灌区水闸自动化控制设计需要注意哪些内容
灌区水闸自动化控制升级改造作为灌区信息化建设的重要环节，不仅能大幅增强灌区日常运营的效能，提升整体管理水平，而且对于推进农业水价制度改革具有深远影响。据水利部2024年统计，全国已有超60%的大型灌区启动水闸PLC智能化改造，标志着水闸管理正式迈入“数字闸站”时代。为实现灌区水闸全流程自动化管理，减少人力干预，提高工作效率，确保水闸在无人或少人值守状态下仍能安全、稳定、高效地运行，推进水闸自动化控制升级改造是十分必要的。本文将从设计人员的角度，阐述灌区水闸自动化控制设计的设计原则、设计概述以及主要设计内容。
为确保闸站综合管理系统具备高安全性、高可靠性、高稳定性及兼顾后期信息化系统建立提供良好的兼容性，提高闸门自动化的可持续性发展，我们在对闸门进行自动化控制设计时应遵循如下原则：
可靠性原则：采用工业级硬件设备（如PLC、冗余传感器）和容错架构，确保在恶劣环境（潮湿、雷电、电磁干扰）下稳定运行；关键节点设置双重供电（市电+太阳能）和离线应急操作模式，确保极端情况下闸门可手动控制。
精准调控原则：集成多源数据构建闭环控制系统，实现±1cm水位控制精度。
分层控制架构：构建"现地控制层-区域监控层-中央调度层"三级体系。
高可靠性、可用性原则：考虑系统的长期运行和容错能力，满足多种衡量指标。
高安全原则：从多维度确保系统安全，遵循国家和国际安全标准。
可持续性原则：支持系统升级和业务扩展，具有良好的用户体验和兼容性。
易维护性原则：支持远程维护和自动状态感知，便于管理员操作。
传统电动闸门的升降，往往在简易电力箱内采用开关按钮直控接触器的方式，无法对闸门的开启高度进行测量，也不能判断闸门板当前的运行状态，更不具有计算机化控制及远程控制接口，此类闸门的控制手段无法做到精确的闸门板定位，由于闸门底部淤泥等情况复杂，易造成螺杆顶弯变形，甚至破坏启闭机，不能继续工作，影响水利系统的业务运行。因此我们需要对闸门进行自动化升级改造，而在实际工程中，闸门自动化启闭改造工程主要分为两大类。一类是闸控自动化启闭控制系统，也就是我们常说的LCU柜控制系统，其主要手段是通过PLC系统控制闸门的启闭机从而达到自动化控制的效果。
在闸门设计时选择该控制系统主要具备的条件有：闸门或新建闸门上配有启闭机房且启闭机房较为完整，具有设置自动化启闭设备的条件，有稳定供电设施。另一类是一体化智能闸门（集成式闸控装置），也就是我们常说的一体化闸门，在其装置内部内置了启闭机和控制系统，在设计时其选择对象主要为没有配备启闭机房的水闸和斗门闸。
（图为一体化测控闸门）
我们在设计的过程中，一般不考虑其内部PLC编程控制原理，只对系统功能提出具体要求。在实际应用过程中，闸门启闭机LCU控制柜应当具备以下功能：操作方式方面，闸门启闭机自动化系统既可手动实现闸门控制，也可实现与分控中心进行网络数据通信，接收控制指令，对现地控制单元发出启闭信号并通过传感器接收闸门现场信息，向分控中心反馈闸门现场运行工况、故障信号等信息。
系统控制方面，控制系统内部通信统一采用Modbus通信协议进行消息传递，PLC设备作为Modbus协议主设备，对触摸屏及各类传感器进行主从通信，获取传感器反馈信息以为做闭环控制的输入量，形成闸门自我调节的闭环控制系统。供配电系统方面，相较于一体化闸门，LCU柜控制的闸门启闭功率较大，启闭一次的功率一般在0.2~0.4kw之间，采用太阳能供电很难满足供电要求，因此实际工作中我们只考虑市电作为供电方式，而且根据相关规范要求，还需要配备UPS不间断电源作为备用电源。网络传输方面，既可以采用光纤、也可以采用4G通信，但是由于闸门控制系统作为灌区控制系统的重要环节，若将其上传至公网有一定的安全风险，因此实际工作中应尽可能采用光纤传输。防雷接地方面，根据规范要求监测中心站防雷电阻应小于4Ω，由于启闭机房在设计时会考虑设置防雷地网，因此在LCU柜安装时可以考虑将柜子底部通过镀锌扁铁引至启闭机房本身的防雷地网，从而满足设计要求。一体化闸门主要应用灌区斗口及未配有启闭机房的水闸上，一体化闸门系统组成由闸体、闸门综合控制器、供电系统、量水系统、直流电机、减速器、编码器、手动摇柄、操作台组成。操作方式方面：本地控制，远程控制，电气控制，机械控制。其中本地控制与远程控制不能同时进行控制，电气控制与机械控制为应急控制方式。
系统控制方面，闸门控制器集成了MCU控制模块、电机驱动模块、传感器信息处理模块、触摸屏模块、通信模块等。主要负责分析各类采集信号包括螺杆编码器、水流量、电机感应电流、蓄电池电压等，通过内部算法来综合控制闸门闭环控制及人机交互信息处理，提高闸门运行安全及管理效率。供配电系统方面，既可以采用太阳能供电，也可以采用市电供电。当站点附近有配电箱时，我们可以考虑将电缆引至配电箱进行市电供电；若附近没有配电箱，我们则可以考虑太阳能供电。网络传输方面，由于采用一体化闸门的斗口重要性并不高，采用光纤传输成本较高，实际情况中我们通常采用4G物联网卡构建VPN专线内网，从而达到远程控制的目的。防雷接地方面，由于一体化闸门大多处于户外，根据规范要求监测站电防雷电阻应小于10Ω，为达到这一要求，可以考虑采用由4根尺寸为50mm×50mm×5mm、长度为9m的接地防雷扁钢组成防雷接地系统。在闸门设计时，为了使闸控自动化系统更加智能，提高灌区管理效率，我们还需要在闸门上下游设置一些配套设施。设置位移传感器或闸门开度仪：精准反映闸门的开度情况，确保闸门按照管理人员的想法进行精准调度。设置荷重传感器：实时监测闸门启闭机的荷载情况，当闸门形变量超过预定荷载值时报警，防止闸门螺杆因受力过大发生弯折。设置视频监控：可以远程查看闸门上下游的渠道流量以及闸门的启闭状态。设置流量计与闸控系统进行联合编程：可以根据上下游来水流量自动启闭闸门，从而达到调节流量、控制水位的目的。
