袁昕

【摘要】水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)在水利水電工程中發(fā)揮著巨大作用，維持著工程的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，所以在水利水電工程的日常管理中，保證對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用當(dāng)前先進(jìn)的技術(shù)水平建立金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的智能化控制體系，對(duì)我國(guó)水利系統(tǒng)有著重要意義。它不僅可以保障水利水電工程功能的正常發(fā)揮，還保障了金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的正常使用，使管理人員可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)掌握設(shè)備的使用情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)其的智能化控制。

【關(guān)鍵詞】水利水電工程;金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備;智能化控制 【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.35.083

1、引言

我國(guó)境內(nèi)河流湖泊眾多，水資源比較豐富，所以我國(guó)對(duì)于水力資源的應(yīng)用極為重視，建造了眾多水利水電設(shè)施，比如水庫(kù)、水電站等，它們不僅有著防洪抗災(zāi)的作用，還對(duì)我國(guó)提供了重要的電力資源。所以對(duì)于水利水電工程的安全維護(hù)就是水利系統(tǒng)關(guān)鍵工作，而水利水電工程中的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備，如閘門(mén)、啟閉機(jī)等對(duì)于水利設(shè)施的安全運(yùn)行起到了重大作用，甚至可以說(shuō)這些金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的正常運(yùn)行直接影響了水利設(shè)施的安全。根據(jù)我國(guó)以往發(fā)生的許多水利水電工程事故來(lái)看，引發(fā)原因主要都是閘門(mén)、啟閉機(jī)等金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的損壞，所以對(duì)于水工閘門(mén)安全評(píng)估的傳統(tǒng)方法已經(jīng)是處于落后狀態(tài)，我們應(yīng)當(dāng)與時(shí)俱進(jìn)發(fā)展新型的評(píng)估方法及對(duì)應(yīng)的維修管理措施。

當(dāng)前計(jì)算機(jī)研究逐漸深入，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)普及，再加上傳感器技術(shù)的應(yīng)用，我們完全可以針對(duì)水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備建立一套先進(jìn)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)智能化控制的目的。這樣不僅符合當(dāng)前“互聯(lián)網(wǎng)+”的趨勢(shì)，節(jié)省了人力資源的消耗，還提高了對(duì)閘門(mén)等檢測(cè)的成功率，減小了水利水電工程的事故發(fā)生率，對(duì)我國(guó)水利系統(tǒng)的長(zhǎng)期發(fā)展都有著重要影響。本文通過(guò)有限元分析的方法，將計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等綜合運(yùn)用，建立了對(duì)水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了閘門(mén)等所受應(yīng)力應(yīng)變等的自動(dòng)分析，充分掌握了閘門(mén)等金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，切實(shí)保障水利水電工程穩(wěn)定運(yùn)行。

2、智能化控制系統(tǒng)總體框架

2.1需求分析

本系統(tǒng)是從實(shí)際水利水電工程中對(duì)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的智能化控制需求出發(fā)，針對(duì)泄洪、倒流、發(fā)電等不同運(yùn)行情況，開(kāi)發(fā)出對(duì)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的不同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出在這些情況下運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，再將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與之進(jìn)行比較，從而判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并做出提示或維修建議等。另外本系統(tǒng)還可以根據(jù)監(jiān)測(cè)、預(yù)警、維修記錄建立數(shù)據(jù)庫(kù)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳并進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)智能化控制?？梢灶A(yù)見(jiàn)本系統(tǒng)的普及運(yùn)用將極大地極大地提升水利系統(tǒng)的工作質(zhì)量，提高系統(tǒng)對(duì)于突發(fā)情況的應(yīng)對(duì)能力，在降低維修、管理人員的工作量的同時(shí)還增強(qiáng)了水利系統(tǒng)的安全性。對(duì)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備而言，不僅能加強(qiáng)其控制效率，還降低了其損壞、維修的頻率，延長(zhǎng)了使用壽命。

2.2系統(tǒng)的構(gòu)成及互聯(lián)

