水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設備智能化控制研究

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)定運行，所以在水利水電工程的日常管理中，保證對金屬結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測，利用當前先進的技術(shù)水平建立金屬結(jié)構(gòu)設備的智能化控制體系，對我國水利系統(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)設備的正常使用，使管理人員可以通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)掌握設備的使用情況，進而實現(xiàn)對其的智能化控制。

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

1、引言

我國境內(nèi)河流湖泊眾多，水資源比較豐富，所以我國對于水力資源的應用極為重視，建造了眾多水利水電設施，比如水庫、水電站等，它們不僅有著防洪抗災的作用，還對我國提供了重要的電力資源。所以對于水利水電工程的安全維護就是水利系統(tǒng)關(guān)鍵工作，而水利水電工程中的金屬結(jié)構(gòu)設備，如閘門、啟閉機等對于水利設施的安全運行起到了重大作用，甚至可以說這些金屬結(jié)構(gòu)設備的正常運行直接影響了水利設施的安全。根據(jù)我國以往發(fā)生的許多水利水電工程事故來看，引發(fā)原因主要都是閘門、啟閉機等金屬結(jié)構(gòu)設備的損壞，所以對于水工閘門安全評估的傳統(tǒng)方法已經(jīng)是處于落后狀態(tài)，我們應當與時俱進發(fā)展新型的評估方法及對應的維修管理措施。

當前計算機研究逐漸深入，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也已經(jīng)實現(xiàn)普及，再加上傳感器技術(shù)的應用，我們完全可以針對水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設備建立一套先進的在線監(jiān)測系統(tǒng)，從而實現(xiàn)智能化控制的目的。這樣不僅符合當前“互聯(lián)網(wǎng)+”的趨勢，節(jié)省了人力資源的消耗，還提高了對閘門等檢測的成功率，減小了水利水電工程的事故發(fā)生率，對我國水利系統(tǒng)的長期發(fā)展都有著重要影響。本文通過有限元分析的方法，將計算機技術(shù)、網(wǎng)絡傳輸技術(shù)、自動控制技術(shù)等綜合運用，建立了對水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設備的在線監(jiān)測與智能化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了閘門等所受應力應變等的自動分析，充分掌握了閘門等金屬結(jié)構(gòu)設備的運行狀態(tài)，切實保障水利水電工程穩(wěn)定運行。

2、智能化控制系統(tǒng)總體框架

2.1需求分析

本系統(tǒng)是從實際水利水電工程中對金屬結(jié)構(gòu)設備的智能化控制需求出發(fā)，針對泄洪、倒流、發(fā)電等不同運行情況，開發(fā)出對金屬結(jié)構(gòu)設備的不同監(jiān)測系統(tǒng)，設計出在這些情況下運行的標準參數(shù)，再將監(jiān)測數(shù)據(jù)與之進行比較，從而判斷設備的運行狀態(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、預警、維修記錄建立數(shù)據(jù)庫，將監(jiān)測數(shù)據(jù)自動上傳并進行比對，實現(xiàn)智能化控制?？梢灶A見本系統(tǒng)的普及運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)對于突發(fā)情況的應對能力，在降低維修、管理人員的工作量的同時還增強了水利系統(tǒng)的安全性。對金屬結(jié)構(gòu)設備而言，不僅能加強其控制效率，還降低了其損壞、維修的頻率，延長了使用壽命。

2.2系統(tǒng)的構(gòu)成及互聯(lián)

首先，我們對于水工閘門、啟閉機等眾多金屬結(jié)構(gòu)設備展開了細致研究及分析，充分了解了它們在不同環(huán)境下的運行原理與工作情況，為其設立了不同狀態(tài)下的標準參數(shù)并選擇其中的關(guān)鍵點。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)設備運行的標準模型，并根據(jù)以往經(jīng)驗及相關(guān)知識創(chuàng)建運行狀態(tài)警示數(shù)據(jù)庫。

其次，對水利水電工程中的金屬結(jié)構(gòu)設備關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集點安裝傳感器，實時監(jiān)測金屬結(jié)構(gòu)設備的運行狀態(tài)并采集關(guān)鍵參數(shù)。其中主要關(guān)鍵參數(shù)有：閘門及啟閉機等金屬結(jié)構(gòu)設備所承載的靜應力、動應力、應變量等。

