橡胶坝自动化破冰技术研究

周政民，刘 建，姜贵民，李春雨

（河北省承德市武烈河河道与橡胶坝管理处，067000，承德）

橡胶坝冬季立坝越冬运行时必须采取坝前破冰的办法，在坝袋前开凿一条冰槽，使冰层与坝体隔开。目前橡胶坝越冬时普遍采取的措施是人工破冰，即人工开凿一条冰槽，使冰层与坝袋隔开，从而减轻外力对坝体的破坏作用。人工破冰有以下缺点：一是易对坝袋形成人为的损坏；二是浪费大量的人力物力；三是费时费工，人工成本较大；四是由于冰面坝袋光滑，经常会有人掉入水中，潜在人身意外伤害危险性较大。

一、橡胶坝自动化破冰技术的内容与要点

该项目依据能量守恒定律，应用PLC控制系统及组态软件，通过工业水泵、温度传感器等辅助设备，检测室外、水中温度，系统通过温度传感器反馈的信息，自动确定冲水泵启动的时间周期、时间间隔，通过能量转换使近坝体水体形成紊流，抑制冰层形成或使冰层融化。实现数据采集，数据分析处理，终端执行的自动化控制。橡胶坝自动破冰系统的技术要点为以下几个方面：

1.机泵布置方案与机泵型号选择

（1）机泵布置方案

每道橡胶坝机泵不宜布置太多，电缆线配置较多容易造成浪费；布置太少则能量损失较大，需要配置大功率机泵，浪费电能。根据实验情况，每道坝机泵布置的数量以2～4台为宜，每个机泵控制坝袋长度不超过60m。

（2）机泵型号选择

机泵的选型设计主要考虑工程规模、运行管理的可靠性、操作方便、满足工程运行需要、节能等几方面。根据现场的实际条件，直接利用橡胶坝库区水，水深 2.0～3.5 m，水温 4℃。水泵选型主要考虑机泵的以下参数：配用功率低，节能；高扬程，产生的水流紊流大；大流量，能量交换多；机泵效率高，节能。选用65QW（1）35-12-2.2型潜水排污泵，配用功率2.2 kW，扬程12 m，出水流量35m3/h；泵效率72%，排出口直径65 mm。该泵具有以下特点：一是防堵防缠，对于含有固体颗粒及长纤维的污水，能发挥最大的排水功效，适用直接取用库区河水；二是高效节能，泵效率高，配用功率小；三是安全可靠，配有保护控制系统，对泵进行自动保护 （过载、缺相、短路等），全扬程设计，水泵运行无过载；四是安装简易。

2.冲水管道的选择和布置

（1）冲水管道的选择

冲水管道的选择从以下几个方面考虑：一是经济实用，价格便宜；二是寿命要长，不腐烂，容易保存；三是安装方便，结构轻巧。综合考虑，选用目前市场上常用的节能环保管材PE管。

（2）冲水管道的布置

冲水管道布置在坝袋上游4～5 m处（一般在中、边墩上游1 m即可，满足冰体下移的要求），布置在水面以下5cm为宜，每段管道一泵单独控制。考虑管道出水均匀及流程损失，机泵接口全部安排在管道的中间。

（3）管道出水方式的选定

为了从管道内均匀排出水流，在水中形成稳定的紊流，融冰效果相同，使靠近管道中间部位出水口孔径稍微小一点，一般为2.5 mm，出水口间距稍远一点，一般为150mm，靠近管道两端部位出水口孔径稍微大一点，一般为3.2 mm，出水口间距稍近一点，一般为100mm。另外为扩大紊流，增大融冰宽度，冲水管道出水孔布置为梅花状。为保证冲水管道不受上下冰体的挤压作用（冲水管道不变形），两排管道出水口以形成30°的角度垂直向上，在冲水管道两侧都形成紊流。

3.立坝高度的选定

冬季立坝运行的橡胶坝工程，立坝高度为设计坝高的80% 左右。由于冲水管道位置固定，因此要求坝高必须稳定，以免由于坝高逐渐降低，管路被冰体压住、挤坏，影响融冰效果。

4.自动控制系统

（1）PLC控制系统及构成

橡胶坝自动控制系统逻辑运算要求高，输入配置点相对较少，考虑系统对可靠性及采样速率的要求，选用国产凯迪恩K3系列PLC及其文本屏系列产品。其主要特点是成本低、稳定性高。

系统共由三个部分组成：数据采集，数据分析处理，终端执行。

数据采集部分主要由三个冰面温度从一个室外温度变送器和数显表构成的模拟量反馈系统输入至PLC。

分析处理单元根据实际电气系统需求，具体IO点及PLC配置如下：

IO点配置为DI34点，DO12点，AI4点。PLC配置为，CPU单元K308-40AR CPU+24DI+16DO，开关量输入单元K321-16DX 16DI，模拟量输入单元K331-04IV 4 AI，文本显示屏单元TOD-120。终端执行系由接触器、潜水泵构成的电气执行回路和终端。