首先，我們對(duì)于水工閘門(mén)、啟閉機(jī)等眾多金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備展開(kāi)了細(xì)致研究及分析，充分了解了它們?cè)诓煌h(huán)境下的運(yùn)行原理與工作情況，為其設(shè)立了不同狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)并選擇其中的關(guān)鍵點(diǎn)。再利用有限元分析、原型模擬等方法，建立了三維立體的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)模型，并根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)知識(shí)創(chuàng)建運(yùn)行狀態(tài)警示數(shù)據(jù)庫(kù)。

其次，對(duì)水利水電工程中的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集點(diǎn)安裝傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并采集關(guān)鍵參數(shù)。其中主要關(guān)鍵參數(shù)有：閘門(mén)及啟閉機(jī)等金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備所承載的靜應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)力、應(yīng)變量等。

之后根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳，并與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)分析金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，判斷其是否出現(xiàn)故障，將出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)和警示數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷設(shè)備故障原因，并發(fā)出安全預(yù)警，整個(gè)流程就構(gòu)成了自動(dòng)化的安全評(píng)估系統(tǒng)。

最后，根據(jù)數(shù)據(jù)分析建立智能化管理控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)依照分布式控制的形式，不僅實(shí)現(xiàn)中心控制與遠(yuǎn)程操控，而且以可視化的手段為控制效果做出保障。操作人員可以根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的預(yù)警提示判斷故障部位，從而有針對(duì)性地做出應(yīng)對(duì)，遠(yuǎn)程對(duì)閘門(mén)及啟閉機(jī)等金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備進(jìn)行操控，不僅提高了對(duì)設(shè)備故障的反應(yīng)程度，還大大增加了安全效率。

3、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

當(dāng)前，針對(duì)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的檢查，水利系統(tǒng)使用的絕大部分還是傳統(tǒng)的方法，即依靠專業(yè)人員的對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期檢測(cè)并評(píng)估其使用狀況，或是當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)明顯故障后才進(jìn)行檢修。這種方法雖然也能基本保證水利水電工程的正常運(yùn)行，但整個(gè)過(guò)程存在了大量問(wèn)題：首先就是這種方法大量依賴檢修人員的專業(yè)能力，浪費(fèi)了大量人力資源，而且檢修對(duì)工作人員的專業(yè)水平要求極高，我國(guó)目前的人員儲(chǔ)備并不能滿足所有水利水電工程的需求。所以當(dāng)前存在一定的檢修人員專業(yè)能力不足，導(dǎo)致日常檢修工作并不合格，而即便是專業(yè)能力足夠的檢修人員也會(huì)遇到目前人力無(wú)法企及的故障類(lèi)型，導(dǎo)致整體的檢修效率并不高。

而水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，直接找出設(shè)備故障的外在表現(xiàn)與內(nèi)在原因，機(jī)械設(shè)備的采集點(diǎn)分布極廣，很大程度上就避免的人工局限性，而且因?yàn)槭菍?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以對(duì)突發(fā)事故做出迅速反應(yīng)。此系統(tǒng)不僅是數(shù)據(jù)采集還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的自動(dòng)化評(píng)估判斷。

3.2實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)體系的研究

因?yàn)閷?shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍處于起步階段，實(shí)際應(yīng)用并未普及，所以針對(duì)其運(yùn)行國(guó)家或地方政府并沒(méi)有明確標(biāo)準(zhǔn)，且發(fā)展程度不足導(dǎo)致其無(wú)法形成產(chǎn)業(yè)化，也就不存在行業(yè)規(guī)范。但已經(jīng)有地區(qū)意識(shí)到該系統(tǒng)的重要性，開(kāi)始著手?jǐn)M定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。筆者認(rèn)為針對(duì)該系統(tǒng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該以規(guī)范水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為其提供實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測(cè)并評(píng)估故障原因及類(lèi)型的相關(guān)技術(shù)為原則，參照其他已有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的行業(yè)規(guī)范，充分尊重新技術(shù)的應(yīng)用方法，在保障系統(tǒng)正確使用的同時(shí)要最大程度上鼓勵(lì)其后續(xù)的發(fā)展創(chuàng)新。