之后根據(jù)實時監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳，并與標準數(shù)據(jù)對比，實現(xiàn)系統(tǒng)自動分析金屬結(jié)構(gòu)設備的運行狀態(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)庫中的數(shù)據(jù)進行對比，判斷設備故障原因，并發(fā)出安全預警，整個流程就構(gòu)成了自動化的安全評估系統(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，不僅實現(xiàn)中心控制與遠程操控，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)出的預警提示判斷故障部位，從而有針對性地做出應對，遠程對閘門及啟閉機等金屬結(jié)構(gòu)設備進行操控，不僅提高了對設備故障的反應程度，還大大增加了安全效率。

3、在線監(jiān)測系統(tǒng)

3.1實時在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

當前，針對金屬結(jié)構(gòu)設備的檢查，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)人員的對設備進行定期檢測并評估其使用狀況，或是當設備出現(xiàn)明顯故障后才進行檢修。這種方法雖然也能基本保證水利水電工程的正常運行，但整個過程存在了大量問題：首先就是這種方法大量依賴檢修人員的專業(yè)能力，浪費了大量人力資源，而且檢修對工作人員的專業(yè)水平要求極高，我國目前的人員儲備并不能滿足所有水利水電工程的需求。所以當前存在一定的檢修人員專業(yè)能力不足，導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遇到目前人力無法企及的故障類型，導致整體的檢修效率并不高。

而水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設備的在線實時監(jiān)測系統(tǒng)可以通過監(jiān)測設備的各項數(shù)據(jù)，直接找出設備故障的外在表現(xiàn)與內(nèi)在原因，機械設備的采集點分布極廣，很大程度上就避免的人工局限性，而且因為是實時監(jiān)測，可以對突發(fā)事故做出迅速反應。此系統(tǒng)不僅是數(shù)據(jù)采集還可以進行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對故障的自動化評估判斷。

3.2實時在線監(jiān)測標準體系的研究

因為實時在線監(jiān)測系統(tǒng)仍處于起步階段，實際應用并未普及，所以針對其運行國家或地方政府并沒有明確標準，且發(fā)展程度不足導致其無法形成產(chǎn)業(yè)化，也就不存在行業(yè)規(guī)范。但已經(jīng)有地區(qū)意識到該系統(tǒng)的重要性，開始著手擬定相關(guān)標準規(guī)范。筆者認為針對該系統(tǒng)的行業(yè)標準應該以規(guī)范水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設備的運行狀態(tài)，為其提供實時參數(shù)監(jiān)測并評估故障原因及類型的相關(guān)技術(shù)為原則，參照其他已有實時監(jiān)測系統(tǒng)的行業(yè)規(guī)范，充分尊重新技術(shù)的應用方法，在保障系統(tǒng)正確使用的同時要最大程度上鼓勵其后續(xù)的發(fā)展創(chuàng)新。

4、金屬結(jié)構(gòu)設備在線監(jiān)測技術(shù)的運用

4.1“頻率掃描法”識別金屬結(jié)構(gòu)設備自振頻率技術(shù)

該技術(shù)就是通過變頻電機在金屬結(jié)構(gòu)設備的關(guān)鍵部位進行激振，并且激振頻率均勻增大直至200Hz，以此來找到水工閘門的共振點，以此為依據(jù)來設置合理的水工閘門振動標準值，相關(guān)參數(shù)包括水工閘門的振動位移和振動頻率。表1為系統(tǒng)試用期間監(jiān)測到的弧形閘門在流激振動條件下的相關(guān)參數(shù)。

從上表可以得出，當水工閘門的振動頻率在40Hz以內(nèi)且振動位移不超過0.09mm時，閘門處于安全運行的狀態(tài);而閘門振動頻率超過40Hz后，系統(tǒng)就會自動發(fā)出輕微的預警提示;當振動頻率超過50Hz后，就代表此時水工閘門產(chǎn)生的振動可能會引發(fā)危險，系統(tǒng)就會自動發(fā)出較強預警提示;當振動頻率超過52Hz，水工閘門產(chǎn)生的振動已經(jīng)會引發(fā)嚴重后果，系統(tǒng)會發(fā)出強烈預警，提示管理人員及時做出應對。但是從上表數(shù)據(jù)可以看出，50Hz與52Hz這兩個階段的跨度并不大，所以一旦系統(tǒng)發(fā)出較強預警，管理就應該提起重視，以避免閘門振動頻率持續(xù)上升引發(fā)事故。

