一种闸门液压启闭机液压系统的监测系统及其使用方法与流程

1.本发明涉及水利水电工程技术领域，具体涉及一种闸门液压启闭机液压系统的监测系统及其使用方法。


背景技术：

2.目前我国水利水电工程(特别是大型水利水电工程)发展十分迅速，规模和速度已跃居世界之首。作为其重要设备之一的液压启闭机，以其操作简单、体积小、起重力大、启闭速度快,使用寿命长,便于集中控制和自动化操作等特点,在水利水电工程中应用越来越广泛。
3.但是近些年，闸门液压启闭机液压系统因制造、安装及密封磨损等原因，导致的泄漏问题在水利水电工程中时有发生，已逐渐成为液压系统中的主要故障形式之一。而目前该行业针对于闸门液压启闭机液压系统泄漏的在线监测研究还属于空白。现阶段启闭机液压系统泄漏监测方法一般有两种：一是依赖运行维护人员日常巡回检查；二是通过装设的油位传感器及压力传感器反馈发出报警。这两种方法都有一定弊端，存在盲区且泄漏反映滞后，若现场工作人员未能及时发现泄漏点或液压系统泄漏到油位低限值时，大量泄漏的液压油将严重影响启闭机设备正常运行，导致闸门无法启闭，影响防汛安全，同时大量外泄的液压油也会对下游环境造成严重污染，后果十分严重。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明公开了一种闸门液压启闭机液压系统的监测系统及其使用方法，能实现液压系统泄漏的在线监测，解决液压油泄漏难发现，导致处理不及时的难题。同时，确保水利枢纽设备安全可靠运行，保证防汛安全。
5.本发明采用以下技术方案：
6.一种闸门液压启闭机液压系统的监测系统，包括油缸、液压泵站、数据库、工控机、plc、传感器和超声波流量计；
7.所述的数据库与工控机连接；所述的工控机与plc连接；所述的传感器包括位移传感器、油位传感器；所述的油缸安装位移传感器；所述的液压泵站的回油箱安装油位传感器；所述的液压泵站的供油管和回油管分别安装超声波流量计。
8.所述的油缸、液压泵站为闸门液压启闭机液压系统的组成部分。
9.在本发明中，所述的位移传感器、油位传感器和超声波流量计测量得到的数据传输至plc。所述的plc一方面进行进行逻辑运算，判断闸门液压启闭机液压系统是否发生异常；另一方面将位移传感器、油位传感器和超声波流量计测量得到的数据传输给工控机，并由工控机将数据存储至数据库。此外，所述的工控机还可以为工作人员提供闸门液压启闭机液压系统运行状况的历史数据查询，供设备运行分析用。
10.本发明的进一步说明，所述的超声波流量计为时差式超声波流量计；所述的时差式超声波流量计采用钳夹式安装，安装于管道的外侧。所述的时差式超声波流量计安装在
管道的外侧，在测量管道流量的过程中不会改变管道内流体的流动状态，也不会产生压力损失，因而在进行数据采集的过程中不会影响闸门液压启闭机液压系统运行稳定性。
11.本发明的进一步说明，所述的液压泵站的供油管和回油管分别安装压力传感器；所述的液压泵站的供油管、回油管和回油箱分别安装温度传感器。所述的压力传感器用于测量供油管和回油管的油压，温度传感器，进一步判断闸门液压启闭机液压系统是否发生泄漏。
12.本发明的进一步说明，所述的位移传感器、油位传感器和超声波流量计分别与plc有线连接。采用有线连接，能保证位移传感器、油位传感器和超声波流量计测量到的数据能快速传输至plc，及时发现液压系统的异常。
13.本发明的进一步说明，还包括hmi(人机界面)；所述的hmi包括显示单元和输入单元；所述的显示单元、输入单元分别与plc连接。所述的plc通过设置hmi，方便工作人员与监测系统实现人机交互；在实际应用中，所述的hmi可以优选为触控屏。
14.以上所述的一种闸门液压启闭机液压系统的监测系统的使用方法，包括以下步骤：
15.(1)所述的闸门液压启闭机液压系统运行状态分为静态和动态两种工作状态，并且建立静态逻辑判断模型和动态逻辑判断模型；当闸门液压启闭机液压系统运行状态为静态时，采用静态逻辑判断模型对闸门液压启闭机液压系统进行监测；当闸门液压启闭机液压系统运行状态为动态时，采用动态逻辑判断模型对闸门液压启闭机液压系统进行监测；
