CN112301968A - 一种螺杆式启闭机智能防顶闸控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺杆式启闭机智能防顶闸控制方法。它包括如下步骤，步骤一：开始；螺杆下降；步骤二：检测螺杆实时位置L；步骤三：当螺杆实时位置L高于调速线的位置L₂时，通过调整启闭机出力使闸门下降速度不变；当螺杆实时位置L低于调速线的位置L₂时，进入下一步；步骤四：检测闸门实时下降速度V₂、加速度a，计算闸门实时下降速度V₂与预设速度V_set2的偏差ΔV；步骤五：当ΔV＞ΔV_set或a＞a_set时，则立即切断启闭机电源，并发异常告警信号；当ΔV≤ΔV_set和a≤a_set时，返回步骤四；步骤六：当闸门实时下降位置到达底部或预设位置时，立即停机。本发明具有检测精度高，反应迅速、动作及时的优点，能有效防止顶闸事故的发生的优点。本发明还公开了螺杆式启闭机智能防顶闸控制系统。

Description

一种螺杆式启闭机智能防顶闸控制方法及系统

技术领域

本发明涉及闸门控制领域，更具体地说它是一种螺杆式启闭机智能防顶闸控制方法。本发明还涉及所述的螺杆式启闭机智能防顶闸控制系统。

背景技术

启闭机主要用于水利工程中控制闸门的开启和关闭，常见的启闭机类型包括卷扬式、螺杆式、液压式等。其中，螺杆式启闭机因结构较为简单、安装便捷、使用效果良好，在水利工程中得到了大量的应用。然而，不同于其他类型启闭机，螺杆式启闭机面临着较大的顶闸风险。现场已发生过多次螺杆式启闭机顶闸事故，对相关设备以及运行人员安全带来了不利影响。

对现场发生的螺杆式启闭机顶闸事故进行分析后发现，造成顶闸事故的原因主要体现在以下几个方面：

(1)运行人员在现地控制闸门关闭时，因运行人员操作失误或不熟练导致闸门下边缘在触底或遇障碍物后没有及时停机，此时启闭机将带动闸门继续下压，下压的反作用力将作用到螺杆、启闭机及机座上，出现顶闸事故。

(2)随着自动化程度的提升，现场一般会配置闸门开度仪实时检测闸门位置。运行人员在远程控制闸门关闭时，根据开度仪实时检测的闸门位置进行启停机操作，或设置闸门到底自动停机。但因闸门开度仪检测闸门位置存在误差，并且缺乏可靠有效的闸门下边缘触底或遇障碍物自动停机措施，螺杆式启闭机依然存在较大的顶闸风险。

顶闸事故发生后轻则可能压弯螺杆、顶碎启闭机端盖和顶断启闭机台梁，重则可能顶翻启闭机台、烧毁电机，甚至造成人员伤亡。

针对螺杆式启闭机顶闸问题，已有较多学者和现场工程人员开展了大量的研究，应对措施主要包括：

(1)在闸门触底或遇障碍物后，启闭机力矩会发生变化从而引起电机电流发生变化，通过检测该电流变化来判断闸门是否触底或遇障碍物；

(2)安装轴销式称重传感器，闸门在上升、下降、触底或遇阻碍情况下传感器的受力存在差异，通过检测该差异判断闸门是否触底或遇障碍物；

(3)加装弹簧或其他安全装置，配置触点式电路，发生顶闸事故时触发触点断开使启闭机停机。

以上方案能够一定程度上降低螺杆式启闭机顶闸的风险和危害，但依然存在诸如触底或遇障碍物检测精度低、停机不及时、相应传感器安装困难等问题，存在进一步优化的空间。

因此，现亟需开发一种能够实时精确监测闸门运动状态、在保障闸门控制基本功能的基础上有效防止顶闸事故的发生的螺杆式启闭机控制方法。

发明内容

本发明的第一目的是为了提供一种螺杆式启闭机智能防顶闸控制方法，利用检测精度更高的视频智能分析技术检测螺杆的下降速度以及加速度，能够实时精确监测闸门运动状态，对异常状况能够及时快速响应并发出停机指令，在保障闸门控制基本功能的基础上有效防止顶闸事故的发生；本发明所述的控制方法无需安装额外传感设备，无需接触现场设备，且部署灵活方便，适应性强；克服了现有螺杆式启闭机顶闸事故频发且当前应对措施存在的检测精度低、触底或遇障碍物停机不及时、硬件安装复杂等问题。

