洪水下泄流量精準控制

戴會冉

（水利部海河水利委員會引灤工程管理局大黑汀水庫管理處，河北 遷西064300）

1 引言

大黑汀水利樞紐工程位于河北省遷西縣城北5 km灤河干流上，距上游潘家口水庫35 km，是開發灤河的大型骨干工程之一。主壩為低寬縫式混凝土重力壩，屬二級水工建筑物，壩頂高程138.8 m壩長1354.50 m，泄洪主要應用露頂式弧形閘門，工程共設28孔溢流閘閘門，最大壩高52.80 m，總庫容3.37億m3。溢流壩在汛期泄洪和向灤河下游供水發揮著至關重要的作用，運用傾角傳感器，提高了弧形閘門開高檢測的準確性，提高了水庫調度精度。

2 問題提出

目前，弧形閘開高檢測全部由安裝于現地的28個閘位開度荷重儀提供開高的輸入信號，由于開高傳感器采取了在減速機傳動軸上同軸連接的方式，因此開高檢測環節不可避免的存在如下問題：

（1）由于鋼絲繩在閘門全關后，大都處于松弛狀態，當再次提升閘門時，卷揚機首先要完成的動作就是先將松弛的這段鋼絲繩拉緊，然后才會去真正地提升閘門。

（2）鋼絲繩本身的慣性因素影響也會導致開高測量存在誤差。因為鋼絲繩因閘門自重的作用，閘門上升與下降終了往往存在一定的運動慣性。在閘門開啟過程中，停機信號發出后，上升慣性引起的閘門位移很小，而在閘門關閉時下降慣性引起的閘門位移相對較大。

（3）受自身彈性變形的影響，當鋼絲繩受載時會發生彈性伸長，彈性形變導致的位移會導致開高傳感器接收到脈沖信號，誤認為此時閘門已經開始啟閉。

（4）實際安裝的開高傳感器限位開關輸出與內部接收到的脈沖數直接相關，并不能反映真實的閘門極限位置。

為此，為方便工程的管理，為現代化的水利調度提供科學依據，有必要有針對性的對這種現狀予以消除或徹底解決。

3 改進思路

隨著單片機產品普及以及運算能力的提高，運用單片機技術加傾角傳感器芯片，可以很方便地測量出閘門支臂旋轉的角度，進而計算出閘門開高。圖1所示為弧形閘門實際安裝圖，弧形門旋臂（圓心）安裝海拔高程為128.5 m，弧形閘門下沿（閘門底部）高程為121.41 m。弧形門實際安裝圖可以用圖2（28孔溢洪壩弧形閘門安裝等效圖）表示。

4 弧門旋轉角度與開高的關系

由閘門安裝的等效圖（圖2）可以看出，A點水平線與弧門底端半徑之間的夾角如圖3所示，當弧形閘門支臂旋轉α角時B、C兩點升高至B'和C'，閘門的實際開高為：

圖1 28孔溢洪壩弧形閘門安裝示意圖

圖2 28孔溢洪壩弧形閘門安裝等效圖

由公式（1）（2）（3）可以得出弧形閘門開高（用H表示）與支臂旋轉角度的關系如下：

進而推出：

5 支臂旋轉角度α的測量

弧形閘設計最大開高12.1 m，旋轉支臂15 m，依公式（4）計算如下：

考慮到日常運行過程中閘門調節一般為厘米級，當閘門調節最小值為1 cm時對應的α值：

據此，我們所選的傳感器芯片最大測量范圍應大于47.72°，分辨率小于0.02°。綜合考慮芯片測量參數，實際應用電路以及性價比等，可以選擇芬蘭VTI公司生產的SCA-103 T系列產品，它是基于3 D-MEMS的高精度雙軸（或單軸）傾角傳感器芯片，它提供了水平測量儀表級的性能。它的弱溫度依賴性、高分辨率、低噪聲和健全的傳感元件設計非常適合大黑汀大壩弧形閘的運行環境和旋轉支臂的角度測量，傳感元件內部增加的阻尼設計使得傳感器本身對于高頻振動不靈敏，可以有效濾掉由于水流沖擊對支臂造成的振動。該芯片的測量范圍為±30°（總量程 60°，分辨率 0.001°，完全能夠滿足大黑汀大壩弧形門的開啟精度。