4.2聲振技術(shù)監(jiān)測支鉸軸承故障

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

5、運行控制系統(tǒng)

5.1運行控制系統(tǒng)原理

智能化控制系統(tǒng)主要針對的是水利水電工程中的閘門及啟閉機的運行控制，下面本文就以泄洪洞閘門為例介紹控制系統(tǒng)的工作原理。對其運行狀況進行實時監(jiān)測，并實現(xiàn)閘門的遠程控制，實現(xiàn)水庫閘門運行的自動化管理。首先本系統(tǒng)會在泄洪洞閘門的控制室內(nèi)建立一個具有編程功能的現(xiàn)場控制端，再利用光纖將水庫端與泄洪洞的現(xiàn)場端連接，實時傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析評估結(jié)果等，以此為依據(jù)使得水庫端可以實現(xiàn)對泄洪洞閘門的遠程控制。

運行控制系統(tǒng)是將實時監(jiān)測系統(tǒng)采集到的閘門運行過程中的數(shù)據(jù)以有限元分析的方法判斷其運行是否正常，再通過將傳感器測量到的閘門啟閉應力等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為預警等級、閘門啟閉力度、閘門運行位移等可視的參數(shù)形式，將閘門的實際啟閉狀態(tài)直觀地展示在控制中心的管理人員面前?？刂浦行脑俑鶕?jù)閘門狀態(tài)通過通信系統(tǒng)將控制質(zhì)量下發(fā)到泄洪洞現(xiàn)場，再有泄洪洞現(xiàn)場的控制室實施對閘門的控制行為。

5.2中央設備與遠程自動控制

運行控制系統(tǒng)的控制方法有中央設備控制和遠程自動控制兩種，在泄洪洞的現(xiàn)場可編程控制站中有中央設備控制和遠程自動控制的切換開關(guān)，當選擇遠程自動控制方法時，泄洪洞現(xiàn)場的設備就無法發(fā)揮控制功能，但可以對突發(fā)情況采取急停措施。遠程控制指令是通絡互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與泄洪洞現(xiàn)場的可編程系統(tǒng)連接，現(xiàn)場系統(tǒng)再將控制指令以電信號的形式傳達給控制閘門運行的電氣控制室中，以此來實現(xiàn)遠程對閘門上升、下降、開度選擇等的控制。當選擇中央設備控制方法時，自動化控制指令就無法直接傳達到電氣控制室，而是由人為在泄洪洞現(xiàn)場控制室中對閘門的啟閉進行操控，此時遠程端只能接收閘門實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)及運行狀況，以此來對人工操作進行指揮。此外，遠程控制端還會將接收到的以閘門參數(shù)為依據(jù)分析得到的閘門運行狀況、故障原因及類型、閘門運行時長等數(shù)據(jù)上傳到預警提示數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)的分析判斷提供參考，還可據(jù)此來制定合理的檢修計劃。

5.3運行控制系統(tǒng)具體組成

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

監(jiān)控中心站與實時監(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)控數(shù)據(jù)儲存與輸出的功能，為遠程控制中心傳遞閘門及啟閉機的運行狀況，從而實現(xiàn)遠程控制閘門啟閉等活動。監(jiān)控終端就是對閘門實施監(jiān)控，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，對突發(fā)情況做出應急停機處理，并接受遠程控制中心的操控指令，向電氣控制室下發(fā)操控電信號。而傳感器就是實際采集閘門運行中數(shù)據(jù)的設備，此外還負責對閘門啟閉的控制操作。

結(jié)語：

根據(jù)當前水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設備監(jiān)測維修等存在的漏洞與缺陷，建立實時監(jiān)測與智能化控制系統(tǒng)，不僅可以對金屬結(jié)構(gòu)設備的運行狀況充分掌握，還提高了水利系統(tǒng)對突發(fā)情況的應對能力，降低了人力成本，實現(xiàn)了對終端閘門等金屬結(jié)構(gòu)設備的遠程控制。對水利水電工程的長期發(fā)展及延長金屬結(jié)構(gòu)設備的使用壽命具有重要意義。

參考文獻：

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