本发明的第二目的是为了提供所述的螺杆式启闭机智能防顶闸控制系统，具有检测精度高、计算速度快的优势，通过与预设的螺杆下降速度及加速度进行对比监测闸门下降全过程，能有效防止顶闸事故的发生。

为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：一种螺杆式启闭机智能防顶闸控制方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：开始；

启动设备，螺杆下降；

步骤二：检测螺杆实时位置L；

步骤三：当螺杆实时位置L高于调速线的位置L₂时，通过调整启闭机出力使闸门下降速度不变，此时，V_set1＝V₁，其中V_set1表示闸门在螺杆标志线与调速线之间正常下降未遇阻碍物时的设定速度，螺杆以速度V₁匀速下降；

当螺杆实时位置L低于调速线的位置L₂时，进入下一步；

步骤四：检测闸门实时下降速度V₂、加速度a，并计算闸门实时下降速度V₂与预设速度V_set2的偏差ΔV；

其中，V_set2＝-((V₁/(t₂-t₁))×t+V₁ (式4-1)

式4-1中，V_set2表示闸门在降速段正常下降未遇阻碍物时的设定速度，单位为m/s；

V₁表示闸门在螺杆匀速下降区段设定下降的速度，单位为m/s；

t₁表示闸门在螺杆匀速下降区段下降的时间，单位为s；

t₂表示闸门下降总时间，单位为s；

t表示闸门进入螺杆降速下降区段后的下降时间，单位为s；

步骤五：当ΔV＞ΔV_set或a＞a_set时，则立即切断启闭机电源，并发异常告警信号；

其中，ΔV_set和a_set分别表示闸门下降速度偏差门槛值以及加速度门槛值；

当ΔV≤ΔV_set和a≤a_set时，返回步骤四；

步骤六：当闸门实时下降位置到达底部或预设位置时，立即停机。

在上述技术方案中，螺杆顶部设有标志线；吊尺平行设置在螺杆侧方；在吊尺上标记调速线和停止线，将调速线以上的部分设为螺杆匀速下降区段，调速线和停止线之间的部分设为螺杆降速下降区段。

在上述技术方案中，螺杆实时位置、速度和加速度通过非接触式检测系统检测、记录和分析。

在上述技术方案中，所述非接触式检测系统包括高清摄像头监控和视频智能分析一体机；

高清摄像头监控螺杆实时位置，视频智能分析一体机实时记录、分析螺杆实时位置、速度和加速度，并将控制指令反馈给螺杆式启闭机和控制中心。

为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：所述的螺杆式启闭机智能防顶闸控制方法采用的螺杆式启闭机智能防顶闸控制系统，其特征在于：包括非接触式检测系统和吊尺；

所述非接触式检测系统设置在螺杆侧方；

所述吊尺平行设置在螺杆侧方；

螺杆顶部设有标志线；所述吊尺上标记有调速线和停止线，调速线以上的部分设为螺杆匀速下降区段，调速线和停止线之间的部分设为螺杆降速下降区段。

在上述技术方案中，所述非接触式检测系统包括高清摄像头和视频智能分析一体机；

所述高清摄像头设置在螺杆式启闭机侧方；所述高清摄像头与视频智能分析一体机连接。

在上述技术方案中，所述视频智能分析一体机部署在启闭机边缘侧。

本发明具有如下优点：

(1)本发明将闸门下降过程分为匀速段和降速段，既可保障闸门整个下降过程时间不至于太长，也能使闸门在触底或遇障碍物时速度不至于太大，降低碰撞冲击力对闸门、螺杆等设备的损坏，也为闸门控制提供缓冲区；

(2)本发明基于机器视觉算法智能识别螺杆下降速度和加速度，具有检测精度高、计算速度快的优势，通过与预设的螺杆下降速度及加速度进行对比监测闸门下降全过程，能有效防止顶闸事故的发生；