4、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的運(yùn)用

4.1“頻率掃描法”識(shí)別金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備自振頻率技術(shù)

該技術(shù)就是通過(guò)變頻電機(jī)在金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的關(guān)鍵部位進(jìn)行激振，并且激振頻率均勻增大直至200Hz，以此來(lái)找到水工閘門(mén)的共振點(diǎn)，以此為依據(jù)來(lái)設(shè)置合理的水工閘門(mén)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值，相關(guān)參數(shù)包括水工閘門(mén)的振動(dòng)位移和振動(dòng)頻率。表1為系統(tǒng)試用期間監(jiān)測(cè)到的弧形閘門(mén)在流激振動(dòng)條件下的相關(guān)參數(shù)。

從上表可以得出，當(dāng)水工閘門(mén)的振動(dòng)頻率在40Hz以內(nèi)且振動(dòng)位移不超過(guò)0.09mm時(shí)，閘門(mén)處于安全運(yùn)行的狀態(tài);而閘門(mén)振動(dòng)頻率超過(guò)40Hz后，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)發(fā)出輕微的預(yù)警提示;當(dāng)振動(dòng)頻率超過(guò)50Hz后，就代表此時(shí)水工閘門(mén)產(chǎn)生的振動(dòng)可能會(huì)引發(fā)危險(xiǎn)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)發(fā)出較強(qiáng)預(yù)警提示;當(dāng)振動(dòng)頻率超過(guò)52Hz，水工閘門(mén)產(chǎn)生的振動(dòng)已經(jīng)會(huì)引發(fā)嚴(yán)重后果，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈預(yù)警，提示管理人員及時(shí)做出應(yīng)對(duì)。但是從上表數(shù)據(jù)可以看出，50Hz與52Hz這兩個(gè)階段的跨度并不大，所以一旦系統(tǒng)發(fā)出較強(qiáng)預(yù)警，管理就應(yīng)該提起重視，以避免閘門(mén)振動(dòng)頻率持續(xù)上升引發(fā)事故。

4.2聲振技術(shù)監(jiān)測(cè)支鉸軸承故障

滾動(dòng)軸承的通常方法是使用加速傳感器，這是一種國(guó)際公認(rèn)的方法和標(biāo)準(zhǔn)。然而，離心軸承是一種低速滑動(dòng)裝置，加速度傳感器無(wú)法準(zhǔn)確和高質(zhì)量的診斷。將加速度傳感器和聲波傳感器結(jié)合起來(lái)，形成聲震傳感器。這是一種廣寬和高度敏感的聲波振動(dòng)傳感器，能夠準(zhǔn)確探測(cè)滑動(dòng)軸的缺陷、裂縫、壓力、腐蝕鉆、膠水等，從而提高診斷質(zhì)量。

5、運(yùn)行控制系統(tǒng)

5.1運(yùn)行控制系統(tǒng)原理

智能化控制系統(tǒng)主要針對(duì)的是水利水電工程中的閘門(mén)及啟閉機(jī)的運(yùn)行控制，下面本文就以泄洪洞閘門(mén)為例介紹控制系統(tǒng)的工作原理。對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)閘門(mén)的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)閘門(mén)運(yùn)行的自動(dòng)化管理。首先本系統(tǒng)會(huì)在泄洪洞閘門(mén)的控制室內(nèi)建立一個(gè)具有編程功能的現(xiàn)場(chǎng)控制端，再利用光纖將水庫(kù)端與泄洪洞的現(xiàn)場(chǎng)端連接，實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析評(píng)估結(jié)果等，以此為依據(jù)使得水庫(kù)端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)泄洪洞閘門(mén)的遠(yuǎn)程控制。

