水閘系統的可靠性分析

【摘 要】為了有效提高水閘的可靠性，保證水閘的安全運行，本文將對水閘的特點、水閘系統硬件與軟件的可靠性方面進行討論，以期為水閘的安全監測與可靠性評價工作提供理論支持。

【關鍵詞】水閘系統；特點；可靠性分析

水閘的作用在于調節水位、控制水量，同時還要求具有擋水與泄水的功能，在防洪、治澇、供水等方面都發揮了非常關鍵的作用。由于水閘自身的特點，要求水閘在滿足安全性要求時，還具有較強的適用性與耐久性，也就是前文所提到的可靠性。與一般的混凝土大壩比較而言，水閘在結構、荷載等有著其明顯的區別。所以，已有的相關安全監測技術規范中的條款未能對水閘的可靠性監測進行有效監督，即使有些規定設置了相關的章節，但內容過于簡單，可操作性不足。鑒于此，對水閘的特點進行分析是非常有必要的，應充分運用相關專業的科研成果對水閘系統的可靠性進行研究，為水閘的安全運行奠定基礎。

1.水閘系統的特點

1.1結構與材料

水閘由三個部分組成，分別是閘室、上連接段游和下游連接段。水閘的主體是由鋼筋混凝土與鋼結構構建而成的梁板薄壁結構。而且，水閘的鋼筋用量、金屬結構都比一般的大體積混凝土大壩要多，體型卻相對單薄，而且由于存在用于啟動與閉合等活動部件與機電設備較多，相應的發生振動、沖刷、銹蝕的可能性會有所增加，應重點注意。

1.2荷載及作用

1.2.1基本荷載

水閘的基本荷載包括正常或設計水位下的水重、靜水壓力，風壓力等多種來源的荷載，而在考慮基本荷載時，需要對以下幾個問題提起注意：

第一，水中的含沙量對水重有一定影響。

第二，排水閘與擋潮閘等，單向擋水是不夠的，需要雙向擋水。

第三，水壓力對于水重的岸墻穩定有比較明顯的影響，而且水壓力的大小和分布均與土體形狀等有關系。

第四，水閘的運行時間一旦發生變化，那么淤沙壓力也會相應的有所變化。

第五，要重視風壓力與浪壓力對水閘的動力作用。

第六，冰的厚度與溫度的變化決定著冰推力的大小，而且結構臨水處的幾何形狀也會影響冰推力。另外，結冰后悔對閘門的順利開啟有一定影響，從而影響水閘的可靠性。

第七，溫度、土體力學性質和土壤含水量等因素對岸墻的穩定性的土凍脹力有一定影響。

1.2.2特殊荷載

水閘系統的特殊合作包括校核洪水位下的水重、揚壓力、地震等出現可能性較小的其它荷載。

1.2.3環境對水閘系統的作用

另外，空氣或水中的請示性氣體也會使水閘結構發生老化。而風浪則是與前文所述的作用形成相互促進的關系而加速水閘結構的老化速度。

1.3地基及處理

如果地基對穩定驗算和沉降校核的要求不能滿足時，應立即采取諸如換土墊層、樁基礎等合適的辦法進行處理。

2.水閘系統硬件設計可靠性分析

2.1供電線路

水閘系統的正常運行，需要兩方面的保障內容，一是供電線路的安全性，二是穩定性。鑒于控制系統的各種基本構成控制元件缺乏抵抗雷擊損害的“免疫力”，雷擊之后一旦出現嚴重損害事故，將難以進行修補恢復。所以系統設計首要考慮的因素就是感應雷，其入侵路徑多集中于對水閘系統有控制作用的供電線路，所以非常有必要建立接地系統，并安裝防雷裝置，同時可以采用諸如多級保護等其它措施。

可以通過提高供電質量來實現供電線路的穩定性。閘控現場的供電存在各種不同的不穩定因素，譬如大功率電機的沖擊作用等各種原因，供電不穩定的狀態通常表現為電壓的異常波動。另一方面，也有某系系統的供電采取了PLC控制單元的模式，這種模式是利用電機供電電源或者直接加裝開關電源進行供電的。這種供電的方法看似簡單，但其中隱藏著提供的電源超過PLC額定輸入控制范圍之外的隱患因素，同時也可能受到電網系統內部其他用電設備的干擾。就此問題，筆者認為可以通過設置控制單元供電與動力供電兩個不同的系統，減少干擾情況的發生，必要時還可以用穩壓濾波來保證供電系統的穩定性。