(3)本发明通过检测速度和加速度变化来监测闸门状态具有反应迅速、动作及时的优点，在螺杆受到挤压力前即可检测出闸门异常状况及时停机，有效降低闸门、螺杆损坏的风险；

(4)本发明方法充分利用螺杆式启闭机旁已有的高清摄像头，提升了已有设备的利用率，相比于轴销载荷保护方案具有非接触式检测、部署灵活、无需额外安装称重传感器的优点；

(5)本发明在边缘部署视频智能分析一体机，既能有效减少通信延时对闸门监控实时性带来的影响，同时可减轻监控中心计算、存储和网络带宽压力。

附图说明

图1为本发明的应用场景示意图。

图2为本发明实施例的螺杆下降速度示意图。

图3为本发明实施例的螺杆下降速度偏差示意图。

图4为本发明实施例的螺杆下降加速度示意图。

图5为本发明的螺杆式启闭机智能防顶闸控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：一种螺杆式启闭机智能防顶闸控制方法，包括如下步骤，

步骤一：开始；

启动设备，螺杆下降；

步骤二：检测螺杆实时位置L；

步骤三：当螺杆实时位置L高于调速线的位置L₂时，通过调整启闭机出力使闸门下降速度不变，此时，V_set1＝V₁，其中V_set1表示闸门在螺杆标志线与调速线之间正常下降未遇阻碍物时的设定速度，螺杆以速度V₁匀速下降；

当螺杆实时位置L低于调速线的位置L₂时，进入下一步；

步骤四：检测闸门实时下降速度V₂、加速度a(下降速度V₂、加速度a为视频智能分析一体机的检测值)，并计算闸门实时下降速度V₂与预设速度V_set2的偏差ΔV；当闸门在线性降速下降过程中，闸门的综合受力F方向向上、大小不变；

当闸门在线性降速下降过程遇障碍物时，闸门底部受到向上阻力，闸门综合受力变大，受力方向不变；

螺杆与闸门相连，螺杆与闸门进行一致性运动、二者的下降速度、加速度、时间等均相同；因此，非接触式检测系统检测的螺杆实时下降速度、加速度等于闸门实时下降速度、加速度；

其中，V_set2＝-((V₁/(t₂-t₁))×t+V₁ (式4-1)

式4-1中，V_set2表示闸门在降速段正常下降未遇阻碍物时的设定速度，单位为m/s；

V₁表示闸门在螺杆匀速下降区段设定下降的速度，单位为m/s；

t₁表示闸门在螺杆匀速下降区段下降的时间，单位为s；

t₂表示闸门下降总时间，单位为s；

t表示闸门进入螺杆降速下降区段后的下降时间，单位为s；

步骤五：当ΔV＞ΔV_set或a＞a_set时，则立即切断启闭机电源，并发异常告警信号；

其中，ΔV_set和a_set分别表示闸门下降速度偏差门槛值以及加速度门槛值；

当ΔV≤ΔV_set和a≤a_set时，返回步骤四；

步骤六：当闸门实时下降位置到达底部或预设位置时，立即停机(如图1、图5所示)；通过检测速度和加速度变化来监测闸门状态具有反应迅速、动作及时的优点，在螺杆受到挤压力前即可检测出闸门异常状况及时停机，有效降低闸门、螺杆损坏的风险。

进一步地，螺杆顶部设有标志线；吊尺平行设置在螺杆侧方；在吊尺上标记调速线和停止线，将调速线以上的部分设为螺杆匀速下降区段，调速线和停止线之间的部分设为螺杆降速下降区段(如图1所示)；将闸门下降过程分为匀速段和降速段，既可保障闸门整个下降过程时间不至于太长，也能使闸门在触底或遇障碍物时速度不至于太大，降低碰撞冲击力对闸门、螺杆等设备的损坏，也为闸门控制提供缓冲区。

