洪水下泄流量精准控制

戴会冉

（水利部海河水利委员会引滦工程管理局大黑汀水库管理处，河北 迁西064300）

1 引言

大黑汀水利枢纽工程位于河北省迁西县城北5 km滦河干流上，距上游潘家口水库35 km，是开发滦河的大型骨干工程之一。主坝为低宽缝式混凝土重力坝，属二级水工建筑物，坝顶高程138.8 m坝长1354.50 m，泄洪主要应用露顶式弧形闸门，工程共设28孔溢流闸闸门，最大坝高52.80 m，总库容3.37亿m3。溢流坝在汛期泄洪和向滦河下游供水发挥着至关重要的作用，运用倾角传感器，提高了弧形闸门开高检测的准确性，提高了水库调度精度。

2 问题提出

目前，弧形闸开高检测全部由安装于现地的28个闸位开度荷重仪提供开高的输入信号，由于开高传感器采取了在减速机传动轴上同轴连接的方式，因此开高检测环节不可避免的存在如下问题：

（1）由于钢丝绳在闸门全关后，大都处于松弛状态，当再次提升闸门时，卷扬机首先要完成的动作就是先将松弛的这段钢丝绳拉紧，然后才会去真正地提升闸门。

（2）钢丝绳本身的惯性因素影响也会导致开高测量存在误差。因为钢丝绳因闸门自重的作用，闸门上升与下降终了往往存在一定的运动惯性。在闸门开启过程中，停机信号发出后，上升惯性引起的闸门位移很小，而在闸门关闭时下降惯性引起的闸门位移相对较大。

（3）受自身弹性变形的影响，当钢丝绳受载时会发生弹性伸长，弹性形变导致的位移会导致开高传感器接收到脉冲信号，误认为此时闸门已经开始启闭。

（4）实际安装的开高传感器限位开关输出与内部接收到的脉冲数直接相关，并不能反映真实的闸门极限位置。

为此，为方便工程的管理，为现代化的水利调度提供科学依据，有必要有针对性的对这种现状予以消除或彻底解决。

3 改进思路

随着单片机产品普及以及运算能力的提高，运用单片机技术加倾角传感器芯片，可以很方便地测量出闸门支臂旋转的角度，进而计算出闸门开高。图1所示为弧形闸门实际安装图，弧形门旋臂（圆心）安装海拔高程为128.5 m，弧形闸门下沿（闸门底部）高程为121.41 m。弧形门实际安装图可以用图2（28孔溢洪坝弧形闸门安装等效图）表示。

4 弧门旋转角度与开高的关系

由闸门安装的等效图（图2）可以看出，A点水平线与弧门底端半径之间的夹角如图3所示，当弧形闸门支臂旋转α角时B、C两点升高至B'和C'，闸门的实际开高为：

图1 28孔溢洪坝弧形闸门安装示意图

图2 28孔溢洪坝弧形闸门安装等效图

由公式（1）（2）（3）可以得出弧形闸门开高（用H表示）与支臂旋转角度的关系如下：

进而推出：

5 支臂旋转角度α的测量

弧形闸设计最大开高12.1 m，旋转支臂15 m，依公式（4）计算如下：

考虑到日常运行过程中闸门调节一般为厘米级，当闸门调节最小值为1 cm时对应的α值：

据此，我们所选的传感器芯片最大测量范围应大于47.72°，分辨率小于0.02°。综合考虑芯片测量参数，实际应用电路以及性价比等，可以选择芬兰VTI公司生产的SCA-103 T系列产品，它是基于3 D-MEMS的高精度双轴（或单轴）倾角传感器芯片，它提供了水平测量仪表级的性能。它的弱温度依赖性、高分辨率、低噪声和健全的传感元件设计非常适合大黑汀大坝弧形闸的运行环境和旋转支臂的角度测量，传感元件内部增加的阻尼设计使得传感器本身对于高频振动不灵敏，可以有效滤掉由于水流冲击对支臂造成的振动。该芯片的测量范围为±30°（总量程 60°，分辨率 0.001°，完全能够满足大黑汀大坝弧形门的开启精度。

