淺談鋼壩閘門自檢自控技術(shù)在城市水系水位自動(dòng)控制中的應(yīng)用

李森源 沈宇寧 周世武

廣西珠委南寧勘測設(shè)計(jì)院 廣西 南寧 530004

1 研究背景

鋼壩閘門是水利、水電工程設(shè)施中的機(jī)械設(shè)備。通常的鋼壩閘門是通過液壓設(shè)備驅(qū)動(dòng)底橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)鋼壩閘門啟閉的新型閘門，主要包括底橫軸、鋼壩門葉、設(shè)置在閘室內(nèi)的啟閉機(jī)等，這種鋼壩鋼壩閘門在運(yùn)行過程中，需要支臂之間保持同步運(yùn)行，否則會(huì)造成扭曲，對(duì)鋼壩閘門支臂或底橫軸帶來損壞。

2 基本概況及存在問題

目前，城市水系鋼壩的控制方式以一定的運(yùn)行調(diào)度方式程序控制運(yùn)行。

方式一，正常蓄水位H1時(shí)為壩完全豎立。當(dāng)洪水來臨，壩前壅水高度升高至0.5m時(shí)，按上述壩前來水流量情況，逐級(jí)打開鋼壩閘門。當(dāng)洪水水位消落至H1時(shí)，鋼壩逐級(jí)立起，控制上游水位不低于H1。以流量控制鋼壩開度分為0°，30°、45°、60°、90°五級(jí)，同時(shí)按比例將流量分為五級(jí)，鋼壩開度為0～90°。方式二，以水位控制，當(dāng)水位高于鋼壩堰頂高程以上0.5m且處于漲水階段時(shí)，鋼壩以程序調(diào)節(jié)控制水位降至水位基本與堰頂齊平。若水位繼續(xù)上漲，則開度增加且不為固定角度，若水位下降，則開度減少且不為固定角度至水位≤堰頂高程0.5m。

方式一以流量計(jì)進(jìn)行開度控制較為安全可靠，留有泄洪空間的安全余度，但會(huì)造成景觀蓄水的浪費(fèi)；方式二以水位控制，解決了保有景觀蓄水和節(jié)水問題，但不為固定角度的開度縮小及增大受鋼壩閘門轉(zhuǎn)軸角速度控制，存在泄洪不及時(shí)，鋼壩主軸附加扭矩過大造成損耗和破壞等問題[1]。

3 自檢自控技術(shù)的運(yùn)用

該技術(shù)在城市水系建設(shè)運(yùn)行及使用中，起到鋼壩自檢及自控的作用。主要為以下兩部分

3.1 鋼壩閘門自檢技術(shù)

閘門同步自檢裝置，包括左墩底軸傳感器、缸體傳感器、右墩底軸傳感器、缸體傳感器和控制芯片。自檢技術(shù)實(shí)現(xiàn)了閘門，鋼壩軸及支臂的協(xié)同運(yùn)作及不協(xié)調(diào)檢查，當(dāng)其中一個(gè)傳感器出現(xiàn)故障或因其他原因?qū)е聹y量不準(zhǔn)時(shí)，另一個(gè)傳感器可以檢測出來。將該閘門同步自檢裝置用于鋼壩閘門中時(shí)，可以避免因傳感器測量不準(zhǔn)導(dǎo)致啟閉機(jī)之間伸縮不同步，進(jìn)而導(dǎo)致底橫軸因兩側(cè)支臂受力不均勻產(chǎn)生較大的扭矩，從而導(dǎo)致底橫軸斷裂。

圖1 支臂及缸體傳感器行程換算示意圖及鋼壩自檢裝置布置縱剖面圖

由于缸體只能推動(dòng)支臂繞底軸逆時(shí)或順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，缸體的運(yùn)動(dòng)與底軸的運(yùn)動(dòng)關(guān)系是確定的，底軸傳感器檢測底軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度能夠按照特定運(yùn)動(dòng)關(guān)系或運(yùn)動(dòng)函數(shù)關(guān)系，換算成缸體傳感器檢測缸體行程量，同時(shí)兩個(gè)傳感器檢測出來的數(shù)據(jù)經(jīng)換算后是相等時(shí)說明自檢通過。

支臂傳感器從該狀態(tài)中逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)θ角度（θ遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1），此時(shí)支臂與缸體連接處經(jīng)過的距離為S1，即S1=a×θ，但此時(shí)第二傳感器檢測出來的行程量為S2，由于（θ遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1），此時(shí)缸體轉(zhuǎn)動(dòng)α也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，此時(shí)可認(rèn)為S1等于S2，由此可以得出，第一傳感器21和第二傳感器22檢測出來的數(shù)據(jù)確實(shí)可以通過數(shù)學(xué)關(guān)系式來經(jīng)換算后是相等。

