全文摘要
本发明涉及一种水电工程弧形钢闸门实时在线监测系统，可以获得更加完整的闸门运行使用数据，并同时对闸门进行了安全预警、可靠性综合评估。该系统包括：数据采集装置，用于采集弧形钢闸门的运行数据；主控装置，用于接收并储存数据采集装置采集的运行数据，并对接收的数据进行分析处理判断闸门的运行状态是否正常；以及云端服务装置，用于接收主控装置发送的运行状态数据；所述数据采集装置与主控装置通信连接，所述主控装置与所述云端服务器装置通信连接。
主设计要求
1.一种水电工程弧形钢闸门实时在线监测系统,其特征在于，所述系统包括：数据采集装置，用于采集弧形钢闸门的运行数据；主控装置，用于接收并储存数据采集装置采集的运行数据，并对接收的数据进行分析处理判断闸门的运行状态是否正常；以及云端服务装置，用于接收主控装置发送的运行状态数据；所述数据采集装置与主控装置通信连接，所述主控装置与所述云端服务装置通信连接；其中，所述数据采集装置包括倾角传感器(13)，用于采集闸门倾斜位移数据，倾角传感器(13)的Y轴与闸门垂直中心线在同一平面，X轴作为测点旋转轴线且指向法线方向，与水流方向平行，弧形闸门启闭过程发生左、右方向倾斜时，倾角传感器(13)监测的数据是闸门绕倾角传感器(13)X轴的倾斜角度β，单位rad；所述主控装置判断闸门倾角位移数据是否正常的方法具体为：闸门侧边距侧轨的初始距离为b，单位mm；闸门侧边距侧轨的允许最小距离为lmin，单位mm；计算倾角传感器(13)距门上、下角点距离的最大值Lmax，单位mm；闸门侧边倾斜量为Δb≈Lmaxβ，单位mm；弧形闸门倾斜后与侧轨之间的距离l=b−Δb；根据监测要求，当l≤lmin时，闸门倾斜量Δb达到安全界限，监测系统给出报警信号。
设计方案
1.一种水电工程弧形钢闸门实时在线监测系统,其特征在于，所述系统包括：
数据采集装置，用于采集弧形钢闸门的运行数据；
主控装置，用于接收并储存数据采集装置采集的运行数据，并对接收的数据进行分析处理判断闸门的运行状态是否正常；
以及云端服务装置，用于接收主控装置发送的运行状态数据；
所述数据采集装置与主控装置通信连接，所述主控装置与所述云端服务装置通信连接；
其中，所述数据采集装置包括倾角传感器(13)，用于采集闸门倾斜位移数据，倾角传感器(13)的Y轴与闸门垂直中心线在同一平面，X轴作为测点旋转轴线且指向法线方向，与水流方向平行，弧形闸门启闭过程发生左、右方向倾斜时，倾角传感器(13)监测的数据是闸门绕倾角传感器(13)X轴的倾斜角度β，单位rad；
所述主控装置判断闸门倾角位移数据是否正常的方法具体为：
闸门侧边距侧轨的初始距离为b，单位mm；
闸门侧边距侧轨的允许最小距离为lmin<\/sub>，单位mm；
计算倾角传感器(13)距门上、下角点距离的最大值Lmax<\/sub>，单位mm；
闸门侧边倾斜量为Δb≈Lmax<\/sub>β，单位mm；
弧形闸门倾斜后与侧轨之间的距离l=b−Δb；
根据监测要求，当l≤lmin<\/sub>时，闸门倾斜量Δb达到安全界限，监测系统给出报警信号。
2.根据权利要求1所述的一种水电工程弧形钢闸门实时在线监测系统，其特征在于，所述主控装置包括通信模块、CPU控制器和信号处理模块，主控装置通过通信模块接收数据采集装置采集的钢闸门的实时在线监测数据，并通过CPU控制器和信号处理模块，根据已有的弧形钢闸门安全评价指标体系预警数据库和在线监测数据库，对闸门的运行现状及其安全可靠性做出综合评估，判断闸门的结构应力、振动模态、支铰轴(27)状态、倾斜位移是否处于合理范围内，设备是否处于运行稳态，将判断结果通过显示模块显示，若判断存在故障，则CPU控制器控制报警模块发出报警。