16.(2)所述的静态逻辑判断模型在判断闸门液压启闭机液压系统是否发生泄漏时，包括以下步骤：
17.1)以供油管和回油管的流量差、回油箱液位差值作为报警的判断条件；所述的超声波流量计分别测量供油管和回油管的流量；所述的油位传感器测量回油箱的油位，位移传感器测量油缸的活塞杆位移变化值；
18.2)所述的plc分别设置供油管和回油管的流量差的报警阈值和回油箱液位差值的报警阈值；所述的plc分别计算供油管和回油管的流量差和回油箱液位差值；
19.3)所述的供油管和回油管的流量差、回油箱液位差值，两个判断条件组成或门；当出现供油管和回油管的流量差或回油箱液位差值大于报警阈值时，发出警报；
20.(3)所述的动态逻辑判断模型在判断液压液压系统是否发生泄漏时，包括以下步骤：
21.1)以供油管和回油管的流量差、回油箱液位差值、供油管压力变化情况、回油管压力变化情况作为报警判断条件；
22.所述的超声波流量计分别测量供油管和回油管的流量；所述的油位传感器测量回油箱的油位，位移传感器测量油缸的活塞杆位移变化值；所述的压力传感器分别测量供油管和回油管的压力；
23.2)所述的plc设置供油管和回油管的流量差的报警阈值和回油箱液位差值的报警阈值；所述的plc计算供油管和回油管的流量差；所述的plc计算回油箱液位差值；所述的plc分别记录供油管和回油管的压力变化情况；
24.3)所述的供油管和回油管的流量差、回油箱液位差值，两个判断条件组成或门；所述的供油管压力变化情况、回油管压力变化情况和供油管和回油管的流量差，三个判断条
件组成与门；当出现回油箱液位差值大于报警阈值时，发出警报；当出现供油管和回油管的流量差大于报警阈值时，查询供油管压力变化情况和回油管压力变化情况；在出现供油管和回油管的流量差大于报警阈值的条件下，同时出现供油管压力下降和回油管压力下降，发出泄漏警报。
25.在闸门液压启闭机液压系统日常工作的过程中，供油管和回油管的流量大小并不相等，存在一个在一定范围内波动的流量差值；在进行油管泄漏判断时，当供油管进和回油管流量差稳定在正常波动范围内即可判断闸门液压启闭机液压系统运行正常无泄漏。
26.此外，由于液压系统内液压油总量是固定的，在闸门液压启闭机液压系统运行的过程中，液压油在回油箱和油缸之间来回输送，完成闸门的开启和关闭；即在闸门开启和关闭的过程中，回油箱的油位存在一个规律变化的液位差，液位差稳定在一定范围内波动即可判断运行正常无泄漏。
27.当闸门液压启闭机液压系统处于动态时，为防止液压系统工况变化造成误报警、误动作，在动态逻辑判断模型中增设供油管压力变化情况、回油管压力变化情况作为辅助判断条件；并将供油管压力变化情况、回油管压力变化情况和供油管和回油管的流量差，三个判断条件组成与门，确保报警讯息可靠。
28.本发明的进一步说明，所述的动态逻辑判断模型设置有停泵功能。不同于静态，动态时闸门液压启闭机液压系统的管路内存有大量的压力油，为防止液压油泄漏量的扩大，在plc中增加停泵的保护功能，对超出定值的不正常运行情况开出报警信号并作用停泵。
29.本发明的进一步说明，所述的plc设置供油管和回油管的流量差的报警阈值时，包括以下步骤：
30.1)计算供油管和回油管的流量差的报警阈值：
31.δq(t)＝|q1(t)-q2(t)|(1)
32.式中δq(t)为供油管和回油管的流量差，q1(t)为供油管液体流量，q2(t)为回油管液体流量，t为信号采样周期；
33.2)取报警阈值：
34.ε＝max|δq(t)|(2)
35.式中ε为报警阈值；当δq(t)＞ε时，即可判断管道发生泄漏。
36.本发明的进一步说明，所述的plc设置回油箱的液位差的报警阈值时，包括以下步骤：
37.1)计算回油箱油位变化计算值：
[0038][0039]
式中δl
箱
(t)为回油箱油位变化计算值，s
i有