因此，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，缸體傳感器，所檢測缸體的行程不準(zhǔn)時(shí)，其測量出來的行程量換算成底軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度量與底軸傳感器測量出來的角度不相等，則閘門同步自檢裝置便發(fā)生通過報(bào)警裝置進(jìn)行現(xiàn)場報(bào)警，或遠(yuǎn)程報(bào)警。

圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)不同步造成的閘門變形示意圖

即當(dāng)?shù)纵S傳感器和缸體傳感器檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過特定函數(shù)關(guān)系換算之后出現(xiàn)異常，或左墩傳感器的檢測數(shù)據(jù)與右墩傳感器檢測的數(shù)據(jù)經(jīng)過特定函數(shù)關(guān)系換算之后出現(xiàn)異常，將進(jìn)行報(bào)警，及時(shí)提醒相關(guān)的工作人員。

3.2 鋼壩閘門自控技術(shù)

鋼壩自控技術(shù)為以自檢技術(shù)為基礎(chǔ)，起到控制作用，與一般的程序控制方式不同，以自檢技術(shù)芯片控制水位。

左墩底軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度能夠按照上述特定關(guān)系或運(yùn)動(dòng)函數(shù)關(guān)系換算成缸體伸縮行程量。同時(shí)由墩底軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度能夠按照上述特定關(guān)系或運(yùn)動(dòng)函數(shù)關(guān)系換算成缸體伸縮行程量。

控制芯片檢測左右墩自檢裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)底軸同步運(yùn)行進(jìn)行精準(zhǔn)檢測；控制芯片通過傳感器檢測出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，所檢測出來速度經(jīng)換算后與傳感器檢測出來的行程量不準(zhǔn)時(shí)，控制芯片便通過變頻器來控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，減少底軸附加扭矩，避免底軸或支臂發(fā)生斷裂。

3.3 自檢自控技術(shù)的運(yùn)用

（1）蓄水壩防洪和泄洪預(yù)警的運(yùn)用。城市水系河道的防洪安全保障措施是非常必要的。運(yùn)行管理中必要實(shí)時(shí)、高效、準(zhǔn)確地獲得河道水位、流量、流速數(shù)據(jù)，鋼壩閘門轉(zhuǎn)動(dòng)故障將會(huì)引起無法泄洪的問題，自檢技術(shù)可以在汛前檢查對(duì)鋼壩運(yùn)行情況進(jìn)行很好的故障排查，并以此作防洪故障預(yù)警。

（2）有效對(duì)鋼壩運(yùn)行部位的故障進(jìn)行高效識(shí)別，以納入智能化管理系統(tǒng)，用可視化的方式，高效得出哪一座蓄水壩什么部位具有故障情況。針對(duì)同一河道段的鋼壩協(xié)同控制問題?？梢酝ㄟ^該項(xiàng)自檢自控技術(shù)作基礎(chǔ)校正和查明。

（3）自控技術(shù)結(jié)合程序控制進(jìn)行節(jié)水控水調(diào)節(jié)滿足水環(huán)境治理的需要。在鋼壩蓄水泄洪的整個(gè)節(jié)水控水調(diào)度的過程中，減少人力的操作，充分利用各種尖端傳感器、信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、信息化、統(tǒng)一化管理與調(diào)度，

3.4 技術(shù)局限性和改造方式

（1）初啟動(dòng)時(shí)因行程不同步難以調(diào)節(jié)，因?yàn)橐簤焊左w初步啟動(dòng)存在初始行程，該行程不同，導(dǎo)致初始存在行程差，轉(zhuǎn)軸不同步，需要用自控技術(shù)在固定行程內(nèi)進(jìn)行初始調(diào)整，

（2）芯片控制角速度需要進(jìn)一步優(yōu)化和程序的模擬，構(gòu)建自動(dòng)控制水位和自調(diào)節(jié)一體化的模塊，對(duì)水系內(nèi)所涉及水利設(shè)施、水利機(jī)電設(shè)備等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（3）深化芯片控制程序在水位節(jié)水控制中的應(yīng)用

4 結(jié)束語

①鋼壩閘門自檢自控技術(shù)解決了鋼壩閘門不同步的難以判別的問題，為鋼壩閘門同步運(yùn)作提供了新的思路。②自檢技術(shù)可以有效對(duì)鋼壩運(yùn)行部位的故障進(jìn)行高效識(shí)別。③自控技術(shù)結(jié)合程序控制進(jìn)行節(jié)水控水調(diào)節(jié)滿足水環(huán)境治理的需要。④城市水系建設(shè)項(xiàng)目作為生態(tài)水環(huán)境綜合治理，其自身的防洪安全保障措施是非常必要的。即有必要實(shí)時(shí)、高效、準(zhǔn)確地獲得河道水位、流量、流速數(shù)據(jù)，并以此作防洪故障預(yù)警。⑤進(jìn)一步開發(fā)拓展芯片控制程序在水位節(jié)水調(diào)節(jié)中的作用。