郭勤军，郭钟源

（1.南水北调中线干线工程建设管理局，河南郑州，450046；2.郑州市第七中学，河南郑州，450053）

自动升降防鸟卷帘门设计方案简介

郭勤军1，郭钟源2

（1.南水北调中线干线工程建设管理局，河南郑州，450046；2.郑州市第七中学，河南郑州，450053）

水位升降防鸟卷帘门的自动化设计是提高闸站自动化水平、防范鸟患威胁、确保安全输水的举措之一。其工作原理为：超声采集水位信息，通过编程单片机处理并驱动电机同步正反转，实现了卷帘门随水位升降的自动化要求。该设计自动化程度高、防鸟效果好，是工程应用领域的创新。与传统防鸟设施相比，既减少了人工作业的繁琐，又降低了安全风险，为闸站防鸟及类似工程问题找到了一种可靠办法。

超声测距；水位升降；闸站防鸟；卷帘门；自动化控制

1 研究目的与研究意义

1.1 研究目的与意义

输引水管理现代化代表了水利运行管理的发展方向，确保安全输水是调水工作者义不容辞的责任。目前，输水运行中的一些突发事件给安全输水带来很大威胁。水位升降防鸟卷帘门的自动化设计是提高闸站自动化水平、防范鸟患威胁、确保安全输水的举措之一。该设计实用性强、自动化程度高、防鸟效果好，便于推广应用。在不影响运行的情况下，为闸站防鸟提供了一种有效的解决办法，为同类水利工程或有液位变化要求的其他产品、设备提供了一种解决问题的思路。

1.2 研究的主要创新点

本研究的创新点主要体现在以下几方面：（1）将超声波量测水位原理应用于闸站防鸟，是应用领域的创新；（2）卷帘门随水位变化自动同步升降，实现了远程、现地、自动、手动、遥控多种操控方式；（3）自动化程度高、防鸟效果好，代表了闸站防鸟自动化发展方向；（4）采用合金或PVC线材制作透风卷帘，减小风阻、增加美观、防锈防潮、经久耐用，是“选材”和“造型”上的创新；（5）卷帘临水面下摆部预留电热融冰接口，可与原融冰设施兼容以作配套共用，满足严寒天气安全输水适用条件。

2 闸站运行状态水位测距技术选择

常用的测距技术主要有红外测距、超声测距、雷达测距及压力传感器测距法。而红外测距和超声测距均适用于近距离测量，水位压力传感器和超声测距适用于水位测量，但动水环境下压力传感器误差较大。经综合比较，超声测距是水流状态进行水面测距的最佳选择。常用测距法对比见表1。

3 防鸟模式的选择

闸站冬暖夏凉，随着生态环境的改善，成群鸟类在闸站栖息、活动成为常态。鸟类进入闸室不仅影响闸站卫生、污染水体，还会损害机电、自动化及监控设备，为工程安全运行带来危害。部分防鸟模式如图1所示。

表1 常用测距法的对比Table 1 Comparison between the distance measurement methods

图1 部分防鸟模式示意图Fig.1 Some birds prevention methods

3.1几种常用防鸟模式及其效果简介

（1）不锈钢挂帘防鸟。该方式比较传统，是在检修门槽孔口设置一排固定挂钩，在每个挂钩上悬挂一根不锈钢挂链延伸至水面。由于挂链不能自动升降，在水位变化时，需人工逐根调整挂链长度，费工费时且不安全。若调整不及时或挂链参差不齐，则挂帘要么阻水，要么防鸟效果不佳。

（2）次声波驱鸟器。采用微电脑技术模拟一种特殊的声音频率，从而刺激鸟类的感知及神经系统，使其生理紊乱从而逃离现场。对不便安装防鸟设置的场所，该模式有其科学性。其弊端有：①只能驱鸟，不能防鸟，未起到主动预防作用；②从闸孔误入的鸟儿找不到出去通道，依旧会困死闸室；③预留通道少，误入的鸟儿不便找到，反之会成为不速之客的驿站；④反馈情况表明，部分鸟类会渐进适应；⑤次声波对人体有害，污染环境。