为第i号油缸有杆腔截面积，s
i无
为第i号油缸无杆腔截面积，s
箱
为启闭机回油箱底部截面积，δli为第i号油缸的活塞杆位移变化值，ti为当前油温下体积修正系数，k为液压油的体积弹性模量，δp
i有
为i号油缸有杆腔液压油的相对压力，δp
i无
为i号油缸无杆腔液压油的相对压力，δp
箱
为回油箱的相对压力；其中相对压力δp
i有
、δp
i无
和δp
箱
可以由液压系统的压力表读出，油缸的活塞杆位移变化值δli通过位移传感器测出。
[0040]
2)计算回油箱液位差值：
[0041]
δl
11
(t)＝|δl
箱
′
(t)-δl
箱
(t)|(4)
[0042]
式中δl
11
(t)为回油箱液位差值，δl
箱
′
(t)为回油箱液位差实测值，δl
箱
(t)回油箱油位变化计算值；其中回油箱液位差实测值通过油位传感器测出。
[0043]
3)取报警阈值：
[0044]
ζ＝max|δl
11
(t)|(5)
[0045]
式中ζ为报警阈值：当δl
11
(t)＞ζ时，即可判断液压系统发生泄漏。
[0046]
闸门液压启闭机液压系统运行时，回油箱的油位变化值与启闭油缸的活塞位置成对应关系，由于启闭机工况变化，存在一个回油箱液位差值δl
11
，稳定在一定范围(ζ)内波动即可判断运行正常无泄漏。故可将回油箱液位差δl
11
是否大于液位泄漏报警阈值ζ作为判定启闭机液压系统泄漏的标准。
[0047]
当液压油发生外泄漏时，导致的最终结果是液压油总量变少。因此，可以根据油缸储油总变化量等于回油箱储油变化量这个恒定关系，建立泄漏监测模型。
[0048][0049]
根据公式(6)可以推出公式(3)，并由公式(3)计算出δl
箱
(t)。
[0050]
本发明的优点：
[0051]
1、本发明通过设置位移传感器、油位传感器和超声波流量计，实时测量闸门液压启闭机液压系统的储油量和管道流量，并通过plc进行逻辑运算，实现对液压系统的液压油泄漏情况实时监测，解决液压油泄漏难发现，导致处理不及时的难题。同时，确保水利枢纽安全可靠运行，保证防汛安全。
[0052]
2、本发明通过将闸门液压启闭机液压系统运行状态分为静态和动态两种工作状态，并分别建立静态逻辑判断模型和动态逻辑判断模型，分别对静态和动态的闸门液压启闭机液压系统进行监测，实现了对各种不同状况下闸门液压启闭机液压系统的泄漏情况监测，为管理人员提供可靠有效的监测数据。
[0053]
3、本发明通过采用时差式超声波流量测量油路的流量，可以安装在管道的外侧，不会改变管道内流体的流动状态，也不会产生压力损失，因而在进行数据采集的过程中不会影响闸门液压启闭机系统运行稳定性，测试结果准确，且便于安装。
附图说明
[0054]
图1是本发明的结构示意图；
[0055]
图2是本发明的静态逻辑判断模型的结构示意图；
[0056]
图3是本发明的动态逻辑判断模型的结构示意图。
具体实施方式
[0057]
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。
[0058]
实施例1:
[0059]
如图1所示的一种闸门液压启闭机液压系统的监测系统，包括闸门、闸门液压启闭
机液压系统、数据库、工控机、plc、传感器和超声波流量计；所述的数据库与工控机连接；所述的工控机与plc连接；所述的传感器包括位移传感器、油位传感器；所述的油缸安装位移传感器；所述的液压泵站的回油箱安装油位传感器；所述的液压泵站的供油管和回油管分别安装超声波流量计。
[0060]
所述的油缸、液压泵站为闸门液压启闭机液压系统的组成部分。所述的位移传感器、油位传感器和超声波流量计测量得到的数据传输至plc。所述的plc一方面进行进行逻辑运算，判断闸门液压启闭机液压系统是否发生异常；另一方面将位移传感器、油位传感器和超声波流量计测量得到的数据传输给工控机，并由工控机将数据存储至数据库。此外，所述的工控机还可以为工作人员提供闸门液压启闭机液压系统运行状况的历史数据查询，供设备运行分析用。
