李森源 沈宇宁 周世武

广西珠委南宁勘测设计院 广西 南宁 530004

1 研究背景

钢坝闸门是水利、水电工程设施中的机械设备。通常的钢坝闸门是通过液压设备驱动底横轴转动来实现钢坝闸门启闭的新型闸门，主要包括底横轴、钢坝门叶、设置在闸室内的启闭机等，这种钢坝钢坝闸门在运行过程中，需要支臂之间保持同步运行，否则会造成扭曲，对钢坝闸门支臂或底横轴带来损坏。

2 基本概况及存在问题

目前，城市水系钢坝的控制方式以一定的运行调度方式程序控制运行。

方式一，正常蓄水位H1时为坝完全竖立。当洪水来临，坝前壅水高度升高至0.5m时，按上述坝前来水流量情况，逐级打开钢坝闸门。当洪水水位消落至H1时，钢坝逐级立起，控制上游水位不低于H1。以流量控制钢坝开度分为0°，30°、45°、60°、90°五级，同时按比例将流量分为五级，钢坝开度为0～90°。方式二，以水位控制，当水位高于钢坝堰顶高程以上0.5m且处于涨水阶段时，钢坝以程序调节控制水位降至水位基本与堰顶齐平。若水位继续上涨，则开度增加且不为固定角度，若水位下降，则开度减少且不为固定角度至水位≤堰顶高程0.5m。

方式一以流量计进行开度控制较为安全可靠，留有泄洪空间的安全余度，但会造成景观蓄水的浪费；方式二以水位控制，解决了保有景观蓄水和节水问题，但不为固定角度的开度缩小及增大受钢坝闸门转轴角速度控制，存在泄洪不及时，钢坝主轴附加扭矩过大造成损耗和破坏等问题[1]。

3 自检自控技术的运用

该技术在城市水系建设运行及使用中，起到钢坝自检及自控的作用。主要为以下两部分

3.1 钢坝闸门自检技术

闸门同步自检装置，包括左墩底轴传感器、缸体传感器、右墩底轴传感器、缸体传感器和控制芯片。自检技术实现了闸门，钢坝轴及支臂的协同运作及不协调检查，当其中一个传感器出现故障或因其他原因导致测量不准时，另一个传感器可以检测出来。将该闸门同步自检装置用于钢坝闸门中时，可以避免因传感器测量不准导致启闭机之间伸缩不同步，进而导致底横轴因两侧支臂受力不均匀产生较大的扭矩，从而导致底横轴断裂。

图1 支臂及缸体传感器行程换算示意图及钢坝自检装置布置纵剖面图

由于缸体只能推动支臂绕底轴逆时或顺时针转动，因此，缸体的运动与底轴的运动关系是确定的，底轴传感器检测底轴转动的角度能够按照特定运动关系或运动函数关系，换算成缸体传感器检测缸体行程量，同时两个传感器检测出来的数据经换算后是相等时说明自检通过。

支臂传感器从该状态中逆时针转动θ角度（θ远远小于1），此时支臂与缸体连接处经过的距离为S1，即S1=a×θ，但此时第二传感器检测出来的行程量为S2，由于（θ远远小于1），此时缸体转动α也远远小于1，此时可认为S1等于S2，由此可以得出，第一传感器21和第二传感器22检测出来的数据确实可以通过数学关系式来经换算后是相等。

因此，当发生异常时，缸体传感器，所检测缸体的行程不准时，其测量出来的行程量换算成底轴转动的角度量与底轴传感器测量出来的角度不相等，则闸门同步自检装置便发生通过报警装置进行现场报警，或远程报警。

图2 转动不同步造成的闸门变形示意图

即当底轴传感器和缸体传感器检测数据经过特定函数关系换算之后出现异常，或左墩传感器的检测数据与右墩传感器检测的数据经过特定函数关系换算之后出现异常，将进行报警，及时提醒相关的工作人员。

3.2 钢坝闸门自控技术

钢坝自控技术为以自检技术为基础，起到控制作用，与一般的程序控制方式不同，以自检技术芯片控制水位。

左墩底轴转动的角度能够按照上述特定关系或运动函数关系换算成缸体伸缩行程量。同时由墩底轴转动的角度能够按照上述特定关系或运动函数关系换算成缸体伸缩行程量。

控制芯片检测左右墩自检装置进行数据对比，实现对底轴同步运行进行精准检测；控制芯片通过传感器检测出来的数据进行对比，所检测出来速度经换算后与传感器检测出来的行程量不准时，控制芯片便通过变频器来控制电机停止转动，减少底轴附加扭矩，避免底轴或支臂发生断裂。

3.3 自检自控技术的运用

（1）蓄水坝防洪和泄洪预警的运用。城市水系河道的防洪安全保障措施是非常必要的。运行管理中必要实时、高效、准确地获得河道水位、流量、流速数据，钢坝闸门转动故障将会引起无法泄洪的问题，自检技术可以在汛前检查对钢坝运行情况进行很好的故障排查，并以此作防洪故障预警。

（2）有效对钢坝运行部位的故障进行高效识别，以纳入智能化管理系统，用可视化的方式，高效得出哪一座蓄水坝什么部位具有故障情况。针对同一河道段的钢坝协同控制问题。可以通过该项自检自控技术作基础校正和查明。

（3）自控技术结合程序控制进行节水控水调节满足水环境治理的需要。在钢坝蓄水泄洪的整个节水控水调度的过程中，减少人力的操作，充分利用各种尖端传感器、信息网络实现自动化、信息化、统一化管理与调度，

3.4 技术局限性和改造方式

（1）初启动时因行程不同步难以调节，因为液压缸体初步启动存在初始行程，该行程不同，导致初始存在行程差，转轴不同步，需要用自控技术在固定行程内进行初始调整，

（2）芯片控制角速度需要进一步优化和程序的模拟，构建自动控制水位和自调节一体化的模块，对水系内所涉及水利设施、水利机电设备等进行远程监控。

（3）深化芯片控制程序在水位节水控制中的应用

4 结束语

①钢坝闸门自检自控技术解决了钢坝闸门不同步的难以判别的问题，为钢坝闸门同步运作提供了新的思路。②自检技术可以有效对钢坝运行部位的故障进行高效识别。③自控技术结合程序控制进行节水控水调节满足水环境治理的需要。④城市水系建设项目作为生态水环境综合治理，其自身的防洪安全保障措施是非常必要的。即有必要实时、高效、准确地获得河道水位、流量、流速数据，并以此作防洪故障预警。⑤进一步开发拓展芯片控制程序在水位节水调节中的作用。