周政民，劉 建，姜貴民，李春雨

（河北省承德市武烈河河道與橡膠壩管理處，067000，承德）

橡膠壩冬季立壩越冬運(yùn)行時(shí)必須采取壩前破冰的辦法，在壩袋前開(kāi)鑿一條冰槽，使冰層與壩體隔開(kāi)。目前橡膠壩越冬時(shí)普遍采取的措施是人工破冰，即人工開(kāi)鑿一條冰槽，使冰層與壩袋隔開(kāi)，從而減輕外力對(duì)壩體的破壞作用。人工破冰有以下缺點(diǎn)：一是易對(duì)壩袋形成人為的損壞；二是浪費(fèi)大量的人力物力；三是費(fèi)時(shí)費(fèi)工，人工成本較大；四是由于冰面壩袋光滑，經(jīng)常會(huì)有人掉入水中，潛在人身意外傷害危險(xiǎn)性較大。

一、橡膠壩自動(dòng)化破冰技術(shù)的內(nèi)容與要點(diǎn)

該項(xiàng)目依據(jù)能量守恒定律，應(yīng)用PLC控制系統(tǒng)及組態(tài)軟件，通過(guò)工業(yè)水泵、溫度傳感器等輔助設(shè)備，檢測(cè)室外、水中溫度，系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器反饋的信息，自動(dòng)確定沖水泵啟動(dòng)的時(shí)間周期、時(shí)間間隔，通過(guò)能量轉(zhuǎn)換使近壩體水體形成紊流，抑制冰層形成或使冰層融化。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析處理，終端執(zhí)行的自動(dòng)化控制。橡膠壩自動(dòng)破冰系統(tǒng)的技術(shù)要點(diǎn)為以下幾個(gè)方面：

1.機(jī)泵布置方案與機(jī)泵型號(hào)選擇

（1）機(jī)泵布置方案

每道橡膠壩機(jī)泵不宜布置太多，電纜線(xiàn)配置較多容易造成浪費(fèi)；布置太少則能量損失較大，需要配置大功率機(jī)泵，浪費(fèi)電能。根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況，每道壩機(jī)泵布置的數(shù)量以2～4臺(tái)為宜，每個(gè)機(jī)泵控制壩袋長(zhǎng)度不超過(guò)60m。

（2）機(jī)泵型號(hào)選擇

機(jī)泵的選型設(shè)計(jì)主要考慮工程規(guī)模、運(yùn)行管理的可靠性、操作方便、滿(mǎn)足工程運(yùn)行需要、節(jié)能等幾方面。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件，直接利用橡膠壩庫(kù)區(qū)水，水深 2.0～3.5 m，水溫 4℃。水泵選型主要考慮機(jī)泵的以下參數(shù)：配用功率低，節(jié)能；高揚(yáng)程，產(chǎn)生的水流紊流大；大流量，能量交換多；機(jī)泵效率高，節(jié)能。選用65QW（1）35-12-2.2型潛水排污泵，配用功率2.2 kW，揚(yáng)程12 m，出水流量35m3/h；泵效率72%，排出口直徑65 mm。該泵具有以下特點(diǎn)：一是防堵防纏，對(duì)于含有固體顆粒及長(zhǎng)纖維的污水，能發(fā)揮最大的排水功效，適用直接取用庫(kù)區(qū)河水；二是高效節(jié)能，泵效率高，配用功率??；三是安全可靠，配有保護(hù)控制系統(tǒng)，對(duì)泵進(jìn)行自動(dòng)保護(hù) （過(guò)載、缺相、短路等），全揚(yáng)程設(shè)計(jì)，水泵運(yùn)行無(wú)過(guò)載；四是安裝簡(jiǎn)易。

2.沖水管道的選擇和布置

（1）沖水管道的選擇

沖水管道的選擇從以下幾個(gè)方面考慮：一是經(jīng)濟(jì)實(shí)用，價(jià)格便宜；二是壽命要長(zhǎng)，不腐爛，容易保存；三是安裝方便，結(jié)構(gòu)輕巧。綜合考慮，選用目前市場(chǎng)上常用的節(jié)能環(huán)保管材PE管。

