)顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)及水位狀態(tài)的功能和自動(dòng)報(bào)警的功能。
3）本系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。
4）由本系統(tǒng)制造的裝置應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)久耐用、維修方便和造價(jià)較低。
5）本系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)三相交流電源，也適應(yīng)單相交流電源。
3 設(shè)計(jì)的基本思想
3.1 技術(shù)方案若從滿足本系統(tǒng)所具有的功能要求出發(fā)，則設(shè)計(jì)本系統(tǒng)有3種技術(shù)方案可供選擇。一是由數(shù)字電子電|考試大|路和模擬電子電路組成監(jiān)控電路；二是由可編程序控制器組成監(jiān)控電路；三是由微型計(jì)算機(jī)組成監(jiān)控電路。由于后兩者的設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對環(huán)境有一定的要求和購置設(shè)備的價(jià)格較高，因此，設(shè)計(jì)本系統(tǒng)電路時(shí)選定第一種技術(shù)方案。
3.2 電路組成為使本系統(tǒng)具有上述4個(gè)功能，本系統(tǒng)的電路應(yīng)包括以下幾個(gè)部分：水位信號檢測部分、邏輯控制部分、系統(tǒng)工作狀態(tài)和水位狀態(tài)顯示部分、報(bào)警部分、水閘曳引電動(dòng)機(jī)主電路和控制電路部分及直流電源部分。其電路組成方框圖如圖1所示。
3.3 水位信號檢測方法如何檢測水位信號，這是設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時(shí)需要重點(diǎn)解決的問題之一。目前，國內(nèi)檢測水位信號有3種方法，即浮力法、浮力重力法和浮力磁力法。浮力法是利用浮球檢測水位，用浮球連桿作用于開關(guān)而使監(jiān)控系統(tǒng)獲取水位信號。浮力重力法是用浮球檢測水位，用滑輪鋼絲繩牽動(dòng)的重砣作用于微動(dòng)開關(guān)而使監(jiān)控系統(tǒng)獲取水位信號。浮力磁力法是用浮球檢測水位，用安裝于浮球上的磁鐵作用于干簧管而使監(jiān)控系統(tǒng)獲取水位信號。由于上述方法存在設(shè)備投資較大，系統(tǒng)可靠性較差，設(shè)備維護(hù)修理不便且成本較高等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)本系統(tǒng)電路時(shí)不采用這些方法。本系統(tǒng)采用筆者最近研制成功的一種新型的水位信號探頭裝置檢測水位信號。使用這種水位信號探頭裝置不僅可克服上述的主要缺點(diǎn)，而且具有原理先進(jìn)、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、工作可靠和水位控制距離大等優(yōu)點(diǎn)。
3.4 簡化水閘曳引電動(dòng)機(jī)控制回路傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)控制回路較為復(fù)雜。它不僅將交流接觸器一些常開常閉輔助觸頭按一定的規(guī)律連接于其內(nèi)，而且還要將起動(dòng)按鈕和停止按鈕的常開和常閉觸頭連接于其內(nèi)。這不僅使電路復(fù)雜，而且使系統(tǒng)工作的可靠性降低。本系統(tǒng)雖在水閘曳引電動(dòng)機(jī)控制電路中使用交流接觸器，但僅使用其主觸頭，不使用其任何輔助觸頭，也不連接起動(dòng)和停止按鈕的觸頭，使此電路變得十分簡單，從而提高其工作的可靠性和穩(wěn)定性。
3.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控為避免水閘現(xiàn)場室外環(huán)境對本系統(tǒng)工作可靠性和穩(wěn)定性的影響，在水閘現(xiàn)場僅安裝簡單的水位信號探頭裝置、水閘曳引電動(dòng)機(jī)及其主電路，而將本系統(tǒng)由大部分電路組成的裝置安裝于離水閘現(xiàn)場較遠(yuǎn)的室內(nèi)，以提高系統(tǒng)的使用壽命、工作可靠性和穩(wěn)定性。
4 電路原理及分析