进一步地，螺杆实时位置、速度和加速度通过非接触式检测系统检测、记录和分析。

进一步地，所述非接触式检测系统包括高清摄像头监控和视频智能分析一体机；

高清摄像头监控螺杆实时位置、速度和加速度，视频智能分析一体机实时记录、分析螺杆实时位置、速度和加速度，并将控制指令反馈给螺杆式启闭机和控制中心(如图1所示)；基于机器视觉算法智能识别螺杆下降速度和加速度，具有检测精度高、计算速度快的优势，通过与预设的螺杆下降速度及加速度进行对比监测闸门下降全过程，能有效防止顶闸事故的发生。

参阅附图可知：所述的螺杆式启闭机智能防顶闸控制方法采用的螺杆式启闭机智能防顶闸控制系统，包括非接触式检测系统和吊尺；

所述非接触式检测系统设置在螺杆侧方；

所述吊尺平行设置在螺杆侧方；

螺杆顶部设有标志线；所述吊尺上标记有调速线和停止线，调速线以上的部分设为螺杆匀速下降区段，调速线和停止线之间的部分设为螺杆降速下降区段(如图1所示)；基于机器视觉算法智能识别螺杆下降速度和加速度，具有检测精度高、计算速度快的优势，通过与预设的螺杆下降速度及加速度进行对比监测闸门下降全过程，能有效防止顶闸事故的发生。

进一步地，所述非接触式检测系统包括高清摄像头和视频智能分析一体机；

所述高清摄像头设置在螺杆式启闭机侧方；所述高清摄像头(为启闭机旁已有的高清摄像头)与视频智能分析一体机(为现有技术)连接；充分利用螺杆式启闭机旁已有的高清摄像头，提升了已有设备的利用率，相比于轴销载荷保护方案具有非接触式检测、部署灵活、无需额外安装称重传感器的优点。

进一步地，所述视频智能分析一体机部署在启闭机边缘侧(如图1所示)；在边缘部署视频智能分析一体机，既能有效减少通信延时对闸门监控实时性带来的影响，同时可减轻监控中心计算、存储和网络带宽压力。

实施例

现以本发明应用于某工程的螺杆式启闭机的控制为实施例对本发明进行说明，对本发明应用于其他工程的螺杆式启闭机的控制同样具有指导作用。

本实施例所述的某工程的螺杆式启闭机智能防顶闸控制方法，具体方法步骤如下：

步骤一：在螺杆顶部刻有颜色标志线(设置标志线的目的一方面是为视频智能分析提供基准，检测螺杆位置、速度及加速度；另一方面将螺杆下降区域分为匀速段和降速段)，在吊尺上标记调速线和停止线，其中设定调速线以上的部分设为螺杆匀速下降区段，调速线和停止线之间设为螺杆降速下降区段；螺杆标志线与停止线平齐时表明闸门刚好触底；图1中，L₁表示螺杆标志线与调速线的距离，L₂表示调速线与螺杆下降预设位置之间的距离，L表示螺杆下降总行程(如图1所示)。

步骤二：在匀速段通过调整启闭机出力使闸门下降速度不变，闸门匀速下降速度设为V₁，闸门在匀速段下降的时间为t₁(如图2所示，图2中长方形阴影部分面积表示闸门在匀速段下降的行程L₁)；在降速段通过调整启闭机出力使闸门下降速度按线性降低，设定闸门下降至底部或预设位置时速度刚好为0，设闸门在降速段正常下降未遇阻碍物时速度为V₂(如图2中加正方形的直线所示)，下降时间为t₂-t₁(其中，t₂表示闸门下降总时间)；图2中三角形空白部分面积表示闸门在降速段以速度V₂、时间t₂-t₁下降的行程L₂；

当闸门在t'时刻遇阻碍物，阻碍物后速度为V'₂(如图2中加三角形的曲线所示)，在t”时刻速度降为0；由图2可知，在闸门遇障碍物后速度偏离预设速度线，并迅速降至0；以上各参数的关系如公式(1)-(3)所示；

L₁＝V₁×t₁ (1)

V₂＝-((V₁/(t₂-t₁))×t+V₁ (2)

L₂＝1/2×V₁×(t₂-t₁) (3)