（2）沖水管道的布置

沖水管道布置在壩袋上游4～5 m處（一般在中、邊墩上游1 m即可，滿(mǎn)足冰體下移的要求），布置在水面以下5cm為宜，每段管道一泵單獨(dú)控制?？紤]管道出水均勻及流程損失，機(jī)泵接口全部安排在管道的中間。

（3）管道出水方式的選定

為了從管道內(nèi)均勻排出水流，在水中形成穩(wěn)定的紊流，融冰效果相同，使靠近管道中間部位出水口孔徑稍微小一點(diǎn)，一般為2.5 mm，出水口間距稍遠(yuǎn)一點(diǎn)，一般為150mm，靠近管道兩端部位出水口孔徑稍微大一點(diǎn)，一般為3.2 mm，出水口間距稍近一點(diǎn)，一般為100mm。另外為擴(kuò)大紊流，增大融冰寬度，沖水管道出水孔布置為梅花狀。為保證沖水管道不受上下冰體的擠壓作用（沖水管道不變形），兩排管道出水口以形成30°的角度垂直向上，在沖水管道兩側(cè)都形成紊流。

3.立壩高度的選定

冬季立壩運(yùn)行的橡膠壩工程，立壩高度為設(shè)計(jì)壩高的80% 左右。由于沖水管道位置固定，因此要求壩高必須穩(wěn)定，以免由于壩高逐漸降低，管路被冰體壓住、擠壞，影響融冰效果。

4.自動(dòng)控制系統(tǒng)

（1）PLC控制系統(tǒng)及構(gòu)成

橡膠壩自動(dòng)控制系統(tǒng)邏輯運(yùn)算要求高，輸入配置點(diǎn)相對(duì)較少，考慮系統(tǒng)對(duì)可靠性及采樣速率的要求，選用國(guó)產(chǎn)凱迪恩K3系列PLC及其文本屏系列產(chǎn)品。其主要特點(diǎn)是成本低、穩(wěn)定性高。

系統(tǒng)共由三個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析處理，終端執(zhí)行。

數(shù)據(jù)采集部分主要由三個(gè)冰面溫度從一個(gè)室外溫度變送器和數(shù)顯表構(gòu)成的模擬量反饋系統(tǒng)輸入至PLC。

分析處理單元根據(jù)實(shí)際電氣系統(tǒng)需求，具體IO點(diǎn)及PLC配置如下：

IO點(diǎn)配置為DI34點(diǎn)，DO12點(diǎn)，AI4點(diǎn)。PLC配置為，CPU單元K308-40AR CPU+24DI+16DO，開(kāi)關(guān)量輸入單元K321-16DX 16DI，模擬量輸入單元K331-04IV 4 AI，文本顯示屏單元TOD-120。終端執(zhí)行系由接觸器、潛水泵構(gòu)成的電氣執(zhí)行回路和終端。

（2）系統(tǒng)模式和功能

橡膠壩自動(dòng)破冰控制系統(tǒng)模式與功能如表1所示。

二、控制方式選擇與功能

1.結(jié)冰溫度控制

（1）測(cè)溫點(diǎn)分布及位置選擇

測(cè)溫點(diǎn)的分布形式直接影響PLC判斷的準(zhǔn)確性，通過(guò)對(duì)整個(gè)壩前冰體進(jìn)行綜合觀(guān)測(cè)，分別確定了兩處結(jié)冰速度較快點(diǎn)和一處冰體位移最快點(diǎn)。結(jié)冰速度較快兩點(diǎn)設(shè)置兩支溫度傳感器，緊貼平行安裝于沖水管上方，用以判斷該區(qū)域是否已結(jié)冰及冰凍強(qiáng)度趨勢(shì)（溫度越低趨勢(shì)越強(qiáng)），經(jīng)PLC綜合運(yùn)算判斷，當(dāng)冰溫低于設(shè)定值（即結(jié)冰一定厚度）后啟動(dòng)沖水；冰前位移點(diǎn)在沖水管前5cm垂直安裝溫度傳感器，當(dāng)該點(diǎn)溫度小于0℃連續(xù)超過(guò)設(shè)定時(shí)間，即判斷該點(diǎn)結(jié)冰，啟動(dòng)沖水系統(tǒng)，保證沖水管前5cm無(wú)結(jié)冰現(xiàn)象。