從SCA-103 T功能框圖（圖4）可以看出，該傳感器芯片由傳感器元件和A/D轉換、SPI通信等元件組成。傳感器元件在完成數據采集后，經過內部數據校準與調節過濾后輸出給外部設備（比如單片機）進行進一步數據處理。其中輸出有2種方式：①直接模擬量輸出，②通過SPI接口以同步串行通信的方式輸出。

圖4 SCA-100 T系列芯片功能框圖

為了對所測量的角度數據進一步處理和利用，采用SPI通信輸出的方式將數據傳輸給單片機（如STM32 F103系列），再用單片機把角度換算成閘門的實際開高以便對數據進一步開發利用。

在取得（閘門）實際開高數據后，可以根據閘門的控制要求進行進一步開發，組成一個完整的閘門測控系統。比如：根據水庫調度取得開高數據后再根據要求設定閘門的上、下限開高限制，或者根據上游水位及泄水量自動換算出開高并自動完成閘門升降操作等。

6 基于SCA-103 T設計閘門開高控制儀實現

（1）SCA-103 T簡介：SCA-103 T系列是以單晶硅材料制造的高精度單軸傾角傳感器，傳感器由3層硅片構成，形成立體結構，當傾斜或者有加速度的時候，中間質量片會傾斜向某一側，從而引起兩側電容變化，通過對該變化量的測量、計算，即可得到傾斜角度。SCA-103 T有兩個模擬量輸出和一個數字SPI接口以提供直接信號處理。在8 Hz帶寬情況下，模擬信號分辨率為0.001°，數字信號分辨率為0.009°/LSB，該產品內部具有溫度測量和補償功能，采用12腳塑封SMD封裝。

（2）系統構成：閘門開高控制儀主要由傾角傳感器和數據處理器以及數據傳輸模塊3部分組成，傾角傳感器對（閘門）旋轉支臂角度進行數據采集后傳輸給數據處理器進行數據處理并換算成標準開高值，然后再發送給數據傳輸模塊，數據傳輸模塊按照某一標準規約（485串口或以太網口）發送給相關的控制設備，同時以IIC模式把開高值傳送給開高顯示模塊用于現場開高顯示。整個系統框圖如圖5所示。

圖5 閘門開高控制儀系統框圖

（3）系統設計：數據處理器（MCU）對SCA-103 T傾角檢測有兩種方法，一種方法是SCA-103 T的兩個模擬輸出經差動運算放大器放大后送入MCU的AD輸入端。另一種方法是MCU通過SPI接口直接讀取SCA-103 T內部通道數據存儲器，該方法具有硬件電路相對簡單，編程簡便等優點。本設計即采用此種方法。

（4）軟件設計：按照SPI通信協議要求，設定數據處理模塊MCU為主設備提供SPI時鐘，SCA-103 T作為從設備根據主設備提供的指令進行各種數據傳輸。系統在上電后首先執行數據處理模塊MCU各端口初始化程序，然后再根據SCA-103 T芯片用戶手冊對傾角傳感器芯片進行初始化，輸入相應指令完成對溫度及加速度通道的數據讀取。讀出的數據再通過SPI端口傳輸到數據處理MCU完成相應運算。具體程序框圖如圖6。

圖6 軟件設計流程圖

7 實驗平臺及其測試情況

根據以上敘述，搭建硬件實驗平臺并編制軟件，經測試和仿真，實際效果滿足運調度行管理需要，實際高度輸出偏差在0.5 cm以內，精度完全滿足日常調度運行管理的需要，下一步我們將繼續完善軟件并將限位控制等集成到本硬件平臺上，逐步使該平臺不斷完善，并做成產品，投入到實際的生產中。

8 結束語

綜上所述，基于SCA-103 T實現高精度傾角檢測系統，非常適合溢洪道弧形閘門的開高測量，如果在硬件設計上加入壩前水位測量，在軟件設計中加入水位與開高及流量關系的數學模型，還可以很方便地輸入泄水量，由系統自身計算出閘門開高，不僅可以提高水庫調度泄水流量的精度，更可以極大地提高自動化程度。如果伴隨著配套產品的研發及應用，傾角式閘門開高控制儀在弧形閘門測控上具有廣泛的應用前景，勢必會為大黑汀水庫管理處創造出更大的經濟利益，提高水庫調度管理的現代化水平。