从SCA-103 T功能框图（图4）可以看出，该传感器芯片由传感器元件和A/D转换、SPI通信等元件组成。传感器元件在完成数据采集后，经过内部数据校准与调节过滤后输出给外部设备（比如单片机）进行进一步数据处理。其中输出有2种方式：①直接模拟量输出，②通过SPI接口以同步串行通信的方式输出。

图4 SCA-100 T系列芯片功能框图

为了对所测量的角度数据进一步处理和利用，采用SPI通信输出的方式将数据传输给单片机（如STM32 F103系列），再用单片机把角度换算成闸门的实际开高以便对数据进一步开发利用。

在取得（闸门）实际开高数据后，可以根据闸门的控制要求进行进一步开发，组成一个完整的闸门测控系统。比如：根据水库调度取得开高数据后再根据要求设定闸门的上、下限开高限制，或者根据上游水位及泄水量自动换算出开高并自动完成闸门升降操作等。

6 基于SCA-103 T设计闸门开高控制仪实现

（1）SCA-103 T简介：SCA-103 T系列是以单晶硅材料制造的高精度单轴倾角传感器，传感器由3层硅片构成，形成立体结构，当倾斜或者有加速度的时候，中间质量片会倾斜向某一侧，从而引起两侧电容变化，通过对该变化量的测量、计算，即可得到倾斜角度。SCA-103 T有两个模拟量输出和一个数字SPI接口以提供直接信号处理。在8 Hz带宽情况下，模拟信号分辨率为0.001°，数字信号分辨率为0.009°/LSB，该产品内部具有温度测量和补偿功能，采用12脚塑封SMD封装。

（2）系统构成：闸门开高控制仪主要由倾角传感器和数据处理器以及数据传输模块3部分组成，倾角传感器对（闸门）旋转支臂角度进行数据采集后传输给数据处理器进行数据处理并换算成标准开高值，然后再发送给数据传输模块，数据传输模块按照某一标准规约（485串口或以太网口）发送给相关的控制设备，同时以IIC模式把开高值传送给开高显示模块用于现场开高显示。整个系统框图如图5所示。

图5 闸门开高控制仪系统框图

（3）系统设计：数据处理器（MCU）对SCA-103 T倾角检测有两种方法，一种方法是SCA-103 T的两个模拟输出经差动运算放大器放大后送入MCU的AD输入端。另一种方法是MCU通过SPI接口直接读取SCA-103 T内部通道数据存储器，该方法具有硬件电路相对简单，编程简便等优点。本设计即采用此种方法。

（4）软件设计：按照SPI通信协议要求，设定数据处理模块MCU为主设备提供SPI时钟，SCA-103 T作为从设备根据主设备提供的指令进行各种数据传输。系统在上电后首先执行数据处理模块MCU各端口初始化程序，然后再根据SCA-103 T芯片用户手册对倾角传感器芯片进行初始化，输入相应指令完成对温度及加速度通道的数据读取。读出的数据再通过SPI端口传输到数据处理MCU完成相应运算。具体程序框图如图6。

图6 软件设计流程图

7 实验平台及其测试情况

根据以上叙述，搭建硬件实验平台并编制软件，经测试和仿真，实际效果满足运调度行管理需要，实际高度输出偏差在0.5 cm以内，精度完全满足日常调度运行管理的需要，下一步我们将继续完善软件并将限位控制等集成到本硬件平台上，逐步使该平台不断完善，并做成产品，投入到实际的生产中。

8 结束语

综上所述，基于SCA-103 T实现高精度倾角检测系统，非常适合溢洪道弧形闸门的开高测量，如果在硬件设计上加入坝前水位测量，在软件设计中加入水位与开高及流量关系的数学模型，还可以很方便地输入泄水量，由系统自身计算出闸门开高，不仅可以提高水库调度泄水流量的精度，更可以极大地提高自动化程度。如果伴随着配套产品的研发及应用，倾角式闸门开高控制仪在弧形闸门测控上具有广泛的应用前景，势必会为大黑汀水库管理处创造出更大的经济利益，提高水库调度管理的现代化水平。