3.根据权利要求1所述的一种水电工程弧形钢闸门实时在线监测系统，其特征在于，所述数据采集装置包括应变传感器(11)、加速度传感器(12)、倾角传感器(13)、倾角开关传感器(14)和声发射传感器(15)，应变传感器(11)用于采集结构应力数据，加速度传感器(12)用于采集振动模态数据，声发射传感器(15)用于采集支铰轴(27)内部缺陷数据，倾角开关传感器(14)用于采集支铰轴(27)扭矩数据，采集的所有数据通过通信模块发送至CPU控制器和信号处理模块。
4.根据权利要求1所述的一种水电工程弧形钢闸门实时在线监测系统，其特征在于，云端服务装置通过通信模块接收主控装置发送的弧形钢闸门的实时在线监测及运行安全管理数据，并通过云端服务器存储，可通过远程客户端和移动终端访问云端服务器查询。
5.根据权利要求3所述的一种水电工程弧形钢闸门实时在线监测系统，其特征在于，所述应变传感器(11)设于水平次梁(23)、主梁(24)、吊耳(26)、上支臂(21)上靠近水平次梁(23)的位置和支铰轴(27)上。
6.根据权利要求3所述的一种水电工程弧形钢闸门实时在线监测系统，其特征在于，所述加速度传感器(12)设于弧形钢闸门的上支臂(21)、下支臂(22)、水平次梁(23)、主梁(24)上。
7.根据权利要求1所述的一种水电工程弧形钢闸门实时在线监测系统，其特征在于，所述倾角传感器(13)设于门页(25)平面垂直中心线所在位置。
8.根据权利要求3所述的一种水电工程弧形钢闸门实时在线监测系统，其特征在于，所述倾角开关传感器(14)设于所述支铰轴(27)上。
9.根据权利要求3所述的一种水电工程弧形钢闸门实时在线监测系统，其特征在于，所述声发射传感器(15)设于所述支铰轴(27)上。
设计说明书
技术领域
本发明涉及水利水电基础建设工程技术领域，尤其涉及一种水电工程弧形钢闸门实时在线监测系统。
背景技术
我国目前水利水电工程弧形钢闸门运行使用管理存在较大缺陷，主要维护方法是通过定期组织人力巡查，国内外由于闸门失事造成水利水电工程重大事故的案例层出不穷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水电工程弧形钢闸门实时在线监测系统，实现了弧形钢闸门的实时在线监测。
本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种水电工程弧形钢闸门实时在线监测系统,所述系统包括：数据采集装置，用于采集弧形钢闸门的运行数据；主控装置，用于接收并储存数据采集装置采集的运行数据，并对接收的数据进行分析处理判断闸门的运行状态是否正常；以及云端服务装置，用于接收主控装置发送的运行状态数据；所述数据采集装置与主控装置通信连接，所述主控装置与所述云端服务装置通信连接。
进一步的，所述主控装置包括通信模块、CPU控制器和信号处理模块，主控装置通过通信模块接收数据采集装置采集的钢闸门的实时在线监测数据，并通过CPU控制器和信号处理模块，根据已有的弧形钢闸门安全评价指标体系预警数据库和在线监测数据库，对闸门的运行现状及其安全可靠性做出综合评估，判断闸门的结构应力、振动模态、支铰轴状态、倾斜位移是否处于合理范围内，设备是否处于运行稳态，将判断结果通过显示模块显示，若判断存在故障，则CPU控制器控制报警模块发出报警。
进一步的，所述数据采集装置包括应变传感器、加速度传感器、倾角传感器、倾角开关传感器和声发射传感器，应变传感器用于采集结构应力数据，加速度传感器用于采集振动模态数据，声发射传感器用于采集支铰轴内部缺陷数据，倾角开关传感器用于采集支铰轴扭矩数据，倾角传感器用于采集倾斜位移数据；采集的所有数据通过通信模块发送至CPU控制器和信号处理模块。