表1 橡膠壩自動(dòng)破冰控制系統(tǒng)模式及功能表

（2）數(shù)值穩(wěn)定技術(shù)

溫度變送器輸出信號(hào)因傳輸距離過(guò)長(zhǎng)，雖未超出技術(shù)要求，但必須考慮周邊電磁干擾及數(shù)據(jù)穩(wěn)定性問(wèn)題，本工程電流信號(hào)采用數(shù)顯表隔離穩(wěn)定方式，延長(zhǎng)采樣周期，濾波常數(shù)，經(jīng)單位時(shí)間平均值計(jì)算控制采樣有效數(shù)據(jù)，輸入至PLC判斷控制。此方式關(guān)鍵在于采樣周期、濾波常數(shù)及PID的設(shè)置。采樣周期過(guò)短，輸出數(shù)據(jù)隨周邊電磁干擾正負(fù)越變變化大，采樣周期過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法保證溫度采集的實(shí)時(shí)性，經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行監(jiān)測(cè)，該參數(shù)定為3S；濾波常數(shù)根據(jù)示波器實(shí)際測(cè)定變送器傳輸干擾及輸出尖峰，參數(shù)設(shè)定為10%。該方式基本解決了溫度采集過(guò)程穩(wěn)定及可靠性問(wèn)題。

（3）運(yùn)行時(shí)間周期的確定

運(yùn)行時(shí)間周期是指從PLC判斷應(yīng)開(kāi)始啟動(dòng)沖水泵到?jīng)_水泵停止的一個(gè)運(yùn)行時(shí)間周期。決定該周期時(shí)間長(zhǎng)度的決定因素很多，包含起始冰面厚度所推算出的理論熱交換化冰時(shí)間、沖水孔出水與冰熱交換效率、空氣散失熱量、水泵吸水初始溫度、管路熱損失等諸多因素，經(jīng)理論推算及多次運(yùn)行測(cè)試，該運(yùn)行方式一個(gè)運(yùn)行時(shí)間周期195 min（室外平均溫度為-15℃），且該周期可通過(guò)文本屏根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)修改，滿(mǎn)足隨時(shí)調(diào)整需要。

2.氣溫曲線(xiàn)倍率控制

氣溫曲線(xiàn)倍率控制，是根據(jù)外界環(huán)境氣溫的變化自動(dòng)按照一定比例增加或減少?zèng)_水泵的運(yùn)行時(shí)間周期，此控制方式為非直接反饋控制方式。此方式采用數(shù)據(jù)模糊控制，基本模擬了人為手動(dòng)方式根據(jù)氣溫控制沖水時(shí)間周期的方式。

（1）采樣時(shí)間點(diǎn)確定

氣溫溫度采樣時(shí)間不能為全天采集，因氣溫在24 h內(nèi)都有一定變化，這一變化如果連續(xù)提供給PLC，PLC則會(huì)提供出一條連續(xù)的或高或低的判斷曲線(xiàn)，無(wú)法輸出正確的當(dāng)日泵運(yùn)行時(shí)間周期，所以此控制方式采用設(shè)定采樣時(shí)間點(diǎn)方式進(jìn)行最低氣溫確定，時(shí)間點(diǎn)可通過(guò)文本屏設(shè)置，此時(shí)間點(diǎn)以每日凌晨3：00出現(xiàn)的氣溫為每日最低氣溫。

（2）基礎(chǔ)氣溫設(shè)定

基礎(chǔ)氣溫決定氣溫低于該設(shè)定值開(kāi)始啟動(dòng)氣溫曲線(xiàn)倍率控制和后續(xù)的最低氣溫差值計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行通過(guò)文本屏設(shè)置。

（3）基礎(chǔ)運(yùn)行時(shí)間周期設(shè)定

此參數(shù)決定當(dāng)氣溫低于基礎(chǔ)設(shè)定值，系統(tǒng)要求啟動(dòng)沖水泵的基礎(chǔ)運(yùn)行時(shí)間周期和實(shí)際氣溫與基礎(chǔ)氣溫偏差計(jì)算增加運(yùn)行時(shí)間的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可通過(guò)文本屏設(shè)置。