（3）钢化玻璃防鸟盖板。在检修门槽顶口处设置矩形钢化玻璃板，使检修闸室底板全封闭，从而防止鸟类进入检修闸。2015年10月，南水北调中线黄河北至漳河南部分闸站防鸟改造中，曾用该方式。钢化玻璃盖板外形美观，能阻止鸟类进入闸室。该方式缺点有：①部分鸟类仍通过闸孔进入弧形闸室及启闭机室，防鸟效果不彻底；②吊装检修门时，要逐一把盖板打开并搬离，费时费工且不安全；③已安装的钢化玻璃盖板曾有被闸孔穿堂风掀翻落水现象。

（4）金属格栅网防鸟。其安装方式与钢化玻璃盖板基本类似，也是逐块连接覆盖在检修闸门槽上方的顶口处。它采用角铁作框、扁铁作栅。该方式和钢化玻璃盖板一样，防鸟不够彻底。吊装检修门时需逐一把金属栅栏打开并搬离。

3.2 自动升降卷帘门防鸟模式简介

水位升降防鸟卷帘门设置在闸孔进出口，可随水位变化而自动同步升降，自动化程度高，可满足远程、现地、自动、手动、遥控多种工作方式，便于操作使用，防鸟效果好，代表了闸站防鸟自动化的发展方向。

3.3 几种防鸟模式的对比与选择

几种防鸟方式的比较见表2。

综合上述内容及表2比较结果，自动升降卷帘门以其防鸟效果好、先进、实用、操作简便而成为设计首选。

4 模型试验

4.1 模型试验自动化技术原理

模型试验自动化技术原理为：根据水位变化由超声测距模块采集数据，并将采集的数据信息传递给单片机，由单片机将数据进行处理并转变成电信号，从而驱动电机正、反转或静止不动。为防止频繁启动，可设定启动的上、下限值。本实验中预设定启动上、下限为水面线±10 mm。

4.2 模型试验主控制流程图

表2 几种防鸟方式的对比Table 2 Comparison between the birds prevention methods

图2 初始流程Fig.2 Initialprocedures

图3 过程设置Fig.3 Process settings

4.3 模型设计与组装

根据闸站结构形式、功能布局、水流特性及相关要求，绘制了闸室水槽简易模型设计图。设计的闸站水槽模型具体尺寸为：水槽长450 mm、宽150 mm、高230 mm；闸室上部结构：高130 mm、宽150 mm。根据设计模型图，经选材比对，购置了亚克力板、粘胶，水槽进、出水龙头、蓄水箱等材料，以及HYSRF05超声波模块、GA12-N20减速马达、2路直流电机驱动模块（正反转PWM调速、双桥步进电机），51开发版avrarm stm32单片机、遥控器、数据排线等。对卷帘轴、测距模块的安装位置进行了测定，依次完成模型组装，对模型密封性，水槽进、出水持续时间进行了记录。

4.4 模型试验过程及评价

4.4.1试验目的

通过在水槽模型中加水、排水，测试卷帘门的启动、上升及下降等响应情况，检测自动系统灵敏度、成功率及设定值等参数，以便持续调整。

4.4.2试验过程

（1）预先将卷帘底部设置在距离水槽底部50 mm的位置，采用水龙头在水槽中加注一定量的水，当水面距水槽底面距离40 mm时关闭水龙头，暂停注水。

（2）打开自动系统开关，使之处在待命状态。

（3）开启水箱龙头为水槽加水，同时打开秒表计时，观察电机启动及卷帘上升相应情况。当水位上升至90 mm和140 mm时，分别停水、停表，记录持续时间，量测卷帘底距离水面相应距离，填写试验记录。

（4）开启水槽龙头排水，同时打开秒表计时，观察电机启动及卷帘下降相应情况。当水位降至90 mm和40 mm时，分别停水、停表，记录持续时间，量测卷帘底距离水面相应距离，填写试验记录。

4.4.3试验记录

记录表见表3。

4.4.4试验结果评价

试验表明，卷帘门基本能随水位变化自动上升和下降，偏差值在2 mm范围内，符合预期目标，初设值基本合理，启停灵活自如。因此，水位升降卷帘门的自动化设计满足目标要求。

表3 试验记录表Table 3 Test results

5 自动化防鸟卷帘门的初步方案设计

5.1 自动化防鸟卷帘门设计目标

通过测距系统与驱动系统的协作配合，有效驱动电机运转，使卷帘门的升降与水位升降步调基本一致，误差控制在±3%范围内。同时，通过调试检测卷帘门启动初始值设置是否合理，为实际应用提供借鉴，最终达到防鸟目的。