进一步的，云端服务装置通过通信模块接收主控装置发送的弧形钢闸门的实时在线监测及运行安全管理数据，并通过云端服务器存储，可通过远程客户端和移动终端访问云端服务器查询。
进一步的，所述应变传感器设于水平次梁、主梁、吊耳、上支臂上靠近水平次梁的位置和支铰轴上。
进一步的，所述加速度传感器设于弧形钢闸门的上支臂、下支臂、水平次梁、主梁上。
进一步的，所述倾角传感器设于门页平面垂直中心线所在位置。
进一步的，所述倾角开关传感器设于所述支铰轴上。
进一步的，所述声发射传感器设于所述支铰轴上。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明将传感技术、通信技术和网络技术应用于弧形钢闸门实时在线监测当中，建立实时在线监测系统，进行自动化、智能化、科学化的实时在线监测和安全评估，实现“无人值班、少人值守”的运营模式，成为提高目前水利水电工程运营管理水平和技术创新的发展趋势，是防止失效、避免事故的有效方法。
（2）本发明可以获得更加完整的闸门运行使用数据，并同时对闸门进行了安全预警、可靠性综合评估；通过在线安全监测系统，开启了闸门大数据云服务，实现了远程客户端控制和移动终端查询。
附图说明
图1是本发明实施例系统框图；
图2是本发明实施例各个传感器在弧形钢闸门上的布置图；
图3是闸门门页倾角算法的示意图；
图4是倾角传感器连接方式的结构示意图。
附图标记：11、应变传感器；12、加速度传感器；13、倾角传感器；14、倾角开关传感器；15、声发射传感器；21、上支臂；22、下支臂；23、水平次梁；24、主梁；25、门页；26、吊耳；27、支铰轴。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例的技术方案进行描述。
本发明揭露了一种水电工程弧形钢闸门实时在线监测系统，如图1所示，包括用于采集弧形钢闸门的运行数据的数据采集装置；用于接收并储存数据采集装置采集的运行数据，并对接收的数据进行分析处理判断闸门的运行状态是否正常的主控装置采集装置；用于接收主控装置发送的运行状态数据的云端服务装置，数据采集装置与主控装置通信连接，主控装置与云端服务装置通信连接。
结合图2中各个传感器的位置。数据采集装置包括应用于采集结构应力数据的应变传感器11，应变传感器11设于水平次梁23、主梁24、吊耳26、上支臂21上靠近水平次梁23的位置和支铰轴27上；用于采集振动模态数据的加速度传感器12，加速度传感器12设于弧形钢闸门的上支臂21、下支臂22、水平次梁23、主梁24上；用于采集倾斜位移数据的倾角传感器13，倾角传感器13设于门页25平面垂直中心线所在位置；用于采集支铰轴27扭矩数据的倾角开关传感器14，倾角开关传感器14设于支铰轴27上；用于采集支铰轴27内部缺陷数据的声发射传感器15，声发射传感器15设于支铰轴27上。
如图1所示，主控装置包括通信模块、CPU控制器和信号处理模块，主控装置通过通信模块接收数据采集装置采集的钢闸门的实时在线监测数据，并通过CPU控制器和信号处理模块，根据已有的弧形钢闸门安全评价指标体系预警数据库和在线监测数据库，对闸门的运行现状及其安全可靠性做出综合评估，判断闸门的结构应力、振动模态、支铰轴27状态、倾斜位移是否处于合理范围内，设备是否处于运行稳态，将判断结果通过显示模块显示，若判断存在故障，则CPU控制器控制报警模块发出报警。采集的所有数据通过通信模块发送至CPU控制器和信号处理模块。