水閘曳引電動(dòng)機(jī)主電路及控制電路如圖2所示。邏輯控制電路的電源電路如圖3所示。本系統(tǒng)既可適應(yīng)于三相交流電源，也可適應(yīng)于單相交流電源。
以下分析本系統(tǒng)的工作情況。當(dāng)工作方式選擇開關(guān)置“自動(dòng)”位置時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光指示系統(tǒng)當(dāng)前處于自動(dòng)工作狀態(tài)。當(dāng)水庫泄水使庫內(nèi)水位降到所設(shè)定的低水位線時(shí)，水位探頭可檢測對應(yīng)此水位的一個(gè)低電平信號。此信號使蜂鳴器鳴叫，以提醒水庫管理人員注意。接著此信號經(jīng)一個(gè)非門后，使三極管導(dǎo)通，從而使發(fā)光二極管發(fā)光指示低水位狀態(tài)。然后這個(gè)信號又使三極管工作，繼電器J1常開觸點(diǎn)閉合，圖2中交流接觸器KM1線圈通電，KM1主觸點(diǎn)閉合，水閘曳引電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)水閘下降。當(dāng)水閘下降到完全關(guān)閉位置時(shí)，限位開關(guān)常開觸點(diǎn)閉合，使繼電器J1的常開觸點(diǎn)復(fù)位，交流接觸器KM1線圈失電，曳引電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，水閘關(guān)閉完畢。同理，當(dāng)水庫內(nèi)水位達(dá)到所設(shè)定的高水位，水庫需要泄水時(shí)，水位探頭可檢測一個(gè)低電平信號。這個(gè)信號可使圖2中繼電器J2的常開觸點(diǎn)閉合，使交流接觸器KM2的線圈得電，使水閘曳引電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)而開啟水閘。當(dāng)水閘開啟至所限位置時(shí)，限位開關(guān)常開觸點(diǎn)閉合，繼電器J2的常開觸點(diǎn)復(fù)位，交流接觸器KM2線圈失電，曳引電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，水閘開啟完畢。水閘開啟過程中，系統(tǒng)同樣具有狀態(tài)顯示和報(bào)警功能。當(dāng)系統(tǒng)工作方式選擇開關(guān)置“手動(dòng)”位置時(shí)，系統(tǒng)處于手動(dòng)工作狀態(tài)。此時(shí)，可手動(dòng)操作起動(dòng)按鈕和停止按鈕使水閘進(jìn)行開啟和關(guān)閉運(yùn)行。
5 電路裝置及運(yùn)行效果
筆者于1998年下半年將本水閘監(jiān)控系統(tǒng)制成了一種監(jiān)控器。此監(jiān)控器的面板布置 如圖4所示。面板上“↑↓”別表示系統(tǒng)處于手動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，使水閘上升和下降，它們分別由啟動(dòng)和停止按鈕控制。面板上設(shè)置高水位、低水位、自動(dòng)和電源指示燈，設(shè)置自動(dòng)手動(dòng)的扳把開關(guān)和控制電源的空氣開關(guān)。
筆者于1998年下半年將此監(jiān)控器安裝于水閘現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行。其結(jié)果表明，本系統(tǒng)監(jiān)控可靠，性能穩(wěn)定，能有效地發(fā)揮自動(dòng)檢測水位信號、自動(dòng)控制水閘曳引電動(dòng)機(jī)、自動(dòng)顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)和水位狀態(tài)以及自動(dòng)報(bào)警的功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)的基本要求。
6 結(jié)束語
本水閘自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)雖沒有采用可編程序監(jiān)控技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)，但本系統(tǒng)以它特有的功能解決了水庫水閘的監(jiān)控問題。尤其是本系統(tǒng)裝置的低成本價(jià)格優(yōu)勢，使這個(gè)系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用市場。