自動(dòng)升降防鳥卷簾門設(shè)計(jì)方案簡介

郭勤軍，郭鐘源

（1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，河南鄭州，450046；2.鄭州市第七中學(xué)，河南鄭州，450053）

自動(dòng)升降防鳥卷簾門設(shè)計(jì)方案簡介

郭勤軍1，郭鐘源2

（1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，河南鄭州，450046；2.鄭州市第七中學(xué)，河南鄭州，450053）

水位升降防鳥卷簾門的自動(dòng)化設(shè)計(jì)是提高閘站自動(dòng)化水平、防范鳥患威脅、確保安全輸水的舉措之一。其工作原理為：超聲采集水位信息，通過編程單片機(jī)處理并驅(qū)動(dòng)電機(jī)同步正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了卷簾門隨水位升降的自動(dòng)化要求。該設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度高、防鳥效果好，是工程應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新。與傳統(tǒng)防鳥設(shè)施相比，既減少了人工作業(yè)的繁瑣，又降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，為閘站防鳥及類似工程問題找到了一種可靠辦法。

超聲測距；水位升降；閘站防鳥；卷簾門；自動(dòng)化控制

1 研究目的與研究意義

1.1 研究目的與意義

輸引水管理現(xiàn)代化代表了水利運(yùn)行管理的發(fā)展方向，確保安全輸水是調(diào)水工作者義不容辭的責(zé)任。目前，輸水運(yùn)行中的一些突發(fā)事件給安全輸水帶來很大威脅。水位升降防鳥卷簾門的自動(dòng)化設(shè)計(jì)是提高閘站自動(dòng)化水平、防范鳥患威脅、確保安全輸水的舉措之一。該設(shè)計(jì)實(shí)用性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、防鳥效果好，便于推廣應(yīng)用。在不影響運(yùn)行的情況下，為閘站防鳥提供了一種有效的解決辦法，為同類水利工程或有液位變化要求的其他產(chǎn)品、設(shè)備提供了一種解決問題的思路。

1.2 研究的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）將超聲波量測水位原理應(yīng)用于閘站防鳥，是應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新；（2）卷簾門隨水位變化自動(dòng)同步升降，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程、現(xiàn)地、自動(dòng)、手動(dòng)、遙控多種操控方式；（3）自動(dòng)化程度高、防鳥效果好，代表了閘站防鳥自動(dòng)化發(fā)展方向；（4）采用合金或PVC線材制作透風(fēng)卷簾，減小風(fēng)阻、增加美觀、防銹防潮、經(jīng)久耐用，是“選材”和“造型”上的創(chuàng)新；（5）卷簾臨水面下擺部預(yù)留電熱融冰接口，可與原融冰設(shè)施兼容以作配套共用，滿足嚴(yán)寒天氣安全輸水適用條件。

2 閘站運(yùn)行狀態(tài)水位測距技術(shù)選擇

常用的測距技術(shù)主要有紅外測距、超聲測距、雷達(dá)測距及壓力傳感器測距法。而紅外測距和超聲測距均適用于近距離測量，水位壓力傳感器和超聲測距適用于水位測量，但動(dòng)水環(huán)境下壓力傳感器誤差較大。經(jīng)綜合比較，超聲測距是水流狀態(tài)進(jìn)行水面測距的最佳選擇。常用測距法對比見表1。

3 防鳥模式的選擇

閘站冬暖夏涼，隨著生態(tài)環(huán)境的改善，成群鳥類在閘站棲息、活動(dòng)成為常態(tài)。鳥類進(jìn)入閘室不僅影響閘站衛(wèi)生、污染水體，還會損害機(jī)電、自動(dòng)化及監(jiān)控設(shè)備，為工程安全運(yùn)行帶來危害。部分防鳥模式如圖1所示。

表1 常用測距法的對比Table 1 Comparison between the distance measurement methods

圖1 部分防鳥模式示意圖Fig.1 Some birds prevention methods

3.1幾種常用防鳥模式及其效果簡介

（1）不銹鋼掛簾防鳥。該方式比較傳統(tǒng)，是在檢修門槽孔口設(shè)置一排固定掛鉤，在每個(gè)掛鉤上懸掛一根不銹鋼掛鏈延伸至水面。由于掛鏈不能自動(dòng)升降，在水位變化時(shí)，需人工逐根調(diào)整掛鏈長度，費(fèi)工費(fèi)時(shí)且不安全。若調(diào)整不及時(shí)或掛鏈參差不齊，則掛簾要么阻水，要么防鳥效果不佳。