另外，水閘電機的控制方式一般為正反轉，這也是相序正確接入主回路相序的重要渠道，但由于主回路必須具備相序檢測功能，而且為了提高維護的便利性和保護好閘控電機，水閘電機的控制方式需要綜合考慮過壓過流的保護以及緊急停機等內容。

2.2現場環境

機械、溫濕和布線等工頭構成了現場控制柜的工作環境。其中要求較高的防護等級有中低壓設備和弱電裝置，尤其是弱電裝置在溫濕度方面要求非常高。而閘控現場，通常來說夏季炎熱，冬季寒冷，濕度較大，因此防高溫、防冷凝以及防潮工作非常重要。

控制柜元器件在安裝布線時，其程序內容包括中低壓設備安裝間距的控制，對感應元件進行消弧處理，隔離屏蔽的功率線以及柜體的接地等，必須與電氣設備安裝規范中的要求保持一致。而且，運行作業電機的振動作用對樓板結構的閘控現場容易產生機械干擾作用，因此要求通過增加減振彈簧、橡膠墊腳等方式使控制柜元器件的安裝更加牢固。

2.3采集與控制

閘門開度、電參數、水位等共同構成了水閘的遠程監控系統前端模擬量的采集的采集對象，然而數據采集的過程中，由于受到分散分布的閘控相關傳感器影響，存在著受到外界干擾的明顯跡象。因此，筆者認為傳感器的選擇要做到因地制宜，除了要綜合判斷傳感器是否具備防塵和防震等的環境適應能力，而且還要密切關注測域的精度和量程等。傳感器測量精度的主要影響內容是量程，而量程是否與精度的準確聯結，需要依靠傳動變化裝置予以實現，據此筆者建議，在設計和安裝說傳動變比裝置的時候，要將設計重心放于主要構成元件軸承和變比齒輪之上，一是要嚴格對正軸向聯結的機械，如有必要可以增加彈性聯軸器。二是要設計自收功能于開度傳感器上，同時選擇能夠滿足高度作業環境下抗疲勞強度的彈簧。

3.水閘系統軟件設計可靠性分析

水閘系統軟件由現地PLC和上位機兩個程序構成。現地PLC的主要作用是實現遠程監控，處于系統的核心地位，因此對PLC程序提出了較高的要求，除了要求其必須具備常規的控制功能，還要具備數據處理、控制邏輯等功能。

現地PLC的數據處理指的是對模擬量信號的數字濾波，以及對輸入開關量信號的防抖動處理。對模擬量信號的數字濾波的常見方式是對模擬信號采取聯系多次采樣取均值；對輸入開關量信號的防抖動方式是對開關量信號在硬件濾波基礎上增加軟件延時。

反饋檢測的主要目的是保證控制信號輸出系統之后，具備快速反應于作用對象的能力，而遠程操作也具有快速及時通盤了解現場實際情況的要求，因此，快速跟蹤和及時反饋現場實際情況的輸出控制需要盡快地實現。

控制邏輯的操作，經常性出現，各種沖突行為，譬如正反轉的互鎖或限位，多級閘門啟動順序的的錯亂等，這些沖突行為的避免和減少，需要依靠程序設計予以實現。尤其必須注意的是，在約束啟閉動作規范和范圍的時候，要以現場實情為基本依據，譬如當地閘門建設標準以及水庫要求。

總線通信由現地設備實現，遠程通信則依賴于現地與上位機的距離調控，這兩方面是系統通信的主要內容。為了使得總線通信和遠程通信趨于合理化，要在編程過程中適當延長現地總線通信工作站的相應時間，并在以集中采集單一化的控制相關站點對象為目的，劃分控制作業進行中的站點優先等級，保證控制行為有的放矢。最后是設定合理的控制范圍，有效掌握通信的次數和數據量，減少數據延時或丟失現象發生的情況，尤其是現地與上位機之間的遠程通信，而上位機的操作步驟的化繁為簡，將在底層處理部分運算，也是控制系統通信不可或缺的手段之一。

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