[0061]
所述的超声波流量计为时差式超声波流量计；所述的时差式超声波流量计采用钳夹式安装，安装于管道的外侧。所述的时差式超声波流量计安装在管道的外侧，在测量管道流量的过程中不会改变管道内流体的流动状态，也不会产生压力损失，因而在进行数据采集的过程中不会影响闸门液压启闭机液压系统运行稳定性。
[0062]
所述的液压泵站的供油管和回油管分别安装压力传感器；所述的液压泵站的供油管、回油管和回油箱分别安装温度传感器。所述的压力传感器用于测量供油管和回油管的油压，进一步判断闸门液压启闭机液压系统是否发生泄漏。
[0063]
所述的位移传感器、油位传感器和超声波流量计分别与plc有线连接。采用有线连接，能保证位移传感器、油位传感器和超声波流量计测量到的数据能快速传输至plc，及时发现液压系统的异常。
[0064]
所述的plc还外接有hmi(人机界面)；所述的hmi包括显示单元和输入单元；所述的显示单元、输入单元分别与plc连接。所述的plc通过设置hmi，方便工作人员与监测系统实现人机交互；在实际应用中，所述的hmi可以优选为触控屏。
[0065]
以上所述的一种闸门液压启闭机液压系统的监测系统的使用方法，包括以下步骤：
[0066]
(1)所述的闸门液压启闭机液压系统运行状态分为静态和动态两种工作状态；建立静态逻辑判断模型和动态逻辑判断模型；当闸门液压启闭机液压系统运行状态为静态时，采用静态逻辑判断模型对闸门液压启闭机液压系统进行监测；当闸门液压启闭机液压系统运行状态为动态时，采用动态逻辑判断模型对闸门液压启闭机液压系统进行监测；
[0067]
(2)所述的静态逻辑判断模型在判断闸门液压启闭机液压系统是否发生泄漏时，如图2所示包括以下步骤：
[0068]
1)以供油管和回油管的流量差、回油箱液位差值作为报警的判断条件；所述的超声波流量计分别测量供油管和回油管的流量；所述的油位传感器测量回油箱的油位，位移传感器测量油缸的活塞杆位移变化值；
[0069]
2)所述的plc分别设置供油管和回油管的流量差的报警阈值和回油箱液位差值的报警阈值；所述的plc分别计算闸门液压启闭机液压系统运行工况中供油管和回油管的流量差和回油箱液位差值；
[0070]
3)所述的供油管和回油管的流量差、回油箱液位差值，两个判断条件组成或门；当出现供油管和回油管的流量差或回油箱液位差值大于报警阈值时，发出警报；
[0071]
(3)所述的动态逻辑判断模型在判断闸门液压启闭机液压系统是否发生泄漏时，如图3所示包括以下步骤：
[0072]
1)以供油管和回油管的流量差、回油箱液位差值、供油管压力变化情况、回油管压力变化情况作为报警判断条件；
[0073]
所述的超声波流量计分别测量供油管和回油管的流量；所述的油位传感器测量回油箱的油位，位移传感器测量油缸的活塞杆位移变化值；所述的压力传感器分别测量供油管和回油管的压力；
[0074]
2)所述的plc设置供油管和回油管的流量差的报警阈值和回油箱液位差值的报警阈值；所述的plc计算供油管和回油管的流量差；所述的plc计算回油箱液位差值；所述的plc分别记录供油管和回油管的压力变化情况；
[0075]
3)所述的供油管和回油管的流量差、回油箱液位差值，两个判断条件组成或门；所述的供油管压力变化情况、回油管压力变化情况和供油管和回油管的流量差，三个判断条件组成与门；当出现回油箱液位差值大于报警阈值时，发出警报；当出现供油管和回油管的流量差大于报警阈值时，查询供油管压力变化情况和回油管压力变化情况；在出现供油管和回油管的流量差大于报警阈值的条件下，同时出现供油管压力下降和回油管压力下降，发出泄漏警报。
[0076]
在闸门液压启闭机液压系统日常工作的过程中，液压泵站的供油管和回油管的流量大小并不相等，存在一个在一定范围内波动的流量差值；在进行油管泄漏判断时，当供油管进和回油管流量差稳定在正常波动范围内即可判断闸门液压启闭机液压系统运行正常无泄漏。
[0077]
