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水利工程管理技术

水闸自动化监控系统

一、水闸自动化监控系统

随着国民经济的发展与科学技术的进步，对水闸实行自动化监控，是现代化水利工程管理科学

化的必然趋势。水闸的自动化监控是建立在现代通信技术、自动化控制技术、计算机技术、自动控

制设备及现代量测技术基础上的。被控制的闸门型式主要是平板门、弧型门与人字门，闸门的启闭

机械有卷扬式启闭机、液压式启闭机与螺杆式启闭机。

水闸自动化监控系统作为我国水利信息化建设的基本内容，正在逐步被推广应用，新建的水闸

或现行闸门的除险加固工程一般都要求包括水闸自动化管理部分。

随着信息技术的不断发展，水闸自动化监控也被注入新的内容，主要表现在:采用 GPS/GIS/RS

技术，实现水利的“3S”化，从 C/S 体系转向 B/S 体系，实现多媒体化等。

二、自动化监控系统构成与工作原理

水闸自动化监控系统主要由中心监控室与现场测控站组成，见图6-6 所示。中心监控室也称测

控调度中心，一般设在水闸管理处(所)内，由测控计算机、网络设备、及其他计算机设备等组成；

现场测控站是水闸(或闸群、多孔水闸)监控系统的主要信息源及命令执行者，其主要任务是根据中

心监控室的遥测查询指令，自动采集本站点的水情或工情数据，并发送给控制中心，或根据控制中

心调度指令控制闸门运行。现场测控站一般设在启闭机房内，由各类传感器、通信设备、主控设备

(如 PLC、人机界面 HMI)、中间继电器、电机保护及配电设备等构成。

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水利工程管理技术

图 6-6 闸门控制系统硬件结构图

从图 6-6 中还可看出，水闸自动化控制系统中水位、闸位、闸门启闭电流与电压以及荷重的监

测大都采用各类传感器。传感器的作用与功能主要是 :测量与数据的采集、检测与控制、诊断与监

测以及辅助观测等，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制要求。

下面对水闸自动化监控系统中采用的各类传感器与监测设备分别进行介绍。

(一)现场水位监测系统简介

水闸的水位监测主要是将上、下游水位，通过传感器(压力式传感器或浮子码盘式传感计)将探

出的现地水位变化物理量转换为电信号(压力传感器转换为 4～20MA，码盘传感计转换为葛莱码串行

脉冲信号)后，经传输线将水位信号，送入水位测量仪进行电平隔离，A/D 转换，由微处理机进行数

据处理后分别送至各显示器显示，并根据各预置数值输出控制信号。

从图 6-7 中可以看出，由水位传感器探出的水闸上、下游水位的变化量由现地水位变送器将测

出的水位模拟信号，经 A/D 转换为数字信号后送入微处理器，经数据处理后输出的信号，可以在水

位监测仪上直观地显示出水位数值，也可将信号输入到计算机内进行管理，对水位数据进行存储、

查询、水位报表打印、人为设置水位报警信号等。

图 6-7 水位监测系统工作原理框图

水位传感器的种类比较多，目前常用的有浮子式水位传感器和压力式水位传感器两种。浮子式

水位传感器又有接触编码和光电编码等多种形式。

1.浮子式水位传感器

浮子式水位传感器由浮子、平衡重锤、绳索、水位轮及编码器等主要部件组成，如图 6-8 所示。

浮子随水位变化作上下运动，并经绳索带动水位轮产生圆周运动，即将直线位移量转换为角位移量。

水位轮带动同轴的角编码器产生数字编码输出。

机械编码器由码盘和开关等部件组成，码盘上按码制规则形成导电和绝缘码区，码盘结构也可

多样。编码器码轮位数决定其可测量的水位变幅(例如：10 位码轮相应可测的水位变幅为 1024cm)。

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水利工程管理技术

下闸位传感器，荷重传感器，电流、电压传感器与闸门电器控制部件的作用及工作原理。

1.闸位传感器

闸位传感器又称闸门开度传感器(其原理很大程度上与水位传感器相似)或闸位计，闸门开度传