式1-式3中，V₁表示闸门在螺杆匀速下降区段设定下降的速度，单位为m/s；

V₂表示闸门在降速段正常下降未遇阻碍物时速度，单位为m/s；

t₁表示闸门在螺杆匀速下降区段下降的时间，单位为s；

t₂表示闸门下降总时间，单位为s；

t表示闸门进入螺杆降速下降区段后的下降时间，单位为s。

涉及的匀速段和降速段的长度范围以及速度大小和变化规律需要根据现场实际需求来确定，主要考虑闸门总体下降时间、安全下降速度等方面；

步骤三：借助螺杆式启闭机旁装设的高清摄像头，并部署视频智能分析一体机，基于机器视觉算法识别螺杆顶部标记线与吊尺调速线和停止线的相对位置以及相对位置变化速度，据此计算闸门的实时下降位置、下降速度和加速度；其中的高清摄像头、视频智能分析一体机均为现有技术；

一般情况下，每台螺杆式启闭机旁均装有高清摄像头，但目前仅用于运行监控，利用率不高。利用视频智能分析技术能充分挖掘视频监控的潜在价值，通过非接触式检测即可判断螺杆式启闭机的状态，具有较高的精度和计算速度，还能减少其它设备如开度仪、称重传感器等的配置，降低了成本；

由于高清视频数据量庞大，远传至控制中心存在通信延时，若在控制中心对视频进行处理分析，可能无法快速检测闸门出现的异常状态，进而无法及时下达停机指令造成设备损坏；因此，有必要将视频智能分析一体机部署在边缘侧，既能有效减少通信延时对闸门监控实时性带来的影响，实现异常状况快速停机，同时可减轻监控中心计算、存储和网络带宽压力；

步骤四：当闸门实时下降位置到达底部或预设位置时，立即停止启闭机；另外，将闸门实时下降速度、加速度与预设的下降速度和加速度进行比较，当任意一个量出现的偏差大于门槛值时立即停机，并发异常告警信号，通过控制启闭机出力来控制闸门停止运动(如图1、图5所示)，具体如下：

闸门在线性降速下降过程中其综合受力F方向向上，大小不变；在遇障碍物时，闸门底部受到向上阻力，闸门综合受力变大，方向不变；由F＝ma可知，闸门综合受力增大时，闸门运动加速度a也变大；又由

可知，闸门下降速度v将偏离原有设定速度，不再按预设的直线变化；由于加速度方向与闸门运动方向相反，闸门下降速度v将降低的更快；

闸门在遇阻碍物前至遇障碍物后的下降过程中，螺杆先是受到闸门向下的拉力，而后在闸门遇障碍物继续下压过程中，螺杆受到闸门向下的拉力逐渐减小直至0，然后该力反向，螺杆将受到闸门向上的挤压力；通过检测加速度和速度的变化能在螺杆受到向上的挤压力之前识别出闸门异常，进一步降低了闸门、螺杆损坏的风险；

在实际应用时，考虑到启闭机速度控制误差、闸门下降速度和加速度识别计算误差等因素，在闸门正常下降时计算得到的速度/加速度可能与预设的速度/加速度存在偏差，因此，可考虑设置一定的门槛值排除该误差。

图3所示为螺杆下降速度偏差示意图，图4所示为螺杆下降加速度示意图(其中，螺杆与闸门进行一致性运动、二者的下降速度、加速度、时间等均相同；因此，非接触式检测系统检测的螺杆实时下降速度、加速度等于闸门实时下降速度、加速度)，图3和图4中加三角形的线条表示闸门遇障碍物后的速度偏差以及加速度，加正方形的线条表示闸门正常下降时的速度偏差以及加速度，ΔV_set和a_set分别表示闸门下降速度偏差门槛值以及加速度门槛值，门槛值的确定均考虑启闭机速度控制误差、闸门下降速度和加速度识别计算误差等因素。由图3可知，闸门正常下降在无障碍物或者未接触障碍物的情况下，速度偏差ΔV为0，加速度在匀速段为0，在降速段为V₁/(t₁-t₂)，此时闸门下降的速度偏差和加速度均位于门槛值以内；当闸门在t'时刻遇障碍物后，下降速度出现偏离，速度偏差ΔV迅速增大，此时加速度绝对值也迅速增大，快速越过门槛值，此时则立即切断启闭机电源，并发异常告警信号。

