水工閘門(mén)及啟閉機(jī)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的研究與搭建

【摘要】針對(duì)水工閘門(mén)及啟閉機(jī)作業(yè)情況復(fù)雜、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難、故障預(yù)警難的問(wèn)題，提出了利用無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)建立一個(gè)完善的水工閘門(mén)及啟閉機(jī)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

【關(guān)鍵詞】閘門(mén)；啟閉機(jī)；在線(xiàn)監(jiān)測(cè)；專(zhuān)家系統(tǒng)

1、引言

水工閘門(mén)是水工建筑物的重要組成部分之一，通過(guò)靈活可靠的啟閉開(kāi)合，調(diào)節(jié)上下游水位和流量。啟閉機(jī)是開(kāi)啟和關(guān)閉閘門(mén)所用的機(jī)械，也稱(chēng)閘門(mén)操作設(shè)備，為閘門(mén)動(dòng)力源。作為水利工程的重點(diǎn)單元，水工閘門(mén)與啟閉機(jī)構(gòu)成的作業(yè)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)、電、液綜合系統(tǒng)，極其容易發(fā)生故障，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接決定該水利工程是否安全。

2、平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

平臺(tái)采用分布式部署、SOA（面向服務(wù)）架構(gòu)，應(yīng)用程序由各項(xiàng)不同的功能服務(wù)單元構(gòu)成，不同服務(wù)單元間的關(guān)聯(lián)由良好的服務(wù)接口完成，服務(wù)接口以中立的方式進(jìn)行定義，獨(dú)立于硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言，保證各項(xiàng)服務(wù)交互的統(tǒng)一性和通用性。平臺(tái)基于成熟可靠的Microsoft .NET Framework 4.0框架，使用C# 4.0編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫(kù)使用具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)服務(wù)引擎及跨平臺(tái)服務(wù)能力的大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)Microsoft SQL Server，為上層業(yè)務(wù)提供高可用、高性能的數(shù)據(jù)應(yīng)用程序?；凇肮δ芊植肌痹瓌t，平臺(tái)采用C/S（Client /Server 客戶(hù)端/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)?？蛻?hù)端完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)表示以及用戶(hù)接口功能；服務(wù)器端完成DBMS（數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)）的核心功能。

3、閘門(mén)及啟閉機(jī)信號(hào)采集

平臺(tái)監(jiān)測(cè)信號(hào)包括：金屬結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)力、閘門(mén)變形、動(dòng)力響應(yīng)、啟閉力和門(mén)槽水力學(xué)及門(mén)槽通風(fēng)。

3.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

閘門(mén)及啟閉機(jī)主要受力構(gòu)件的不同位置上布置應(yīng)變片和應(yīng)變花，受力發(fā)生變形后，應(yīng)變片和應(yīng)變花采集到相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變數(shù)據(jù)并傳輸給應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變數(shù)據(jù)再依次通過(guò)補(bǔ)償平衡電橋、應(yīng)變放大器和電荷放大器，最終匯聚到處理器。處理器進(jìn)行濾波、清噪、平均、回歸等處理后得到各測(cè)點(diǎn)、各方向的應(yīng)變實(shí)測(cè)值。

3.2 變形監(jiān)測(cè)

閘門(mén)工作區(qū)域內(nèi)布置多組具有夜視及紅外功能的高精度激光二維智能掃描傳感器，獲取閘門(mén)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)處于未變形形態(tài)下的固有數(shù)據(jù)，作為標(biāo)定數(shù)據(jù)。閘門(mén)啟閉和受到水流震蕩時(shí)，通過(guò)近景攝影測(cè)量技術(shù)，采用線(xiàn)中心投影的推掃方式，進(jìn)行垂直位移觀(guān)測(cè)和水平位移的觀(guān)測(cè)，獲取每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3.3 動(dòng)力響應(yīng)監(jiān)測(cè)

針對(duì)水工閘門(mén)及啟閉機(jī)的動(dòng)力響應(yīng)，采用在水工閘門(mén)不同位置安裝壓電加速度傳感器實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。閘門(mén)開(kāi)閉以及受到水流沖擊時(shí)，壓電傳感器壓電轉(zhuǎn)換元件輸出的電荷通過(guò)裝在傳感器內(nèi)部的前置放大器轉(zhuǎn)換成低阻抗的電壓輸出，并通過(guò)高通濾波器在恒電流電源的輸出端濾去直流電部分，形成質(zhì)量好、噪聲小、抗外界干擾能力強(qiáng)的測(cè)量信號(hào)。

3.4 啟閉力監(jiān)測(cè)