（2）系统模式和功能

橡胶坝自动破冰控制系统模式与功能如表1所示。

二、控制方式选择与功能

1.结冰温度控制

（1）测温点分布及位置选择

测温点的分布形式直接影响PLC判断的准确性，通过对整个坝前冰体进行综合观测，分别确定了两处结冰速度较快点和一处冰体位移最快点。结冰速度较快两点设置两支温度传感器，紧贴平行安装于冲水管上方，用以判断该区域是否已结冰及冰冻强度趋势（温度越低趋势越强），经PLC综合运算判断，当冰温低于设定值（即结冰一定厚度）后启动冲水；冰前位移点在冲水管前5cm垂直安装温度传感器，当该点温度小于0℃连续超过设定时间，即判断该点结冰，启动冲水系统，保证冲水管前5cm无结冰现象。

表1 橡胶坝自动破冰控制系统模式及功能表

（2）数值稳定技术

温度变送器输出信号因传输距离过长，虽未超出技术要求，但必须考虑周边电磁干扰及数据稳定性问题，本工程电流信号采用数显表隔离稳定方式，延长采样周期，滤波常数，经单位时间平均值计算控制采样有效数据，输入至PLC判断控制。此方式关键在于采样周期、滤波常数及PID的设置。采样周期过短，输出数据随周边电磁干扰正负越变变化大，采样周期过长，无法保证温度采集的实时性，经长期运行监测，该参数定为3S；滤波常数根据示波器实际测定变送器传输干扰及输出尖峰，参数设定为10%。该方式基本解决了温度采集过程稳定及可靠性问题。

（3）运行时间周期的确定

运行时间周期是指从PLC判断应开始启动冲水泵到冲水泵停止的一个运行时间周期。决定该周期时间长度的决定因素很多，包含起始冰面厚度所推算出的理论热交换化冰时间、冲水孔出水与冰热交换效率、空气散失热量、水泵吸水初始温度、管路热损失等诸多因素，经理论推算及多次运行测试，该运行方式一个运行时间周期195 min（室外平均温度为-15℃），且该周期可通过文本屏根据实际情况随时修改，满足随时调整需要。

2.气温曲线倍率控制

气温曲线倍率控制，是根据外界环境气温的变化自动按照一定比例增加或减少冲水泵的运行时间周期，此控制方式为非直接反馈控制方式。此方式采用数据模糊控制，基本模拟了人为手动方式根据气温控制冲水时间周期的方式。

（1）采样时间点确定

气温温度采样时间不能为全天采集，因气温在24 h内都有一定变化，这一变化如果连续提供给PLC，PLC则会提供出一条连续的或高或低的判断曲线，无法输出正确的当日泵运行时间周期，所以此控制方式采用设定采样时间点方式进行最低气温确定，时间点可通过文本屏设置，此时间点以每日凌晨3：00出现的气温为每日最低气温。

（2）基础气温设定

基础气温决定气温低于该设定值开始启动气温曲线倍率控制和后续的最低气温差值计算的基础数据，根据实际运行通过文本屏设置。

（3）基础运行时间周期设定

此参数决定当气温低于基础设定值，系统要求启动冲水泵的基础运行时间周期和实际气温与基础气温偏差计算增加运行时间的基础数据，可通过文本屏设置。

（4）实际气温与基础气温偏差之运行时间系数设定

系统根据文本屏设定的基础参考温度与采样时间点温度相减得出的温度差值，乘以文本屏预设的增加时间/℃，计算出采样时间点增加的泵运行时间周期，结合基础运行时间周期从而确定当日总的泵运行时间周期。

（5）增加时间

此数值由运行人员根据现场情况手动运行综合测量得出，为30min/℃。此参数可通过文本屏修改。

3.结冰温度、气温综合控制

此控制方式是结冰温度控制与气温曲线倍率控制的结合，只是选择固定点温度参与控制，气温控制有所不同，主要是防止气温骤降坝前即将发生的严重结冰现象，北方气温骤降连续时间多为三天以上，需要通过对固定时间 （最低温度时间段）的温度检测，用以确定是否需要强制启动一个工作时间周期。该温度设定值一般比较低，且设定的工作时间周期较长，主要用于气温骤降环境的控制补充。

4.定时控制

同其他常规定时方式一样，该控制方式只需通过文本屏设置每组的启动和本次运行周期时间即可，共设4组定时。

5.报警记录及急停功能

（1）报警记录

通过文本屏可查询最近的连续128条报警记录，主要包含各控制方式的手动自动启动、停止及时间信息，以备事件查询和处理。

（2）急停功能

考虑系统运行需要，特别加入独特的急停功能，按下急停按钮后，所有输出恢复初始状态，即停止状态，且PLC进入停止状态，防止事故急停复归后的重启动。复位急停功能必须断开PLC电源重新供电，程序才能重新执行。

三、结 语

该技术在承德市武烈河第二道橡胶坝进行了连续3个月各种方式的反复切换试验，均能满足系统设计要求，且运行较为稳定，监测数据连续完整，实现了橡胶坝自动化破冰。该项目解决了冰体下移、冻胀对坝袋造成的技术性破坏，省时、省力又节约大量投资；同时大大提高了橡胶坝工程的管护水平，降低运行成本；确保坝袋完好无损，延长橡胶坝坝袋的使用寿命；解决了破冰人员落水的潜在危险，确保橡胶坝工程效益的发挥。对北方寒冷地区运行的橡胶坝工程、水库大坝、闸门、溢洪道工程等有较大的推广价值。该技术推广前景广阔，推广价值高，其直接经济效益、间接经济效益巨大。

[1]高本虎.橡胶坝工程技术指南[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[2]周政民，冯俊玉.多沙河流橡胶坝工程运行管理[J].河北水利水电技术，1993（1）.

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