水利水电工程金属结构设备智能化控制研究

袁昕

【摘要】水利水电工程金属结构在水利水电工程中发挥着巨大作用，维持着工程的安全、稳定运行，所以在水利水电工程的日常管理中，保证对金属结构的实时监测，利用当前先进的技术水平建立金属结构设备的智能化控制体系，对我國水利系统有着重要意义。它不仅可以保障水利水电工程功能的正常发挥，还保障了金属结构设备的正常使用，使管理人员可以通过实时监测数据掌握设备的使用情况，进而实现对其的智能化控制。

【关键词】水利水电工程;金属结构设备;智能化控制 【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.35.083

1、引言

我国境内河流湖泊众多，水资源比较丰富，所以我国对于水力资源的应用极为重视，建造了众多水利水电设施，比如水库、水电站等，它们不仅有着防洪抗灾的作用，还对我国提供了重要的电力资源。所以对于水利水电工程的安全维护就是水利系统关键工作，而水利水电工程中的金属结构设备，如闸门、启闭机等对于水利设施的安全运行起到了重大作用，甚至可以说这些金属结构设备的正常运行直接影响了水利设施的安全。根据我国以往发生的许多水利水电工程事故来看，引发原因主要都是闸门、启闭机等金属结构设备的损坏，所以对于水工闸门安全评估的传统方法已经是处于落后状态，我们应当与时俱进发展新型的评估方法及对应的维修管理措施。

当前计算机研究逐渐深入，互联网技术也已经实现普及，再加上传感器技术的应用，我们完全可以针对水利水电工程金属结构设备建立一套先进的在线监测系统，从而实现智能化控制的目的。这样不仅符合当前“互联网+”的趋势，节省了人力资源的消耗，还提高了对闸门等检测的成功率，减小了水利水电工程的事故发生率，对我国水利系统的长期发展都有着重要影响。本文通过有限元分析的方法，将计算机技术、网络传输技术、自动控制技术等综合运用，建立了对水利水电工程金属结构设备的在线监测与智能化控制系统，实现了闸门等所受应力应变等的自动分析，充分掌握了闸门等金属结构设备的运行状态，切实保障水利水电工程稳定运行。

2、智能化控制系统总体框架

2.1需求分析

本系统是从实际水利水电工程中对金属结构设备的智能化控制需求出发，针对泄洪、倒流、发电等不同运行情况，开发出对金属结构设备的不同监测系统，设计出在这些情况下运行的标准参数，再将监测数据与之进行比较，从而判断设备的运行状态并做出提示或维修建议等。另外本系统还可以根据监测、预警、维修记录建立数据库，将监测数据自动上传并进行比对，实现智能化控制。可以预见本系统的普及运用将极大地极大地提升水利系统的工作质量，提高系统对于突发情况的应对能力，在降低维修、管理人员的工作量的同时还增强了水利系统的安全性。对金属结构设备而言，不仅能加强其控制效率，还降低了其损坏、维修的频率，延长了使用寿命。

2.2系统的构成及互联

首先，我们对于水工闸门、启闭机等众多金属结构设备展开了细致研究及分析，充分了解了它们在不同环境下的运行原理与工作情况，为其设立了不同状态下的标准参数并选择其中的关键点。再利用有限元分析、原型模拟等方法，建立了三维立体的金属结构设备运行的标准模型，并根据以往经验及相关知识创建运行状态警示数据库。

其次，对水利水电工程中的金属结构设备关键数据采集点安装传感器，实时监测金属结构设备的运行状态并采集关键参数。其中主要关键参数有：闸门及启闭机等金属结构设备所承载的静应力、动应力、应变量等。

之后根据实时监测系统监测数据上传，并与标准数据对比，实现系统自动分析金属结构设备的运行状态，判断其是否出现故障，将出现异常数据和警示数据库中的数据进行对比，判断设备故障原因，并发出安全预警，整个流程就构成了自动化的安全评估系统。

最后，根据数据分析建立智能化管理控制系统，该系统依照分布式控制的形式，不仅实现中心控制与远程操控，而且以可视化的手段为控制效果做出保障。操作人员可以根据系统发出的预警提示判断故障部位，从而有针对性地做出应对，远程对闸门及启闭机等金属结构设备进行操控，不仅提高了对设备故障的反应程度，还大大增加了安全效率。

3、在线监测系统

3.1实时在线监测系统研究

当前，针对金属结构设备的检查，水利系统使用的绝大部分还是传统的方法，即依靠专业人员的对设备进行定期检测并评估其使用状况，或是当设备出现明显故障后才进行检修。这种方法虽然也能基本保证水利水电工程的正常运行，但整个过程存在了大量问题：首先就是这种方法大量依赖检修人员的专业能力，浪费了大量人力资源，而且检修对工作人员的专业水平要求极高，我国目前的人员储备并不能满足所有水利水电工程的需求。所以当前存在一定的检修人员专业能力不足，导致日常检修工作并不合格，而即便是专业能力足够的检修人员也会遇到目前人力无法企及的故障类型，导致整体的检修效率并不高。

而水利水电工程金属结构设备的在线实时监测系统可以通过监测设备的各项数据，直接找出设备故障的外在表现与内在原因，机械设备的采集点分布极广，很大程度上就避免的人工局限性，而且因为是实时监测，可以对突发事故做出迅速反应。此系统不仅是数据采集还可以进行数据分析，实现对故障的自动化评估判断。