（2）次聲波驅(qū)鳥器。采用微電腦技術(shù)模擬一種特殊的聲音頻率，從而刺激鳥類的感知及神經(jīng)系統(tǒng)，使其生理紊亂從而逃離現(xiàn)場。對不便安裝防鳥設(shè)置的場所，該模式有其科學(xué)性。其弊端有：①只能驅(qū)鳥，不能防鳥，未起到主動(dòng)預(yù)防作用；②從閘孔誤入的鳥兒找不到出去通道，依舊會困死閘室；③預(yù)留通道少，誤入的鳥兒不便找到，反之會成為不速之客的驛站；④反饋情況表明，部分鳥類會漸進(jìn)適應(yīng)；⑤次聲波對人體有害，污染環(huán)境。

（3）鋼化玻璃防鳥蓋板。在檢修門槽頂口處設(shè)置矩形鋼化玻璃板，使檢修閘室底板全封閉，從而防止鳥類進(jìn)入檢修閘。2015年10月，南水北調(diào)中線黃河北至漳河南部分閘站防鳥改造中，曾用該方式。鋼化玻璃蓋板外形美觀，能阻止鳥類進(jìn)入閘室。該方式缺點(diǎn)有：①部分鳥類仍通過閘孔進(jìn)入弧形閘室及啟閉機(jī)室，防鳥效果不徹底；②吊裝檢修門時(shí)，要逐一把蓋板打開并搬離，費(fèi)時(shí)費(fèi)工且不安全；③已安裝的鋼化玻璃蓋板曾有被閘孔穿堂風(fēng)掀翻落水現(xiàn)象。

（4）金屬格柵網(wǎng)防鳥。其安裝方式與鋼化玻璃蓋板基本類似，也是逐塊連接覆蓋在檢修閘門槽上方的頂口處。它采用角鐵作框、扁鐵作柵。該方式和鋼化玻璃蓋板一樣，防鳥不夠徹底。吊裝檢修門時(shí)需逐一把金屬柵欄打開并搬離。

3.2 自動(dòng)升降卷簾門防鳥模式簡介

水位升降防鳥卷簾門設(shè)置在閘孔進(jìn)出口，可隨水位變化而自動(dòng)同步升降，自動(dòng)化程度高，可滿足遠(yuǎn)程、現(xiàn)地、自動(dòng)、手動(dòng)、遙控多種工作方式，便于操作使用，防鳥效果好，代表了閘站防鳥自動(dòng)化的發(fā)展方向。

3.3 幾種防鳥模式的對比與選擇

幾種防鳥方式的比較見表2。

綜合上述內(nèi)容及表2比較結(jié)果，自動(dòng)升降卷簾門以其防鳥效果好、先進(jìn)、實(shí)用、操作簡便而成為設(shè)計(jì)首選。

4 模型試驗(yàn)

4.1 模型試驗(yàn)自動(dòng)化技術(shù)原理

模型試驗(yàn)自動(dòng)化技術(shù)原理為：根據(jù)水位變化由超聲測距模塊采集數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)信息傳遞給單片機(jī)，由單片機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)變成電信號，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)或靜止不動(dòng)。為防止頻繁啟動(dòng)，可設(shè)定啟動(dòng)的上、下限值。本實(shí)驗(yàn)中預(yù)設(shè)定啟動(dòng)上、下限為水面線±10 mm。