结论：本实施例采用本发明所述的控制方法后，具有检测精度高、计算速度快的优势，通过与预设的螺杆下降速度及加速度进行对比监测闸门下降全过程，有效防止顶闸事故的发生。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的螺杆式启闭机智能防顶闸控制方法及系统与现有技术相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：

由上表可知，本发明所述的螺杆式启闭机智能防顶闸控制方法及系统与现有技术相比，检测精度高，在螺杆受到挤压力前即可检测出闸门异常状况及时停机，不会发生触底，只需在边缘部署视频智能分析一体机，为非接触式检测、部署灵活、无需额外安装称重传感器，节省成本。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (7)

1.一种螺杆式启闭机智能防顶闸控制方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：开始；

启动设备，螺杆下降；

步骤二：检测螺杆实时位置L；

步骤三：当螺杆实时位置L高于调速线的位置L₂时，通过调整启闭机出力使闸门下降速度不变，此时，V_set1＝V₁，其中V_set1表示闸门在螺杆标志线与调速线之间正常下降未遇阻碍物时的设定速度，螺杆以速度V₁匀速下降；

当螺杆实时位置L低于调速线的位置L₂时，进入下一步；

步骤四：检测闸门实时下降速度V₂、加速度a，并计算闸门实时下降速度V₂与预设速度V_set2的偏差ΔV；

其中，V_set2＝-((V₁/(t₂-t₁))×t+V₁ (式4-1)

式4-1中，V_set2表示闸门在降速段正常下降未遇阻碍物时的设定速度，单位为m/s；

V₁表示闸门在螺杆匀速下降区段设定下降的速度，单位为m/s；

t₁表示闸门在螺杆匀速下降区段下降的时间，单位为s；

t₂表示闸门下降总时间，单位为s；

t表示闸门进入螺杆降速下降区段后的下降时间，单位为s；

步骤五：当ΔV＞ΔV_set或a＞a_set时，则立即切断启闭机电源，并发异常告警信号；

其中，ΔV_set和a_set分别表示闸门下降速度偏差门槛值以及加速度门槛值；

当ΔV≤ΔV_set和a≤a_set时，返回步骤四；

步骤六：当闸门实时下降位置到达底部或预设位置时，立即停机。

2.根据权利要求1所述的螺杆式启闭机智能防顶闸控制方法，其特征在于：螺杆顶部设有标志线；吊尺平行设置在螺杆侧方；在吊尺上标记调速线和停止线，将调速线以上的部分设为螺杆匀速下降区段，调速线和停止线之间的部分设为螺杆降速下降区段。

3.根据权利要求2所述的螺杆式启闭机智能防顶闸控制方法，其特征在于：螺杆实时位置、速度和加速度通过非接触式检测系统检测、记录和分析。

4.根据权利要求3所述的螺杆式启闭机智能防顶闸控制方法，其特征在于：所述非接触式检测系统包括高清摄像头监控和视频智能分析一体机；

高清摄像头监控螺杆实时位置，视频智能分析一体机实时记录、分析螺杆实时位置、速度和加速度，并将控制指令反馈给螺杆式启闭机和控制中心。

5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的螺杆式启闭机智能防顶闸控制方法采用的螺杆式启闭机智能防顶闸控制系统，其特征在于：包括非接触式检测系统和吊尺；

所述非接触式检测系统设置在螺杆侧方；

所述吊尺平行设置在螺杆侧方；

螺杆顶部设有标志线；所述吊尺上标记有调速线和停止线，调速线以上的部分设为螺杆匀速下降区段，调速线和停止线之间的部分设为螺杆降速下降区段。

6.根据权利要求5所述的螺杆式启闭机智能防顶闸控制系统，其特征在于：所述非接触式检测系统包括高清摄像头和视频智能分析一体机；

所述高清摄像头设置在螺杆式启闭机侧方；所述高清摄像头与视频智能分析一体机连接。

7.根据权利要求6所述的螺杆式启闭机智能防顶闸控制系统，其特征在于：所述视频智能分析一体机部署在启闭机边缘侧。

Images