云端服务装置通过通信模块接收主控装置发送的弧形钢闸门的实时在线监测及运行安全管理数据，并通过云端服务器存储，可通过远程客户端和移动终端访问云端服务器查询。
检测方法，包括以下步骤：
S1、采集弧形钢闸门的运行数据；
S2、接收并存储采集的运行数据，并对接收的数据进行分析处理判断升闸门的运行状态是否正常，获得运行状态数据；
S3、存储获得的运行状态数据。
其中：
(1)加速度传感器12计算加速度幅值和频率
直接用采出来的原始值进行FFT变换得到频率和幅值。
(2)加速度传感器12计算位移
将采出来的值进行二次积分，再进行高通滤波。
(3)加速度传感器12计算位移幅值和频率
将采出来的值进行二次积分，再进行高通滤波，再进行FFT变换。
(4)“频率扫描法”识别水工金属结构自振频率技术（找出闸门共振频率范围）
采用带偏心质量块的激振器在闸门特征部位实施激振，激振器激振频率从10Hz逐步升高至200Hz，识别出闸门的共振点。通过测得的共振点在软件上进行阈值设定。
(5)倾角算法
闸门倾斜检测模块包括倾角及边距两个参数，如图3所示，其中边距l是弧形闸门倾斜后，闸门侧边到侧轨（设计边界）之间的距离，由闸门测点处的倾角β近似计算而得。闸门姿态监测模块可满足以下功能：当闸门边距l小于规定值lmin<\/sub>时，即倾角仪监测到的倾斜角度达到临界值βe<\/sub>时，报警提示。
为便于计算分析，弧形闸门倾角传感器13的Y轴与闸门垂直中心线在同一平面，X轴作为测点旋转轴线且指向法线方向，与水流方向平行。当弧形闸门启闭过程发生左、右方向倾斜时，监测的数据是门体绕倾角传感器13X轴的倾斜角度β。
A点为倾角传感器13安装位置及回转中心点；
A点应在闸门的垂直中心线所在的平面内，闸门垂直中心线作为Y轴；
过A点的旋转轴、且指向是测点的法线方向、平行于流道方向为X轴；
Lmax<\/sub>：传感器监测点A距闸门上、下角点距离的最大值，即A点与最远角点的线段长度，mm；
β：倾角传感器13监测的闸门倾斜角度，rad；
βe<\/sub>：监测点处的允许临界倾斜角度，βe<\/sub>=（b-lmin<\/sub>）\/Lmax<\/sub>，rad；
b：闸门侧边距侧轨（设计边界）的初始距离，mm；
lmin<\/sub>：闸门侧边距侧轨（设计边界）的允许最小距离，mm；
Δb：闸门侧边倾斜量，mm。
由于监测点倾斜角度β较小，当Lmax<\/sub>足够大时，Δb≈Lmax<\/sub>β式成立。则：
Δb≈Lmaxβ。
根据监测要求，当b−Δb≤lmin<\/sub>时，闸门倾斜量Δb达到安全界限，监测系统给出报警信号；或当β≥βe<\/sub>时，闸门倾斜角度达到安全界限，监测系统给出报警信号。
F：声发射信号监测原理及评价方法
原理：支铰轴27承失效方式多为轴承润滑不良、轴承密封失效、水及泥沙进入或轴承滑动表面形成锈蚀，导致轴承润滑失效。支铰轴27承滑动副接触面滑动过程中，母材金属之间的接触、母材缺陷扩展是产生声发射信号的主要信号源。弧门支铰轴27承运行状态时低速重载，声发射技术作为一种新型的动态监测方法，其监测到的信号来源于摩擦副本身的接触情况，如摩擦副间微凸体的弹塑性变形与断裂、表层及次表层裂纹的扩展、材料的分层与转移、腐蚀磨损等。可在设备运行期间对其进行在线摩擦故障诊断，从而实现故障预报、预警。监测手段灵活、方便，无需对被检设备进行分拆。声发射信号能很好的反映轴承的工作状态，灵敏度高、抗干扰能力强、易于实现支铰轴27承的状态监测和早期故障判断。利用摩擦信号监测的声发射仪器具有灵敏度高，操作方便等优点，采用拾取摩擦声发射信号的特种声发射传感器15，通过对支铰轴27承的摩擦信号进行识别，判断支铰轴27承间的摩擦和磨损程度。