4.2 模型試驗(yàn)主控制流程圖

表2 幾種防鳥方式的對比Table 2 Comparison between the birds prevention methods

圖2 初始流程Fig.2 Initialprocedures

圖3 過程設(shè)置Fig.3 Process settings

4.3 模型設(shè)計(jì)與組裝

根據(jù)閘站結(jié)構(gòu)形式、功能布局、水流特性及相關(guān)要求，繪制了閘室水槽簡易模型設(shè)計(jì)圖。設(shè)計(jì)的閘站水槽模型具體尺寸為：水槽長450 mm、寬150 mm、高230 mm；閘室上部結(jié)構(gòu)：高130 mm、寬150 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)模型圖，經(jīng)選材比對，購置了亞克力板、粘膠，水槽進(jìn)、出水龍頭、蓄水箱等材料，以及HYSRF05超聲波模塊、GA12-N20減速馬達(dá)、2路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（正反轉(zhuǎn)PWM調(diào)速、雙橋步進(jìn)電機(jī)），51開發(fā)版avrarm stm32單片機(jī)、遙控器、數(shù)據(jù)排線等。對卷簾軸、測距模塊的安裝位置進(jìn)行了測定，依次完成模型組裝，對模型密封性，水槽進(jìn)、出水持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了記錄。

4.4 模型試驗(yàn)過程及評價(jià)

4.4.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過在水槽模型中加水、排水，測試卷簾門的啟動(dòng)、上升及下降等響應(yīng)情況，檢測自動(dòng)系統(tǒng)靈敏度、成功率及設(shè)定值等參數(shù)，以便持續(xù)調(diào)整。

4.4.2試驗(yàn)過程

（1）預(yù)先將卷簾底部設(shè)置在距離水槽底部50 mm的位置，采用水龍頭在水槽中加注一定量的水，當(dāng)水面距水槽底面距離40 mm時(shí)關(guān)閉水龍頭，暫停注水。

（2）打開自動(dòng)系統(tǒng)開關(guān)，使之處在待命狀態(tài)。

（3）開啟水箱龍頭為水槽加水，同時(shí)打開秒表計(jì)時(shí)，觀察電機(jī)啟動(dòng)及卷簾上升相應(yīng)情況。當(dāng)水位上升至90 mm和140 mm時(shí)，分別停水、停表，記錄持續(xù)時(shí)間，量測卷簾底距離水面相應(yīng)距離，填寫試驗(yàn)記錄。

（4）開啟水槽龍頭排水，同時(shí)打開秒表計(jì)時(shí)，觀察電機(jī)啟動(dòng)及卷簾下降相應(yīng)情況。當(dāng)水位降至90 mm和40 mm時(shí)，分別停水、停表，記錄持續(xù)時(shí)間，量測卷簾底距離水面相應(yīng)距離，填寫試驗(yàn)記錄。

4.4.3試驗(yàn)記錄

記錄表見表3。

4.4.4試驗(yàn)結(jié)果評價(jià)

試驗(yàn)表明，卷簾門基本能隨水位變化自動(dòng)上升和下降，偏差值在2 mm范圍內(nèi)，符合預(yù)期目標(biāo)，初設(shè)值基本合理，啟停靈活自如。因此，水位升降卷簾門的自動(dòng)化設(shè)計(jì)滿足目標(biāo)要求。

表3 試驗(yàn)記錄表Table 3 Test results

5 自動(dòng)化防鳥卷簾門的初步方案設(shè)計(jì)

5.1 自動(dòng)化防鳥卷簾門設(shè)計(jì)目標(biāo)

通過測距系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)作配合，有效驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使卷簾門的升降與水位升降步調(diào)基本一致，誤差控制在±3%范圍內(nèi)。同時(shí)，通過調(diào)試檢測卷簾門啟動(dòng)初始值設(shè)置是否合理，為實(shí)際應(yīng)用提供借鑒，最終達(dá)到防鳥目的。

5.2 系統(tǒng)PLC工作原理及技術(shù)流程

圖4 卷簾機(jī)電氣原理圖Fig.4 Electrical principle of the rolling shutter machine

5.3 自動(dòng)化控制核心構(gòu)件的選擇

根據(jù)閘站防鳥卷簾門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用需要，經(jīng)綜合分析比對，確定采用簡易工業(yè)自動(dòng)化PLC來完成現(xiàn)場自動(dòng)控制部分，也就是現(xiàn)地自動(dòng)化控制的核心構(gòu)件。本次試點(diǎn)選用的觸摸屏及自動(dòng)化軟件由北京昆侖通態(tài)軟件科技有限公司提供支持，選擇固定封裝的超聲測距儀作為數(shù)據(jù)采集構(gòu)件。

