【摘要】本文着重研究了以单片机为核心，对中、小水电站的闸门系统实现自动控制的方法，并对闸门控制系统的硬件和软件进行了设计。该控制系统具备对闸门及拦污栅运行状态的监视能力和对闸门快速平稳启闭的控制能力，并给出了提高闸门控制系统抗干扰能力的软、硬件措施。
【关键词】机械设计,闸门控制系统,单片机,抗干扰
1.综述
我国小水电资源十分丰富，发展经济实用的小水电自动化技术很有必要，但是中、小水电站运行的可靠性需要得到保障。因此，进行中、小水电站闸门控制系统的自动化研究就有很大的实际意义。
2.闸门控制系统的功能和结构
2.1 系统体系结构的选择
中小水电站的闸门控制系统作为水力发电机组的后备保护设备，要求其动作可靠、迅速。因此其监控系统应具有良好的通讯网络、控制算法和灵敏的感应元件。针对以上要求，闸门控制系统宜纳入水电厂管理控制系统的三层结构、两层网络的管控一体化总线型结构体系。这样的体系结构实现了负责底层生产控制和管理的现场总线系统与上层的决策管理系统的结合，保证了控制与管理的相互渗透与相互沟通。
2.2 微型计算机的选择
闸门控制系统所处环境十分恶劣，系统选用何种微机控制器就显尤为重要。单片机将CPU、ROM、RAM、寄存器阵列、模拟和数字输入输出接口、定时器、计数器都集成在一块芯片上，应用开发在各个工程应用领域，综上以单片机作为闸门控制系统的核心控制部件是必要而可行的。
2.3 闸门控制系统的功能
为了可靠完成闸门的启闭，其控制系统应具备以下功能：闸门控制功能、闸门运行参数及状态信号的采集和处理、闸门控制系统的计算判断功能、闸门控制系统的保护功能、人机联系功能、通信功能。
2.4 系统总体结构图
闸门控制系统的总体结构图如图2-1所示。
图2-1 闸门控制系统总体结构图
3.PID控制算法
3.1 离散PID控制算法的推导
系统是采样控制系统，其控制器是数字控制器，所采用的算法应当是离散PID控制算法。
在模拟控制系统中，PID控制算法的表达式为：
(3-1)
将式(3-1)离散化，并写成差分方程形式：
(3-2)
令KI为积分系数：
KD为微分系数：
式(3-2)变为：
(3-3)
上式即是位置式PID控制算法的表达式。采用增量式PID控制算法。考虑第k-1次采样时刻有：
(3-4)
用(3-3)减去(3-4)，并化简得：
(3-5)
式(3-5)即为增量式PID控制算法的表达式，累加误差对控制量计算结果的影响小，而且容易通过加权处理来获得较好的控制效果。
3.2 PID数字控制器的参数整定
扩充临界比例度法整定T、Kp、Ti和Td的步骤如下：
(1)选择一个合适的采样周期T，控制器作纯比例控制;
(2)调整Kp的值，使系统出现临界振荡，记下临界振荡周期Ts和临界振荡增益Ks;
(3)选择合适的控制度。控制度是指数字控制器的控制效果与模拟控制器的控制效果相比较的评价指标。通常用下式表示。
控制度= (3-9)
通常，控制度为1.05时，数字控制器和模拟控制器的控制效果相当。当控制度为2.0时，数字控制器比模拟控制器的控制质量差一倍。
4.闸门控制系统的传感器
4.1 闸门开度仪
闸门开度仪包括闸位传感器和闸位显示仪表。闸位传感器安装在闸室内卷扬机被动轮轴端，采用齿轮传动。闸位传感器采ROQ425绝对型光电编码器，安装于钢丝绳收紧器GPS500内，GPS500装在启闭机闸门上方，钢丝绳活动端直接连接闸门。采用这种钢丝绳收紧器，直接测量闸门开度，精度比较高。
4.2 超声波水位仪的工作原理及安装要求
安装传感器时，应使传感器发出的声波垂直于被测物体，使传感器能接收到较多的物体反射回来的声波，使测量更精确。在被测物体与传感器之间不能存在任何物体。其次，水面波动会对采集精度产生影响，可采用数字滤波以及加装导管的方法加以抑制。另外，为防止电磁干扰，传感器到控制表之间的传输线务必使用屏蔽电缆。
5.闸门控制系统硬件设计
5.1 闸门开度控制回路通道设计