5.2 系统PLC工作原理及技术流程

图4 卷帘机电气原理图Fig.4 Electrical principle of the rolling shutter machine

5.3 自动化控制核心构件的选择

根据闸站防鸟卷帘门结构特点及使用需要，经综合分析比对，确定采用简易工业自动化PLC来完成现场自动控制部分，也就是现地自动化控制的核心构件。本次试点选用的触摸屏及自动化软件由北京昆仑通态软件科技有限公司提供支持，选择固定封装的超声测距仪作为数据采集构件。

5.4 卷帘门材质选择及技术要求

（1）卷帘门材料。为减少风阻，可设为透风的横格式或网格式；为美观和抗老化，可使用合金制品或透明PVC线材；为适宜卷帘柔度，可增加纬线连接铰链；为耐用，可采用钢丝绳索作为经向引线；为减少风摆，可在下摆衔接部增设适宜配重横杆。根据闸站冰期输水经验，考虑在卷帘底梁预留融冰接口，用电热丝将底梁与下摆串接，既可提高闸站融冰系统利用率，又防下摆冰溜影响输水运行。

图5 PLC工作原理流程Fig.5 PLC workflow

（2）转轴及电卷机。在卷轴选择上，需考虑升降值与卷轴旋转参数相关性，根据常用位置区间选择卷轴尺寸、卷帘长度等。为确保卷帘门升降过程稳定，本方案采用直径≥80 mm、壁厚≥10 mm的防锈钢管。一般采用电磁制动电机、减速器。因卷帘门采用的是轻质、高强、透风的栅栏式或网格式，所以卷帘门电卷机采用小功率轻型交直流两用电卷机为宜，上、下行程设限位开关自动控制，可通过速放装置或手拉链条进行手动操作。

（3）门轨固定槽。为防止卷帘门前后摆动，在检修门侧轨位置设置上下方向的门槽对卷帘门运行轨迹进行固定。为减少卷帘门侧边与门轨之间的摩擦，可在门轨侧壁对称设置轻型轴承。

6 展望

该项目的设计思路源于对闸站挂帘所缀冰溜的观察，源于挂钩处人工调整挂帘的思考。因设计时间仓促，个人经验不足，试验模型及方案设计的卷帘门与最初设想还有不少差距，尚有许多待改进之处。如：闸站模型进、出水口添加泵送功能，增设闸室弧形门，使之与真实运行环境更接近；现场构件安装时，减少对过流断面的影响；综合考虑卷帘门体透风减阻与下摆适宜配重；在门轨内设置夹具约束防变形，弱化卷帘门风摆影响；探寻卷帘门临水面下摆部位其他融冰模式，防御冰冻损害等。■

[1]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，2008.2:3-9

[2]庞小波，陆燕惠.基于超声波测距的液位自动控制系统[J].微计算机信息,2008年29期

[3]杨慧,周伯俊.基于GSM的远程卷帘门控制系统设计[J].科技视界,2015,0(26):16-17.

作者邮箱：634258928@qq.com

Brief introduction on design scheme of automatic lifting and anti-bird rolling shutter door

by GUO Qin-jun and GUO Zhong-yuan Construction and Administration Bureau of South-to-North Wa⁃ter Diversion Middle Route Project

The automation design ofwater level lifting anti-bird roller shutter door is one of the mea⁃sures to improve automation levelofgate station,to guard againstthe threatofbirds and to ensure safe waterdelivery.The working principle is as follows:waterlevelinformation is gathered by ultrasonic mea⁃surementand processed by microprogrammed controlunit.Accordingly,the motoris driven to work.The design is highly automatic and is ofgood effect.This innovation has notonly reduced manualoperation, butalso lowered safety risk,worthy ofpopularization forbirds prevention.

ultrasonic distance measurement;water levelfluctuation;gate station bird prevention;roll⁃ing shutterdoor;automatic control

TV735

B

1671-1092（2017）01-0065-06

2016-12-06

郭勤军（1973-），男，河南郑州人，高级工程师，在南水北调从事工程建设及运行管理工作。