（4）實(shí)際氣溫與基礎(chǔ)氣溫偏差之運(yùn)行時(shí)間系數(shù)設(shè)定

系統(tǒng)根據(jù)文本屏設(shè)定的基礎(chǔ)參考溫度與采樣時(shí)間點(diǎn)溫度相減得出的溫度差值，乘以文本屏預(yù)設(shè)的增加時(shí)間/℃，計(jì)算出采樣時(shí)間點(diǎn)增加的泵運(yùn)行時(shí)間周期，結(jié)合基礎(chǔ)運(yùn)行時(shí)間周期從而確定當(dāng)日總的泵運(yùn)行時(shí)間周期。

（5）增加時(shí)間

此數(shù)值由運(yùn)行人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況手動(dòng)運(yùn)行綜合測(cè)量得出，為30min/℃。此參數(shù)可通過(guò)文本屏修改。

3.結(jié)冰溫度、氣溫綜合控制

此控制方式是結(jié)冰溫度控制與氣溫曲線(xiàn)倍率控制的結(jié)合，只是選擇固定點(diǎn)溫度參與控制，氣溫控制有所不同，主要是防止氣溫驟降壩前即將發(fā)生的嚴(yán)重結(jié)冰現(xiàn)象，北方氣溫驟降連續(xù)時(shí)間多為三天以上，需要通過(guò)對(duì)固定時(shí)間 （最低溫度時(shí)間段）的溫度檢測(cè)，用以確定是否需要強(qiáng)制啟動(dòng)一個(gè)工作時(shí)間周期。該溫度設(shè)定值一般比較低，且設(shè)定的工作時(shí)間周期較長(zhǎng)，主要用于氣溫驟降環(huán)境的控制補(bǔ)充。

4.定時(shí)控制

同其他常規(guī)定時(shí)方式一樣，該控制方式只需通過(guò)文本屏設(shè)置每組的啟動(dòng)和本次運(yùn)行周期時(shí)間即可，共設(shè)4組定時(shí)。

5.報(bào)警記錄及急停功能

（1）報(bào)警記錄

通過(guò)文本屏可查詢(xún)最近的連續(xù)128條報(bào)警記錄，主要包含各控制方式的手動(dòng)自動(dòng)啟動(dòng)、停止及時(shí)間信息，以備事件查詢(xún)和處理。

（2）急停功能

考慮系統(tǒng)運(yùn)行需要，特別加入獨(dú)特的急停功能，按下急停按鈕后，所有輸出恢復(fù)初始狀態(tài)，即停止?fàn)顟B(tài)，且PLC進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，防止事故急停復(fù)歸后的重啟動(dòng)。復(fù)位急停功能必須斷開(kāi)PLC電源重新供電，程序才能重新執(zhí)行。

三、結(jié) 語(yǔ)

該技術(shù)在承德市武烈河第二道橡膠壩進(jìn)行了連續(xù)3個(gè)月各種方式的反復(fù)切換試驗(yàn)，均能滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，且運(yùn)行較為穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)完整，實(shí)現(xiàn)了橡膠壩自動(dòng)化破冰。該項(xiàng)目解決了冰體下移、凍脹對(duì)壩袋造成的技術(shù)性破壞，省時(shí)、省力又節(jié)約大量投資；同時(shí)大大提高了橡膠壩工程的管護(hù)水平，降低運(yùn)行成本；確保壩袋完好無(wú)損，延長(zhǎng)橡膠壩壩袋的使用壽命；解決了破冰人員落水的潛在危險(xiǎn)，確保橡膠壩工程效益的發(fā)揮。對(duì)北方寒冷地區(qū)運(yùn)行的橡膠壩工程、水庫(kù)大壩、閘門(mén)、溢洪道工程等有較大的推廣價(jià)值。該技術(shù)推廣前景廣闊，推廣價(jià)值高，其直接經(jīng)濟(jì)效益、間接經(jīng)濟(jì)效益巨大。

[1]高本虎.橡膠壩工程技術(shù)指南[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[2]周政民，馮俊玉.多沙河流橡膠壩工程運(yùn)行管理[J].河北水利水電技術(shù)，1993（1）.

[3]泵站設(shè)計(jì)規(guī)范 （GB/T50265-97）[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1997.

[4]龔仲華.S7-200/300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)（通用篇）[M].北京：人民郵電出版社，2007.