李俊楠，溫達文

(廣州市增城區(qū)水務建設管理所，廣東 廣州 511300)

0 引言

水利啟閉系統(tǒng)作為水利工程建設的重要組成部分，河道閘門通過封閉或開啟孔口來調(diào)節(jié)上下游的水位和流量。當前，水利工程建設技術隨著社會發(fā)展而不斷更新，工程對應的技術應當隨之更新，但綜合我國目前水利工程建設與發(fā)展現(xiàn)狀可知，大部分工程中的啟閉機無法滿足工程實際應用需求，有必要投入資金進一步改善設備[1-3]。

目前國內(nèi)外對啟閉機系統(tǒng)開展了部分研究。申林等[4]提出一種面向水利水電工程的閘門啟閉機設計選型方法,通過分析閘門啟閉機的種類劃分方式,布設閘門啟閉機機械參數(shù),采用油泵閘門自動啟動的方式,控制活塞桿的沉降。李福平[5]為確保灌溉的及時性、準確性和效率,提出水利水電工程閘門的控制方法與運行維護策略。韓一峰[6]結(jié)合計算機技術以及自動控制技術, 實現(xiàn)對水利工程閘門啟閉機進行檢測和控制。王祖祥[7]為解決啟閉機螺桿暴露在外部, 易出現(xiàn)老化、銹蝕問題,對閉式直推啟閉機進行了分析。謝釗[8]為實現(xiàn)對閘門啟閉機的高效控制,通過計算機技術實現(xiàn)對閘門啟閉機的自動化控制與監(jiān)控。

本文以某防洪堤模型為例，采用地測設備和光纖對河堤的變形進行了監(jiān)測分析，并對比了兩者的監(jiān)測精度，結(jié)果表明使用光纖傳感器可以顯著提高監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度，對于防洪堤水位變化引起的險情能夠進行精準測量。

1 工程概況

正果攔河壩位于增江中下游、增城區(qū)正果鎮(zhèn)以北2 km的蒙花布村附近。閘上集雨面積為2 275 km2。增江發(fā)源于新豐縣七星嶺，河流長度為203 km，主流自北向南流經(jīng)從化、龍門、增城，在增城區(qū)的觀海口處匯入東江北干流，進入東江三角洲地區(qū)。增江流域面積呈狹長扇形，總集雨面積為3 160 km2。流域北連新豐縣，南接東莞，東連河源、博羅，西臨從化，地理位置是東經(jīng)113°40′～114°21′，北緯23°08′～23°58′之間，東西寬約61 km，南北長約90 km。

本工程用電負荷的電壓等級均為380/220 V。攔河壩用電擬按二級負荷考慮。根據(jù)攔河壩負荷容量，結(jié)合現(xiàn)狀供電情況。從正果水電站引入一回6.3kV電源至壩區(qū)管理中心高壓室,新設一臺SC(B)13-250/6kV(6±2×2.5%/0.4kV)變壓器，降壓后為壩區(qū)設備負荷供電。攔河壩另設置一臺備用功率為125 kW，0.4 kV柴油發(fā)電機作為備用電源(按一臺液壓泵站啟動容量考慮)。6.3 kV電源考慮由現(xiàn)有電站至攔河壩架空線終端桿T接至泄水閘管理中心高壓室，線路采用埋地電纜(ZCYJV22-8.7/15KV-3×70)，長度約0.4 km考慮。圖1為工程總布置示意圖。

圖1 工程總布置示意圖

2 傳感器安裝

圖2顯示了超聲波、聲納傳感器、電容式液位傳感器的安裝，用于做出自動化控制決策。聲納傳感器可以直接探測和識別水中的物體和水底的輪廓，聲納傳感器發(fā)出一個聲波信號，當遇到物體后會反射回來，依據(jù)反射時間及波型去計算它的距離及位置超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。聲納傳感器主要用于探測生物，比如用于探測水底有哪些生物，生物體形有多大等。電容式液位傳感器采用靜電原理。這種傳感器的測量通常包括電容器的一個板，板的外部是傳感器的外觀外殼。這種外部測量通常是貼緊設備的容器。液體進行上升下降的變化時，內(nèi)部導體由于液體的接近覆蓋，電容器的介電常數(shù)因此改變，所以電容改變，和電路連接到測量頭的狀態(tài)也發(fā)生了變化，因此可以控制開關打開或關閉。圖3為傳感器初始測量數(shù)據(jù)。

圖2 超聲波聲納傳感器、電容式水位傳感器安裝

3 傳感器原始數(shù)據(jù)分析

本文將在晚上記錄的樣本數(shù)據(jù)集被提取出來用于分析。數(shù)據(jù)記錄時，上游聲納傳感器和下游電容傳感器的采樣率設置為430個采樣/分鐘。原始數(shù)據(jù)顯示，通過將整個集合劃分為小窗口，可以應用大量小波紋和不必要的噪聲過濾，這是一種方便且更準確的方法。因此，原始數(shù)據(jù)在本地窗口(一分鐘間隔)中進行平滑過濾。通過應用標準平滑濾波器來研究濾波的精度，例如移動平均低通濾波器(濾波器系數(shù)等于跨度的倒數(shù))，Savitzky-golay濾波器(濾波器系數(shù)由未加權線性最小二乘回歸確定的移動平均濾波器)，使用加權線性最小二乘法進行局部回歸的高次多項式模型濾波器, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)最佳濾波效果為Lowess濾波器，這是一種高次多項式模型低通濾波器，為回歸中的異常值分配較低的權重。該方法為六個平均絕對偏差之外的數(shù)據(jù)分配零權重。圖3和圖4顯示了傳感器數(shù)據(jù)兩個樣本的過濾效果。圖5和圖6給出了同一時間間隔上游水位和下游波動的過濾效果。