感器是将传感器接收到的闸门开、关行程信息，经放大处理后能使水闸管理人员通过显示屏，直观

地观察到闸门的实时高度。闸门开度传感器可根据输出信号的类型不同，分为模拟式和数字式闸门

开度传感器。几种常用闸位传感器如下：

(1)模拟式闸门开度传感器

早期的模拟式闸门开度传感器一般以精密线绕多圈电位器作为传感器件，将闸门启闭机滚筒的

转动通过传动装置引至电位器的旋转轴，在闸门启闭的过程中，电位器旋转轴跟着转动，使得电位

器的动臂与某一固定臂之间的阻值随着闸门的升降而变化。当在电位器的两固定臂施加一电压时，

即可从动臂取走一电位值。这种传感器的优点是结构简单、成本低。其不足是电信号有一定的温度

漂移，精度不高数字式闸门开度传感器又分为计数式和直接编码式两种。计数式传感器的工作原理

是对闸门启闭机某一转动轴的角位移通过计数脉冲进行计数。记录脉冲可由光电器件、干簧管或霍

尔器件产生。霍尔式闸位、限位传感器现场安装详见图 6-10 中箭头所示。这种传感器数据的记录

过程和保存都需要有电源支持，一般备有可以浮充电的电池，其输出的数据格式可以是二进制、BCD

码或格雷码。这种传感器的使用可靠性主要取决于充电电池，一旦电池失效则该传感器中的数据将

全部丢失，故这种计数式闸门开度传感器应用较少。

图 6-10 霍尔式闸门开度、限位传感器安装示意图

(2)直接编码式闸门开度传感器

直接编码式闸门开度传感器是将启闭机某一转动轴的角位移通过码盘、微动开关、光电器件或

黑白条码直接按某一码制进行编码输出，它的数据不需要借助于电源来记录和保存，它的可靠性取

决于码盘及其触针的可靠接触寿命、微动开关的机械和电气寿命、阅读黑白条码的光电器件的寿命。

2.闸门启闭荷重传感器

闸门启闭荷重传感器又称电阻应变式称重传感器，常用的有压阻式传感器与压电式传感器，参

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见图 6-11。

图 6-11 闸门荷重传感器安装示意图

这里，重点介绍一下压阻式传感器(其原理与压力式水位传感器相似)。压阻式传感器是采用半

导体材料制作的，当半导体材料在某一方向上受到应力作用时，它的电阻率会发生显著的变化这种

现象被称为半导体压阻效应。

压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制作的器件，

压阻式传感器的灵敏度要比金属应变片的灵敏度大 50～100 倍，有时压阻式传感器的输出不需要放

大就可以直接用于测量。此外，它还具备分辨率高、尺寸小、横向效应小、响应频率高，适合于动

态测量等特点。

压阻式传感器是在硅片上制造出四个等值电阻，组成电桥电路。没有压力作用时，输出电压为

零；当有压力时，则有电压输出，且输出的电压与所受的压力成正比，因而根据输出电压的大小就

可以得出压力的大小。

3.电动机电流、电压传感器

电动机电流、电压的测量是电量测量中最基本的参数之一，电参数的测量，由于显示环节不同，

而分成模拟式和数字式两种方式。首先由电量传感器将被测电流与电压进行转换和处理，得到量程

适当并与被测电路隔离的电流信号。水闸启闭电动机大都采用三相交流电，产生的是三相正弦交流

信号。传感器采集到的信号，经 AC/DC 转换器转换成直流信号，再经 A/D 转换成数字信号后直接显

示，下面以电流传感器为例进行介绍。

（1）工作原理

电流传感器常用的是霍尔式电流传感器，又称电流一磁场式，其原理基于霍尔效应。它具有精

度高、线性好、频宽、响应快、过载能力强、非接触测量和不损耗被测电路能量等优点。

霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。霍尔电动势的大小与控制电流

和磁场的磁感应强度的乘积成线性函数关系，它表征了单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔

电动势的大小。因此，霍尔元件灵敏度与元件材料的性质和几何尺寸有关。在实际使用中，一般都

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