【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實現自動控制的方法，并對閘門控制系統的硬件和軟件進行了設計。該控制系統具備對閘門及攔污柵運行狀態的監視能力和對閘門快速平穩啟閉的控制能力，并給出了提高閘門控制系統抗干擾能力的軟、硬件措施。

　　【關鍵詞】機械設計,閘門控制系統,單片機,抗干擾

　　1.綜述

　　我國小水電資源十分豐富，發展經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的自動化研究就有很大的實際意義。

　　2.閘門控制系統的功能和結構

　　2.1 系統體系結構的選擇

　　中小水電站的閘門控制系統作為水力發電機組的后備保護設備，要求其動作可靠、迅速。因此其監控系統應具有良好的通訊網絡、控制算法和靈敏的感應元件。針對以上要求，閘門控制系統宜納入水電廠管理控制系統的三層結構、兩層網絡的管控一體化總線型結構體系。這樣的體系結構實現了負責底層生產控制和管理的現場總線系統與上層的決策管理系統的結合，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

　　閘門控制系統所處環境十分惡劣，系統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、模擬和數字輸入輸出接口、定時器、計數器都集成在一塊芯片上，應用開發在各個工程應用領域，綜上以單片機作為閘門控制系統的核心控制部件是必要而可行的。

　　2.3 閘門控制系統的功能

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

　　2.4 系統總體結構圖

　　閘門控制系統的總體結構圖如圖2-1所示。

　　圖2-1 閘門控制系統總體結構圖

　　3.PID控制算法

　　3.1 離散PID控制算法的推導

　　系統是采樣控制系統，其控制器是數字控制器，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：

　　KD為微分系數：

　　式(3-2)變為：

　　(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數字控制器的參數整定

　　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)調整Kp的值，使系統出現臨界振蕩，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，數字控制器比模擬控制器的控制質量差一倍。

　　4.閘門控制系統的傳感器

　　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，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生影響，可采用數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據轉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，將計算結果以數字量或轉化為模擬量輸出，以控制執行機構動作。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 狀態顯示及異常報警通道設計

　　閘門控制系統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 人機聯系界面設計

　　閘門控制系統除了在中控室集中控制部分設有人機聯系界面以外，還應在現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。當閘門運行出現異常時，單片機還應當將異常信號上傳給上位機。因為現地控制單元離中控室上位機比較遠，所以采用RS-485通訊協議。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過接口進行電平轉換。 RS-485是一種基于差分信號傳送的串行通訊鏈路層協議，它解決了RS-232協議傳輸距離太近(15m)的缺陷，是工業上廣泛采用的較長距離數據通訊鏈路層協議。

　　6.閘門控制系統軟件設計

　　6.1 主程序設計

　　主程序模塊流程圖如圖6-1所示。閘門控制系統上電以后首先執行初始化和自檢。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 數據采集模塊程序設計

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

　　6.3 控制模塊程序設計

　　閘門控制系統的控制程序模塊主要實現閘門的啟閉操作。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視，一旦閘門動作出現異常狀況，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生的干擾是計算機控制系統的主要干擾源。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(指低通濾波器到穩壓電源的連線)、直流穩壓電源線、邏輯信號線、模擬信號線、繼電器等感性負載的驅動線、非穩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。如果兩次檢測結果相同，則認為取得了真正的開關信號，否則繼續等待。

　　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.結論

　　本系統針對閘門控制系統的運行特點，采取改進的PID控制算法，保證了閘門快速平穩運行。采用單片機作為CPU，充分利用了單片機體積小、抗干擾能力強的優點，保證了閘門控制系統的可靠性及經濟性要求。恰當使用了一些新型傳感器，傳感器作為監控系統與被控對象接觸的底層元件，有著異常重要的作用。閘門控制系統采用了三層結構、兩層網絡的管控一體化結構，提高了系統的可靠性同時方便了水電廠的運營管理。采用了現場工業總線，提高了現場設備的互操作性、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。