此外，由于闸门液压启闭机液压系统内液压油总量是固定的，在闸门液压启闭机液压系统运行的过程中，液压油在回油箱和油缸之间来回输送，完成闸门的开启和关闭；即在闸门开启和关闭的过程中，回油箱的油位存在一个规律变化的液位差，液位差稳定在一定范围内波动即可判断运行正常无泄漏。
[0078]
当闸门液压启闭机液压系统处于动态时，为防止液压系统工况变化造成误报警、误动作，在动态逻辑判断模型中增设供油管压力变化情况、回油管压力变化情况作为辅助判断条件；并将供油管压力变化情况、回油管压力变化情况和供油管和回油管的流量差，三个判断条件组成与门，确保报警讯息可靠。
[0079]
报警时，可以采用现场和中控室同时报警的方式。现场hmi的显示单元的的显示屏显示报警信息，同时中控室的工控机发出报警信息。
[0080]
实施例2：
[0081]
该实施例与实施例1的不同之处在于：所述的动态逻辑判断模型设置有停泵功能。不同于静态，动态时闸门液压启闭机液压系统的管路内存有大量的压力油，为防止液压油泄漏量的扩大，在plc中增加停泵的保护功能，对超出定值的不正常运行情况开出报警信号并作用停泵。
[0082]
实施例3：
[0083]
该实施例与实施例2的不同之处在于：所述的plc设置供油管和回油管的流量差的报警阈值时，包括以下步骤：
[0084]
1)计算供油管和回油管的流量差的报警阈值：
[0085]
δq(t)＝|q1(t)-q2(t)|(1)
[0086]
式中δq(t)为供油管和回油管的流量差，q1(t)为供油管液体流量，q2(t)为回油管液体流量，t为信号采样周期；
[0087]
2)取报警阈值：
[0088]
ε＝max|δq(t)|(2)
[0089]
式中ε为报警阈值；当δq(t)＞ε时，即可判断管道发生泄漏。
[0090]
实施例4：
[0091]
该实施例与实施例3的不同之处在于：所述的plc设置回油箱的液位差的报警阈值时，包括以下步骤：
[0092]
1)计算回油箱油位变化计算值：
[0093][0094]
式中δl
箱
(t)为回油箱油位变化计算值，s
i有
为第i号油缸有杆腔截面积，s
i无
为第i号油缸无杆腔截面积，s
箱
为启闭机回油箱底部截面积，δli为第i号油缸的活塞杆位移变化值，ti为当前油温下体积修正系数，k为液压油的体积弹性模量，δp
i有
为i号油缸有杆腔液压油的相对压力，δp
i无
为i号油缸无杆腔液压油的相对压力，δp
箱
为回油箱的相对压力；其中相对压力δp
i有
、δp
i无
和δp
箱
可以由液压系统的压力表读出，油缸的活塞杆位移变化值δli通过位移传感器测出。
[0095]
2)计算回油箱液位差值：
[0096]
δl
11
(t)＝|δl
箱
′
(t)-δl
箱
(t)|(4)
[0097]
式中δl
11
(t)为回油箱液位差值，δl
箱
′
(t)为回油箱液位差实测值，δl
箱
(t)回油箱油位变化计算值；其中回油箱液位差实测值通过油位传感器测出。
[0098]
3)取报警阈值：
[0099]
ζ＝max|δl
11
(t)|(5)
[0100]
式中ζ为报警阈值：当δl
11
(t)＞ζ时，即可判断液压系统发生泄漏。
[0101]
闸门液压启闭机液压系统运行时，回油箱的油位变化值启闭油缸的活塞位置成对应关系，由于启闭机工况变化，存在一个回油箱液位差值δl
11
，稳定在一定范围(ζ)内波动即可判断运行正常无泄漏。故可将回油箱液位差δl
11
是否大于液位泄漏报警阈值ζ作为判定启闭机液压系统泄漏的标准。
[0102]
当液压油发生外泄漏时，导致的最终结果是液压油总量变少。因此，可以根据油缸储油总变化量等于回油箱储油变化量这个恒定关系，建立泄漏监测模型。
[0103][0104]
根据公式(6)可以推出公式(3)，并由公式(3)计算出δl
箱
(t)。
[0105]
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。