運(yùn)行控制系統(tǒng)是將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的閘門(mén)運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)以有限元分析的方法判斷其運(yùn)行是否正常，再通過(guò)將傳感器測(cè)量到的閘門(mén)啟閉應(yīng)力等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為預(yù)警等級(jí)、閘門(mén)啟閉力度、閘門(mén)運(yùn)行位移等可視的參數(shù)形式，將閘門(mén)的實(shí)際啟閉狀態(tài)直觀地展示在控制中心的管理人員面前。控制中心再根據(jù)閘門(mén)狀態(tài)通過(guò)通信系統(tǒng)將控制質(zhì)量下發(fā)到泄洪洞現(xiàn)場(chǎng)，再有泄洪洞現(xiàn)場(chǎng)的控制室實(shí)施對(duì)閘門(mén)的控制行為。

5.2中央設(shè)備與遠(yuǎn)程自動(dòng)控制

運(yùn)行控制系統(tǒng)的控制方法有中央設(shè)備控制和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制兩種，在泄洪洞的現(xiàn)場(chǎng)可編程控制站中有中央設(shè)備控制和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制的切換開(kāi)關(guān)，當(dāng)選擇遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方法時(shí)，泄洪洞現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備就無(wú)法發(fā)揮控制功能，但可以對(duì)突發(fā)情況采取急停措施。遠(yuǎn)程控制指令是通絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與泄洪洞現(xiàn)場(chǎng)的可編程系統(tǒng)連接，現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)再將控制指令以電信號(hào)的形式傳達(dá)給控制閘門(mén)運(yùn)行的電氣控制室中，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)閘門(mén)上升、下降、開(kāi)度選擇等的控制。當(dāng)選擇中央設(shè)備控制方法時(shí)，自動(dòng)化控制指令就無(wú)法直接傳達(dá)到電氣控制室，而是由人為在泄洪洞現(xiàn)場(chǎng)控制室中對(duì)閘門(mén)的啟閉進(jìn)行操控，此時(shí)遠(yuǎn)程端只能接收閘門(mén)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀況，以此來(lái)對(duì)人工操作進(jìn)行指揮。此外，遠(yuǎn)程控制端還會(huì)將接收到的以閘門(mén)參數(shù)為依據(jù)分析得到的閘門(mén)運(yùn)行狀況、故障原因及類(lèi)型、閘門(mén)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)等數(shù)據(jù)上傳到預(yù)警提示數(shù)據(jù)庫(kù)中，為后續(xù)的分析判斷提供參考，還可據(jù)此來(lái)制定合理的檢修計(jì)劃。

5.3運(yùn)行控制系統(tǒng)具體組成

泄洪洞現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行控制系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心站、監(jiān)控終端站、傳感器和電纜等設(shè)備組成。

監(jiān)控中心站與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)相連，利用可編程系統(tǒng)為管理人員提供相關(guān)操作的可能性，還具有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)儲(chǔ)存與輸出的功能，為遠(yuǎn)程控制中心傳遞閘門(mén)及啟閉機(jī)的運(yùn)行狀況，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制閘門(mén)啟閉等活動(dòng)。監(jiān)控終端就是對(duì)閘門(mén)實(shí)施監(jiān)控，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)突發(fā)情況做出應(yīng)急停機(jī)處理，并接受遠(yuǎn)程控制中心的操控指令，向電氣控制室下發(fā)操控電信號(hào)。而傳感器就是實(shí)際采集閘門(mén)運(yùn)行中數(shù)據(jù)的設(shè)備，此外還負(fù)責(zé)對(duì)閘門(mén)啟閉的控制操作。

結(jié)語(yǔ)：

根據(jù)當(dāng)前水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備監(jiān)測(cè)維修等存在的漏洞與缺陷，建立實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能化控制系統(tǒng)，不僅可以對(duì)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的運(yùn)行狀況充分掌握，還提高了水利系統(tǒng)對(duì)突發(fā)情況的應(yīng)對(duì)能力，降低了人力成本，實(shí)現(xiàn)了對(duì)終端閘門(mén)等金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。對(duì)水利水電工程的長(zhǎng)期發(fā)展及延長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的使用壽命具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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