支铰轴27承副表面出现润滑失效或局部损伤，受载运行过程中将产生轴瓦表面的干摩擦或撞击，从而产生能量集中的冲击脉冲力，由于冲击脉冲力的频带较宽，采用传统的共振解调技术具有一定的局限性。声发射检测是一种动态无损检测方法，声发射信号来自缺陷本身。缺陷所处的位置和所受应力状态的不同其损伤程度也不同，声发射特征也不同。因此可以利用轴承的声发射信号对轴承的安全性及运行状态进行长期监测。由于声发射信号的频谱较宽，用其高频特性，可以有效抑制干扰，提高诊断的准确性。利用声发射信号进行轴承的故障检测，能减少噪声和工况的干扰，特别是能够在低速重载工况下有效监测轴承的故障。声振传感器是一种新型传感器，灵敏度高，与传统的加速传感器及声发射传感器15相比较，结合了加速度传感器12、声发射传感器15的共同特点，具有带宽大，灵敏度高的优势，可较为准确的监测出低速、重载工况条件下，支铰轴27承出现的干摩擦、轴瓦和支铰轴27套材料的表面裂纹、表面压痕、腐蚀凹坑和胶合等缺陷。
评价方法：支铰轴27承发射故障特征，需要根据工程特点进行特征标定。信号的拾取与技术分析判断，需要技术人员进行专业的设计和策划。对故障信号的判断可以得到定性的结论。
a)卡涩、卡阻：当自润滑轴承出现卡涩、间断性卡阻，摩擦阻力增大的迹象，表明自润滑材料发生破坏或接触精度降低引起轴承运转不良。此时的拾取的声发射信号连续、幅值较大且均匀。应进行安装精度、间隙值与接触斑点的检查与故障排除。
b)干摩擦：当轴承内外圈之间出现接触，发生干摩擦现象时，信号特征表现为连续声发射信号，幅值较大且随着时间的变化幅值发生变化。
c)裂纹：当轴承内外圈母材产生裂纹，监测到的信号为典型的声发射信号，信号特征表现为突发性声发射信号，幅值较大。
d)磨损：支铰轴27承经历干摩擦、半干摩擦的过程后，轴承内外圈及自润滑材料出现磨损。磨损发生时，轴承副的磨损区域声发射信号幅值较大，形成声发射簇，声发射集中。磨损趋于严重时，则拾取的信号幅值越强、声发射簇越宽。
e)胶合：支铰轴27承出现胶合现象，监测拾取的信号类似母材裂纹的声发射信号，但信号时域宽度更大，具有突发性声发射簇的特征，且信号幅值很强。
f)倾角传感器13报警检测原理说明：按图4所示连接，倾角传感器13水平放置，按下外壳上置零按键2秒，此时X、Y轴角度输出应为0度，指示灯为绿色。分别向X+、X-、Y+、Y-方向倾斜，当任意半轴角度绝对值大于等于3度（角度可调）时，发出报警，指示灯为红色。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201910070226.1
申请日:2019-01-24
公开号:CN109597344A
公开日:2019-04-09
国家:CN
国家/省市:90(成都)
授权编号:CN109597344B
授权时间:20191112
主分类号:G05B 19/042
专利分类号:G05B19/042;G01D21/02
范畴分类:40E;
申请人:国电大渡河流域水电开发有限公司;成都众柴科技有限公司
第一申请人:国电大渡河流域水电开发有限公司
申请人地址:610094 四川省成都市中国(四川)自由贸易试验区成都高新区天韵路7号
发明人:涂扬举;周业荣;王安;李林;梅燕
第一发明人:涂扬举
当前权利人:国电大渡河流域水电开发有限公司;成都众柴科技有限公司
代理人:代理机构:代理机构编号:优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计