在单片机控制系统中，I/O通道是连接单片机和控制对象的重要组成部分。I/O通道的主要任务是将检测单元采集的数据转化为单片机可以接收的信息形式送入单片机。单片机按某种算法计算后，将计算结果以数字量或转化为模拟量输出，以控制执行机构动作。I/O通道起到CPU和被控对象之间的信息传送和变换的桥梁作用。I /O通道可分为模拟量输入、输出通道、数字量输入、输出通道。
图5-1 闸门开度控制回路通道逻辑框图
图6-1 主程序流程图
5.2 状态显示及异常报警通道设计
闸门控制系统除了能控制闸门的启闭以外，还能采集闸前水位信息，反映拦污栅阻塞信息。为了保证闸门动作的可靠性，又设置了异常报警通道。本次设计中，状态显示及异常报警功能涉及模拟量输入11路，开关量输入3路，开关量输出22路。
5.3 人机联系界面设计
闸门控制系统除了在中控室集中控制部分设有人机联系界面以外，还应在现地控制单元设立操作控制平台，以便于操作人员通过显示屏了解闸门运行状况，并在必要时通过按钮进行人工干预。 5.4 通信接口设计
在闸门控制系统中，单片机需要从闸门开度仪获取闸门实际开度信息，需要从上位机获取闸门开度设定值。当闸门运行出现异常时，单片机还应当将异常信号上传给上位机。因为现地控制单元离中控室上位机比较远，所以采用RS-485通讯协议。又因为8031的串行口采用TTL电平，而RS-485采用±12V电平，所以它们之间的连接需要经过接口进行电平转换。 RS-485是一种基于差分信号传送的串行通讯链路层协议，它解决了RS-232协议传输距离太近(15m)的缺陷，是工业上广泛采用的较长距离数据通讯链路层协议。
6.闸门控制系统软件设计
6.1 主程序设计
主程序模块流程图如图6-1所示。闸门控制系统上电以后首先执行初始化和自检。初始化包括标志位和变量的初始化、中断初始化、接口芯片初始化、各程序模块的初始化。自检包括对ROM、RAM和显示装置的检查。
6.2 数据采集模块程序设计
闸门控制系统的数据采集主要包括对拦污栅栅前、栅后水位的数据采集，对闸门位置的数据采集，对启门电机的定子电压、定子电流、定子线圈的温度的数据采集。数据采集模块按所采集的数据性质不同可分为模拟量数据采集程序和开关量数据采集程序。
6.3 控制模块程序设计
闸门控制系统的控制程序模块主要实现闸门的启闭操作。同时，在闸门动作时，控制程序模块还要对闸门的运行状况进行监视，一旦闸门动作出现异常状况，控制程序应当采取相应措施处理并上报上位机。
7.闸门控制系统抗干扰措施
抗干扰的硬件措施：
(1)电源的抗干扰措施
由电源供电线路引入的干扰和电源自身产生的干扰是计算机控制系统的主要干扰源。电源部分应尽可能靠近电源引进口。供电系统的配线应尽量采用粗导线。电源后面的一段布线，应采用扭绞线，扭绞螺距要小。如果导线太粗，无法扭绞，应使布线距离缩到最小。交流线(指低通滤波器到稳压电源的连线)、直流稳压电源线、逻辑信号线、模拟信号线、继电器等感性负载的驱动线、非稳压的直流线均应分开布线。
(2)开关量输入/输出抗干扰
开关量输入信号可以采用软件重复检测的方法抗干扰。两次检测相隔一段时间。如果两次检测结果相同，则认为取得了真正的开关信号，否则继续等待。
开关量输出的软件抗干扰主要采用重复输出的办法。在条件允许的情况下，输出周期尽可能短，这样能及时防止误动作。
8.结论
本系统针对闸门控制系统的运行特点，采取改进的PID控制算法，保证了闸门快速平稳运行。采用单片机作为CPU，充分利用了单片机体积小、抗干扰能力强的优点，保证了闸门控制系统的可靠性及经济性要求。恰当使用了一些新型传感器，传感器作为监控系统与被控对象接触的底层元件，有着异常重要的作用。闸门控制系统采用了三层结构、两层网络的管控一体化结构，提高了系统的可靠性同时方便了水电厂的运营管理。采用了现场工业总线，提高了现场设备的互操作性、可扩展性和运行的灵活性。介绍了一些传统的抗干扰措施，而且阐述并使用了一些抗干扰的新技术。
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作者简介：李云阳(1981―)，男，工学硕士，讲师，研究方向：自动控制。
