自动控制系统在橡胶坝中的应用
1.1 引言
抚顺高阳橡胶坝位于辽宁省浑河抚顺城区下游段沈阳与抚顺交界处200m。橡胶坝是用高分子合成材料，按要求的尺寸、锚固于河床底板上形成封闭状、用水(气)充胀后形成的挡水坝。不需挡水时，放空坝袋内的水(气)，就可恢复原有河渠的过水断面。橡胶坝可用于防洪、灌溉、发电、供水、航运、挡潮及城市园林美化，也可用于活动围堰、渠系临时挡水工程等。 抚顺高阳橡胶坝担负着当地拦河蓄水、泄洪等重要任务。计算机自动化监控系统是工程正常运行管理和安全渡汛的一个重要保障措施。本自动化监控系统充分利用计算机技术、现场总线技术、网络技术、自动控制技术等高端技术进行橡胶坝的自动化监控，提升了橡胶坝状态监视，运行控制，日常管理的现代化水平，同时也为今后实现跨地区分布式网络化多媒体远程监控打下了基础。抚顺橡胶坝自动化控制系统的开发能够提高橡胶坝的现代化管理水平,具有很强的经济和社会意义。
2自动控制系统的整体结构
橡胶坝控制系统的基本结构可分为四部分，第一部分是由计算机和实时监控软件组成的上位机监控管理系统，第二部分是由单片机、软件及其外围部件组成的下位机控制系统，第三部分是以橡胶坝坝袋本体为主、及各种电动蝶阀、风机等组成的外围设备系统。第四部分是以Rs一485总线为基础的上位机和下位机通信系统。
上位机控制系统由一台工业控制计算机组成，其上的实时监控软件主要是实现控制系统的参数设置、工作状况显示、运行控制、数据统计和历史记录查询等功能，它实时接收各下位机采集的压力等运行数据，记录各个坝袋的运行情况，全面监控橡胶坝控制系统的整体运行情况。
下位机控制系统是由单片机、软件及其外围部件组成的单个阀门控制器或者风机控制器，通过采集各种所需要的信息，单片机根据设定的程序控制阀门和风机，进而达到控制橡胶坝运行的目的。
图2-1 高阳橡胶坝控制图
3自动控制系统的原理
自动控制系统控制采用压力组态自动控制，由各坝段设置的压力变送器，将坝袋内的气压检测值检测变送为电流信号，送入数字显示仪表，经线性修正、A/D转换为数值信号后，送入现场信号总线。上位控制计算机接收到检测信号后，按照设定的软件流程进行数值处理，对坝袋的充、排气进行自动控制，使得坝体运行在安全可靠和最佳状态。系统对各种运行状态采用声、光指示，对非正常运行状态进行声、光报警。系统控制原理框图如图一所示。
考虑高阳橡胶坝控制系统的软硬件结合的一致性，自动控制软件部份采用昆仑通态集团的MCGS嵌入版组态软件开发，硬件采用该集团的基于WINCE.NET的nTouch系列嵌入式HMI（人机界面），便于未来系统扩充联网，以Web浏览的方式向上级中心站进行数据发布。
4自动控制系统的功能实现
4.1充气阀和风机的控制
(1) 现地控制：现场操作人员能通过一组切换开关实现人工控制方式与自动控制方式的转换。在人工控制方式下，现场操作人员可按原有方式启闭充气阀，其动作相关信息将接受上级部门的实时监控。在自动方式下可以进行远程控制。人工和自动控制方式也可通过远程监控系统切换。
(2) 远程控制：根据各级用户通过网络发给现场测控单元(plc)的指令，充气阀可自动开启或关闭，充、排气风机自动启动或者停止，其动作由各级用户根据权限控制。
(3) 充气阀启闭及风机启动告警：在充气阀将要启闭以及启闭过程当中，相应装置发出告警提示，以提醒在现场的工作人员注意。
(4) 限位保护：在充气阀启闭装置设置的最上限值和最下限值，当坝袋内气压值不在这两个气压值之间，切断电源，以避免超出运行范围。
(5) 相序保护：在供电线路里面应串有相序保护器，避免由于三相电源相序混乱所造成的充气阀的不正常运转。
(6) 过载保护：每个充气阀的控制电路里面必须配有热过载继电器，根据不同电机功率要求其有不同的设定值，当电机发生过载或是其他故障时，此继电器将能自动切断的供电电源，以免烧毁电机。
(2) 远程控制：根据各级用户通过网络发给现场测控单元(plc)的指令，充气阀可自动开启或关闭，充、排气风机自动启动或者停止，其动作由各级用户根据权限控制。
(3) 充气阀启闭及风机启动告警：在充气阀将要启闭以及启闭过程当中，相应装置发出告警提示，以提醒在现场的工作人员注意。
(4) 限位保护：在充气阀启闭装置设置的最上限值和最下限值，当坝袋内气压值不在这两个气压值之间，切断电源，以避免超出运行范围。
(5) 相序保护：在供电线路里面应串有相序保护器，避免由于三相电源相序混乱所造成的充气阀的不正常运转。
