淺談鋼壩閘門自檢自控技術在城市水系水位自動控制中的應用

李森源 沈宇寧 周世武

廣西珠委南寧勘測設計院 廣西 南寧 530004

1 研究背景

鋼壩閘門是水利、水電工程設施中的機械設備。通常的鋼壩閘門是通過液壓設備驅動底橫軸轉動來實現鋼壩閘門啟閉的新型閘門，主要包括底橫軸、鋼壩門葉、設置在閘室內的啟閉機等，這種鋼壩鋼壩閘門在運行過程中，需要支臂之間保持同步運行，否則會造成扭曲，對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行調度方式程序控制運行。

方式一，正常蓄水位H1時為壩完全豎立。當洪水來臨，壩前壅水高度升高至0.5m時，按上述壩前來水流量情況，逐級打開鋼壩閘門。當洪水水位消落至H1時，鋼壩逐級立起，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，同時按比例將流量分為五級，鋼壩開度為0～90°。方式二，以水位控制，當水位高于鋼壩堰頂高程以上0.5m且處于漲水階段時，鋼壩以程序調節控制水位降至水位基本與堰頂齊平。若水位繼續上漲，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。

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

3 自檢自控技術的運用

該技術在城市水系建設運行及使用中，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

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。自檢技術實現了閘門，鋼壩軸及支臂的協同運作及不協調檢查，當其中一個傳感器出現故障或因其他原因導致測量不準時，另一個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，可以避免因傳感器測量不準導致啟閉機之間伸縮不同步，進而導致底橫軸因兩側支臂受力不均勻產生較大的扭矩，從而導致底橫軸斷裂。

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

由于缸體只能推動支臂繞底軸逆時或順時針轉動，因此，缸體的運動與底軸的運動關系是確定的，底軸傳感器檢測底軸轉動的角度能夠按照特定運動關系或運動函數關系，換算成缸體傳感器檢測缸體行程量，同時兩個傳感器檢測出來的數據經換算后是相等時說明自檢通過。

支臂傳感器從該狀態中逆時針轉動θ角度（θ遠遠小于1），此時支臂與缸體連接處經過的距離為S1，即S1=a×θ，但此時第二傳感器檢測出來的行程量為S2，由于（θ遠遠小于1），此時缸體轉動α也遠遠小于1，此時可認為S1等于S2，由此可以得出，第一傳感器21和第二傳感器22檢測出來的數據確實可以通過數學關系式來經換算后是相等。

因此，當發生異常時，缸體傳感器，所檢測缸體的行程不準時，其測量出來的行程量換算成底軸轉動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生通過報警裝置進行現場報警，或遠程報警。

圖2 轉動不同步造成的閘門變形示意圖

即當底軸傳感器和缸體傳感器檢測數據經過特定函數關系換算之后出現異常，或左墩傳感器的檢測數據與右墩傳感器檢測的數據經過特定函數關系換算之后出現異常，將進行報警，及時提醒相關的工作人員。

3.2 鋼壩閘門自控技術

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

左墩底軸轉動的角度能夠按照上述特定關系或運動函數關系換算成缸體伸縮行程量。同時由墩底軸轉動的角度能夠按照上述特定關系或運動函數關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行數據對比，實現對底軸同步運行進行精準檢測；控制芯片通過傳感器檢測出來的數據進行對比，所檢測出來速度經換算后與傳感器檢測出來的行程量不準時，控制芯片便通過變頻器來控制電機停止轉動，減少底軸附加扭矩，避免底軸或支臂發生斷裂。

3.3 自檢自控技術的運用

（1）蓄水壩防洪和泄洪預警的運用。城市水系河道的防洪安全保障措施是非常必要的。運行管理中必要實時、高效、準確地獲得河道水位、流量、流速數據，鋼壩閘門轉動故障將會引起無法泄洪的問題，自檢技術可以在汛前檢查對鋼壩運行情況進行很好的故障排查，并以此作防洪故障預警。

（2）有效對鋼壩運行部位的故障進行高效識別，以納入智能化管理系統，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。針對同一河道段的鋼壩協同控制問題。可以通過該項自檢自控技術作基礎校正和查明。

（3）自控技術結合程序控制進行節水控水調節滿足水環境治理的需要。在鋼壩蓄水泄洪的整個節水控水調度的過程中，減少人力的操作，充分利用各種尖端傳感器、信息網絡實現自動化、信息化、統一化管理與調度，

3.4 技術局限性和改造方式

（1）初啟動時因行程不同步難以調節，因為液壓缸體初步啟動存在初始行程，該行程不同，導致初始存在行程差，轉軸不同步，需要用自控技術在固定行程內進行初始調整，

（2）芯片控制角速度需要進一步優化和程序的模擬，構建自動控制水位和自調節一體化的模塊，對水系內所涉及水利設施、水利機電設備等進行遠程監控。

（3）深化芯片控制程序在水位節水控制中的應用

4 結束語

①鋼壩閘門自檢自控技術解決了鋼壩閘門不同步的難以判別的問題，為鋼壩閘門同步運作提供了新的思路。②自檢技術可以有效對鋼壩運行部位的故障進行高效識別。③自控技術結合程序控制進行節水控水調節滿足水環境治理的需要。④城市水系建設項目作為生態水環境綜合治理，其自身的防洪安全保障措施是非常必要的。即有必要實時、高效、準確地獲得河道水位、流量、流速數據，并以此作防洪故障預警。⑤進一步開發拓展芯片控制程序在水位節水調節中的作用。