5.4 卷簾門材質(zhì)選擇及技術(shù)要求

（1）卷簾門材料。為減少風(fēng)阻，可設(shè)為透風(fēng)的橫格式或網(wǎng)格式；為美觀和抗老化，可使用合金制品或透明PVC線材；為適宜卷簾柔度，可增加緯線連接鉸鏈；為耐用，可采用鋼絲繩索作為經(jīng)向引線；為減少風(fēng)擺，可在下擺銜接部增設(shè)適宜配重橫桿。根據(jù)閘站冰期輸水經(jīng)驗(yàn)，考慮在卷簾底梁預(yù)留融冰接口，用電熱絲將底梁與下擺串接，既可提高閘站融冰系統(tǒng)利用率，又防下擺冰溜影響輸水運(yùn)行。

圖5 PLC工作原理流程Fig.5 PLC workflow

（2）轉(zhuǎn)軸及電卷機(jī)。在卷軸選擇上，需考慮升降值與卷軸旋轉(zhuǎn)參數(shù)相關(guān)性，根據(jù)常用位置區(qū)間選擇卷軸尺寸、卷簾長度等。為確保卷簾門升降過程穩(wěn)定，本方案采用直徑≥80 mm、壁厚≥10 mm的防銹鋼管。一般采用電磁制動(dòng)電機(jī)、減速器。因卷簾門采用的是輕質(zhì)、高強(qiáng)、透風(fēng)的柵欄式或網(wǎng)格式，所以卷簾門電卷機(jī)采用小功率輕型交直流兩用電卷機(jī)為宜，上、下行程設(shè)限位開關(guān)自動(dòng)控制，可通過速放裝置或手拉鏈條進(jìn)行手動(dòng)操作。

（3）門軌固定槽。為防止卷簾門前后擺動(dòng)，在檢修門側(cè)軌位置設(shè)置上下方向的門槽對卷簾門運(yùn)行軌跡進(jìn)行固定。為減少卷簾門側(cè)邊與門軌之間的摩擦，可在門軌側(cè)壁對稱設(shè)置輕型軸承。

6 展望

該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路源于對閘站掛簾所綴冰溜的觀察，源于掛鉤處人工調(diào)整掛簾的思考。因設(shè)計(jì)時(shí)間倉促，個(gè)人經(jīng)驗(yàn)不足，試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺桨冈O(shè)計(jì)的卷簾門與最初設(shè)想還有不少差距，尚有許多待改進(jìn)之處。如：閘站模型進(jìn)、出水口添加泵送功能，增設(shè)閘室弧形門，使之與真實(shí)運(yùn)行環(huán)境更接近；現(xiàn)場構(gòu)件安裝時(shí)，減少對過流斷面的影響；綜合考慮卷簾門體透風(fēng)減阻與下擺適宜配重；在門軌內(nèi)設(shè)置夾具約束防變形，弱化卷簾門風(fēng)擺影響；探尋卷簾門臨水面下擺部位其他融冰模式，防御冰凍損害等?！?/p>

[1]王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.2:3-9

[2]龐小波，陸燕惠.基于超聲波測距的液位自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008年29期

[3]楊慧,周伯俊.基于GSM的遠(yuǎn)程卷簾門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技視界,2015,0(26):16-17.

作者郵箱：634258928@qq.com

Brief introduction on design scheme of automatic lifting and anti-bird rolling shutter door

by GUO Qin-jun and GUO Zhong-yuan Construction and Administration Bureau of South-to-North Wa?ter Diversion Middle Route Project

The automation design ofwater level lifting anti-bird roller shutter door is one of the mea?sures to improve automation levelofgate station,to guard againstthe threatofbirds and to ensure safe waterdelivery.The working principle is as follows:waterlevelinformation is gathered by ultrasonic mea?surementand processed by microprogrammed controlunit.Accordingly,the motoris driven to work.The design is highly automatic and is ofgood effect.This innovation has notonly reduced manualoperation, butalso lowered safety risk,worthy ofpopularization forbirds prevention.

ultrasonic distance measurement;water levelfluctuation;gate station bird prevention;roll?ing shutterdoor;automatic control

TV735

B

1671-1092（2017）01-0065-06

2016-12-06

郭勤軍（1973-），男，河南鄭州人，高級工程師，在南水北調(diào)從事工程建設(shè)及運(yùn)行管理工作。