(6) 过载保护：每个充气阀的控制电路里面必须配有热过载继电器，根据不同电机功率要求其有不同的设定值，当电机发生过载或是其他故障时，此继电器将能自动切断的供电电源，以免烧毁电机。
4.2数据检测
实时监测数据应包括：坝前水位、坝后水位、坝袋内气压值、有关操作按钮或开关状态、闸门启闭机电源电压、电流等。
(1) 水位监测：在橡胶坝坝袋前后都要按水位观测要求安装水位传感器，以便实时监测坝袋前后的实时水位信息。
(2) 坝袋气压监测：在橡胶坝坝袋内安装压力变位器，可以通过压力表实时观测坝袋内的压力值，以控制坝袋的充、排气流程。
(3) 电流、电压监测：在供电线路里面还要配置多功能电表，用以实时监测三相电源的电流和电压，为启闭机的启闭操作提供参考数据。
(4) 环境监测：在发电机室中装有温湿度等传感器，用以实时监测机房中的工作环境
(5) 状态监测：包括进出充气阀信号灯状态、动力和控制电源状态、有关操作按钮或开关状态等。
4.3充排气控制流程
(1) 水位监测：在橡胶坝坝袋前后都要按水位观测要求安装水位传感器，以便实时监测坝袋前后的实时水位信息。
(2) 坝袋气压监测：在橡胶坝坝袋内安装压力变位器，可以通过压力表实时观测坝袋内的压力值，以控制坝袋的充、排气流程。
(3) 电流、电压监测：在供电线路里面还要配置多功能电表，用以实时监测三相电源的电流和电压，为启闭机的启闭操作提供参考数据。
(4) 环境监测：在发电机室中装有温湿度等传感器，用以实时监测机房中的工作环境
(5) 状态监测：包括进出充气阀信号灯状态、动力和控制电源状态、有关操作按钮或开关状态等。
4.3充排气控制流程
橡胶坝充、排气的运行控制是通过对负责充(或排)气的风机电机的启停控制以及配合相应管路上的电动蝶阀的启闭来实现的。现以高阳橡胶坝的充气控制为例进行胶坝充气模拟自动控制原理说明：
具体请参考橡胶坝充气流程图图3-1
结合以上的流程图可得到橡胶坝充气的一般步骤：
(1)系统确定蝶阀控制柜、风机控制柜的手动／自动旋钮处于自动位置，此时，上位机橡胶坝坝袋充排气自动控制程序启动；
(2)上位机坝袋充排气自动控制程序通过压力数显仪表及坝袋内安装的压力变位器检测坝袋内的压力值。
(3)开启选定的充气阀
2001 (4)开启风机，使气体充入坝袋内
(5)通过压力变送器检测坝袋内的压力值，当大于预设的上限压力值，关闭风机。
橡胶坝排气流程与充气流程正好相反，只不过排气流程，是要判断坝袋是否是常压。具体流程请看橡胶坝排气流程图3-2。而补气流程主要是看坝袋内气压低于最下限气压值时，进行补气流程，具体流程请看橡胶坝补气流程图3-3。
5视频监控控制系统
5.1系统组成结构
电视监控系统控制中心设在橡胶坝控制间，本监控中心是整个闭路电视监控系统操作、维护、管理的中心。所有设备与自动控制台组合一体，监控中心配置如下设备：
（1）云台控制机；
（2）四画面分割显示系统；
（3）液晶图像显示系统；
电视监控系统的前端部分主要为摄像机和传输系统，主要包括如下设备：
（1）两套枪式全方位摄像机（位于橡胶坝两岸的）；
（2）八套红外投射器；
（3）视频电缆穿管敷设进行数据传输。
（4）一套枪式固定摄像机系统（设备间）。
（5）一套快球式摄像机系统（控制室楼前）。
前端各摄像机信号进入四画面分割器中，四画面分割器的视频输出信号再接入液晶监视器的Video输入端，这样，通过画面控制切换，即可在液晶显示器上显示出单幅或多幅画面，并可通过云台控制器对前端全方位摄像系统进行控制。
其中橡胶坝两岸的全方位摄像机主要用于观察坝袋运行安全，考虑夜间使用，坝墩上间隔设置八台红外投射器，这样即使光线很暗的情况下也能清楚的看到橡胶坝的运行状态。
5.2视频监控系统功能的实现
（1）视频切换
通过画面分割器进行四画面或单画面进行分组编程。
（2）控制功能
通过云台控制器对镜头及云台进行控制。
（3）附属控制
室外云台配备雨刷、风扇及加热除霜设备。由云台控制器在操作台上进行手动控制。
（4）图像远传接口。
参考文献
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[5]韩瑞光.橡胶坝的发展前景[J].海河水利:1995(1):55-56
[6]尹秦安.橡胶坝的发展趋势[J].陕西水利水电技术:2005(87):42-44
[6]刘兴发.浅谈橡胶坝的运行与维护[J].水利科技与经济:2007(13):18-19
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