實(shí)時(shí)在線(xiàn)啟閉力監(jiān)測(cè)同應(yīng)力監(jiān)測(cè)，采用電測(cè)法，選用日本TML的AWC-8B-11-3LT焊接式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)同時(shí)采集閘門(mén)在實(shí)際擋水水頭下不同部位的啟門(mén)力、持住力、閉門(mén)力、最大啟門(mén)力、最大持住力、最大閉門(mén)力，并上傳給處理器，處理器根據(jù)實(shí)測(cè)值繪制出相應(yīng)的啟閉力過(guò)程曲線(xiàn)。

3.5 門(mén)槽水力學(xué)參數(shù)監(jiān)測(cè)

門(mén)槽水流流速采用電波測(cè)流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速水流的精確測(cè)量，結(jié)合門(mén)槽結(jié)構(gòu)的幾何尺寸參數(shù)和閘門(mén)開(kāi)度數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)輸出流量和水量數(shù)據(jù)。閘門(mén)流態(tài)觀(guān)察采用高清攝像頭監(jiān)控。閘門(mén)開(kāi)度采用水位傳感器采集和從啟閉機(jī)開(kāi)度數(shù)據(jù)分析。

3.6 門(mén)槽通風(fēng)監(jiān)測(cè)

門(mén)槽風(fēng)速采用數(shù)字式風(fēng)速儀監(jiān)測(cè)，使用MODBUS通訊協(xié)議，RS485通訊接口。由于此部分為成熟的集成方案，故不再作詳細(xì)敘述。

4、故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)構(gòu)建

4.1 系統(tǒng)模型

采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)和專(zhuān)家診斷系統(tǒng)的串行連接實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目的故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)。在串行相接法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專(zhuān)家系統(tǒng)內(nèi)部全由各個(gè)串行相接、獨(dú)立工作的模塊組成，共同對(duì)系統(tǒng)故障做出診斷。

4.2 系統(tǒng)建立

閘門(mén)及啟閉機(jī)故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)核心部分主要由知識(shí)存儲(chǔ)系統(tǒng)、學(xué)習(xí)系統(tǒng)、推理機(jī)和解釋器組成（人機(jī)交互界面此處不做敘述）。

知識(shí)存儲(chǔ)系統(tǒng)中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)存儲(chǔ)在構(gòu)成多層前饋網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)神經(jīng)元中；非神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示的知識(shí)利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)Microsoft SQL Server進(jìn)行分類(lèi)整理。二者之間的數(shù)據(jù)交換采用Microsoft提出的應(yīng)用程序接口：ADO（ActiveX Data Objects，ActiveX數(shù)據(jù)對(duì)象）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5、平臺(tái)運(yùn)行測(cè)試

水工閘門(mén)及啟閉機(jī)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件全部使用Microsoft Visual Studio 2015自主開(kāi)發(fā)。服務(wù)器采用IBM x3850 X6 4U機(jī)架式服務(wù)器，6核、12線(xiàn)程的配置，能夠滿(mǎn)足平臺(tái)測(cè)試需要，服務(wù)器安裝Windows Server 2008操作系統(tǒng)。客戶(hù)機(jī)使用4臺(tái)普通臺(tái)式電腦，其中兩臺(tái)安裝Windows 7操作系統(tǒng)，一臺(tái)為Windows 10 操作系統(tǒng)，另外一臺(tái)為L(zhǎng)inux操作系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)，全部使用PLC輸出做模擬測(cè)試，信號(hào)的波動(dòng)及閾值報(bào)警通過(guò)PLC程序控制。采集端數(shù)據(jù)的采集頻率及上傳頻率均設(shè)置為100毫秒。120小時(shí)的持續(xù)測(cè)試結(jié)果顯示查詢(xún)端對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)延遲小于0.5秒，達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)；針對(duì)模擬的應(yīng)力、變形量、動(dòng)力響應(yīng)及啟閉力和風(fēng)速等，平臺(tái)能夠輸出實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像和各項(xiàng)歷史數(shù)據(jù)報(bào)表，對(duì)于不安全值，平臺(tái)能夠自動(dòng)給出安全預(yù)警。

6、結(jié)語(yǔ)

水工閘門(mén)及啟閉機(jī)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的框架結(jié)構(gòu)及故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)于2014年在大型工業(yè)設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)中得到應(yīng)用，在一年多的運(yùn)行中，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、丟失等現(xiàn)象，能夠及時(shí)的對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行的不安全因素做出預(yù)警，有效的保證了設(shè)備的運(yùn)行安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖志懷，李朝暉，張志學(xué).ANFIS模糊神經(jīng)推理機(jī)在閘門(mén)綜合自動(dòng)化故障診斷中的應(yīng)用[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2004，02：41-44.