3.2实时在线监测标准体系的研究

因为实时在线监测系统仍处于起步阶段，实际应用并未普及，所以针对其运行国家或地方政府并没有明确标准，且发展程度不足导致其无法形成产业化，也就不存在行业规范。但已经有地区意识到该系统的重要性，开始着手拟定相关标准规范。笔者认为针对该系统的行业标准应该以规范水利水电工程金属结构设备的运行状态，为其提供实时参数监测并评估故障原因及类型的相关技术为原则，参照其他已有实时监测系统的行业规范，充分尊重新技术的应用方法，在保障系统正确使用的同时要最大程度上鼓励其后续的发展创新。

4、金属结构设备在线监测技术的运用

4.1“频率扫描法”识别金属结构设备自振频率技术

该技术就是通过变频电机在金属结构设备的关键部位进行激振，并且激振频率均匀增大直至200Hz，以此来找到水工闸门的共振点，以此为依据来设置合理的水工闸门振动标准值，相关参数包括水工闸门的振动位移和振动频率。表1为系统试用期间监测到的弧形闸门在流激振动条件下的相关参数。

从上表可以得出，当水工闸门的振动频率在40Hz以内且振动位移不超过0.09mm时，闸门处于安全运行的状态;而闸门振动频率超过40Hz后，系统就会自动发出轻微的预警提示;当振动频率超过50Hz后，就代表此时水工闸门产生的振动可能会引发危险，系统就会自动发出较强预警提示;当振动频率超过52Hz，水工闸门产生的振动已经会引发严重后果，系统会发出强烈预警，提示管理人员及时做出应对。但是从上表数据可以看出，50Hz与52Hz这两个阶段的跨度并不大，所以一旦系统发出较强预警，管理就应该提起重视，以避免闸门振动频率持续上升引发事故。

4.2声振技术监测支铰轴承故障

滚动轴承的通常方法是使用加速传感器，这是一种国际公认的方法和标准。然而，离心轴承是一种低速滑动装置，加速度传感器无法准确和高质量的诊断。将加速度传感器和声波传感器结合起来，形成声震传感器。这是一种广宽和高度敏感的声波振动传感器，能够准确探测滑动轴的缺陷、裂缝、压力、腐蚀钻、胶水等，从而提高诊断质量。

5、运行控制系统

5.1運行控制系统原理

智能化控制系统主要针对的是水利水电工程中的闸门及启闭机的运行控制，下面本文就以泄洪洞闸门为例介绍控制系统的工作原理。对其运行状况进行实时监测，并实现闸门的远程控制，实现水库闸门运行的自动化管理。首先本系统会在泄洪洞闸门的控制室内建立一个具有编程功能的现场控制端，再利用光纤将水库端与泄洪洞的现场端连接，实时传输监测数据及分析评估结果等，以此为依据使得水库端可以实现对泄洪洞闸门的远程控制。

运行控制系统是将实时监测系统采集到的闸门运行过程中的数据以有限元分析的方法判断其运行是否正常，再通过将传感器测量到的闸门启闭应力等数据转化为预警等级、闸门启闭力度、闸门运行位移等可视的参数形式，将闸门的实际启闭状态直观地展示在控制中心的管理人员面前。控制中心再根据闸门状态通过通信系统将控制质量下发到泄洪洞现场，再有泄洪洞现场的控制室实施对闸门的控制行为。

5.2中央设备与远程自动控制

运行控制系统的控制方法有中央设备控制和远程自动控制两种，在泄洪洞的现场可编程控制站中有中央设备控制和远程自动控制的切换开关，当选择远程自动控制方法时，泄洪洞现场的设备就无法发挥控制功能，但可以对突发情况采取急停措施。远程控制指令是通络互联网技术与泄洪洞现场的可编程系统连接，现场系统再将控制指令以电信号的形式传达给控制闸门运行的电气控制室中，以此来实现远程对闸门上升、下降、开度选择等的控制。当选择中央设备控制方法时，自动化控制指令就无法直接传达到电气控制室，而是由人为在泄洪洞现场控制室中对闸门的启闭进行操控，此时远程端只能接收闸门实时监测的数据及运行状况，以此来对人工操作进行指挥。此外，远程控制端还会将接收到的以闸门参数为依据分析得到的闸门运行状况、故障原因及类型、闸门运行时长等数据上传到预警提示数据库中，为后续的分析判断提供参考，还可据此来制定合理的检修计划。

5.3运行控制系统具体组成

泄洪洞现场的运行控制系统主要由监控中心站、监控终端站、传感器和电缆等设备组成。

监控中心站与实时监控系统相连，利用可编程系统为管理人员提供相关操作的可能性，还具有监控数据储存与输出的功能，为远程控制中心传递闸门及启闭机的运行状况，从而实现远程控制闸门启闭等活动。监控终端就是对闸门实施监控，采集相关数据，对突发情况做出应急停机处理，并接受远程控制中心的操控指令，向电气控制室下发操控电信号。而传感器就是实际采集闸门运行中数据的设备，此外还负责对闸门启闭的控制操作。

结语：

根据当前水利水电工程金属结构设备监测维修等存在的漏洞与缺陷，建立实时监测与智能化控制系统，不仅可以对金属结构设备的运行状况充分掌握，还提高了水利系统对突发情况的应对能力，降低了人力成本，实现了对终端闸门等金属结构设备的远程控制。对水利水电工程的长期发展及延长金属结构设备的使用寿命具有重要意义。

参考文献：

[1]吴永春.水利水电工程金属结构设备智能化控制研究[J].云南水力发电，2017

[2]李林.水工金属结构设备实时在线监测系统运用及智能管控研究[J].水力发电，2019：99-103.