圖3 傳感器數(shù)據(jù)樣本的過濾效果 圖4 上游傳感器數(shù)據(jù)樣本的過濾效果

圖5 下游傳感器數(shù)據(jù)樣本的過濾效果 圖6 下游傳感器數(shù)據(jù)樣本的過濾效果

由圖可知，水閘上游比水閘下游波動大，波動的范圍位于0～50 cm之間，傳感器讀數(shù)超過兩小時后超過陸地高度。下游波動范圍在0～5 cm之間。當波動較大時，自由表面流動的梯度沿一個方向作用，因此，水開始流動方向一直從上游向下游發(fā)展，而最大波動越來越大。因此，最大波浪波動超出可用波動高度每個數(shù)據(jù)點窗口都可以單獨標識為關鍵參數(shù)。

在實際工程當中，如果有一個閘門保持打開，則有向下游流動的趨勢。為了檢測這種大波動的頻率，需要計算相鄰數(shù)據(jù)的最大波動，該平均值用于確定趨勢隨時間的波動。這些最大波動頻繁出現(xiàn)的高頻間隔的時間間隔取決于地理位置、排放點和周圍的天氣條件，如風，波浪湍流，最大波動可能會以隨機時間間隔出現(xiàn)。這個時間間隔是一個變量，沒有一個精確的時間長度。

4 自動化控制系統(tǒng)設計

根據(jù)實際工況，設計三種工作條件下操作閘門，即完全打開、半打開和完全閉合。為此，齒輪電機每次都必須在前進和后退方向上通電。三個按鈕用于提供移動信號。使用三個彩色指示燈指示閘門位置。除了三個傳感器外，五個限位開關用于了解閘門相對于運動狀態(tài)的位置，其中三個固定在一側(cè)，以便可以檢測閘門的底部位置、中間位置和頂部位置，其余兩個用于在底部和頂部限位開關發(fā)生故障時提供預備的安全性。此外，還有泵與新電氣集成系統(tǒng)，可用于相同用途。圖7為本次設計的系統(tǒng)硬件組件。表1為電氣部件簡介。

表1 為電氣部件簡介

圖7 本次設計的系統(tǒng)硬件組件

本設計考慮到所需的操作水平和可靠性，選擇可編程邏輯控制器作為主控制器。兩個三相接觸器用于根據(jù)PLC命令在垂直向上和向下方向上驅(qū)動齒輪電機。另一個三相接觸器用于通過響應PLC命令來驅(qū)動泵電機。人機界面用于通過沖壓輸入、更改參數(shù)、顯示錯誤消息等方式方便用戶訪問。兼容的軟件平臺由PLC制造商提供，梯形圖邏輯用作編程語言。

5 測試結(jié)果分析

圖8給出了進行現(xiàn)場測試期間內(nèi)水位的波動變化，圖9為通過觀察閘門的運動來檢查控制器的響應。由圖可知，水位波動在24 h內(nèi)被精準的測量下來，最低峰為16 cm以下，最大峰值大于34 cm。圖9中可明顯看到，當啟閉系統(tǒng)設置為自動化工作模式下，對水位波動的響應均被清晰的記錄下來。控制器主要決定閘門在三個位置的移動；頂部位置(完全打開)、底部位置(完全關閉)和中間位置(半打開)，閘門的滑動范圍固定在距渠底210 cm處。

圖8 現(xiàn)場測試期間內(nèi)水位的波動變化 圖9 閘門的運動自動響應

6 結(jié)語

該研究先提出了一種精確的數(shù)學分析技術，用于識別水閘上下游的波浪模式。之后進一步證明，無論匯合點處流體相互作用多復雜，均可以實現(xiàn)啟發(fā)式控制器，以自主模式操作水閘閘門。本文所提出的啟發(fā)式控制器是一種依賴于結(jié)構(gòu)的電氣裝置，水位經(jīng)常會發(fā)生變化，上游水位也會根據(jù)當?shù)丨h(huán)境的天氣模式發(fā)生變化，因此必須反復進行現(xiàn)場測試，以檢查控制器的性能，并進行相應的修改，通過多次重復數(shù)據(jù)分析，可以提高預測模型的準確性。此外，本系統(tǒng)除了傳感器參數(shù)讀數(shù)被納入分析指標以外，人工觀察數(shù)值也被轉(zhuǎn)移到自動化過程中。這種啟發(fā)式方法最重要的參數(shù)之一是上游水流參數(shù)，由于動態(tài)參數(shù)模型太復雜，很難建立，因此可在后續(xù)工作中繼續(xù)補充研發(fā)。