Разработка системы контроля состояния гидротехнических сооружений судоходного шлюза

Введение

В середине прошлого века было закончено строительство большинства судоходных шлюзов в европейской части России, в том числе и на Волге. Шлюз представляет собой сложное гидротехническое сооружение, обеспечивающее перемещение судов из одного бьефа в другой. Грамотные технические решения, заложенные при проектировании и строительстве, позволили эксплуатировать оборудование шлюзов более пятидесяти лет.

Важной составляющей безопасной эксплуатации шлюза является постоянный контроль его технического состояния. Контроль на большинстве шлюзов производится путём ручного измерения показаний двух- и трёхкоординатных щелемеров (рис. 1), напорных и безнапорных пьезометров, обратных отвесов. 

Также на бетонных конструкциях шлюза установлено мно­жество марок, положение которых контролируется относительно реперных точек с помощью геодезического оборудования.

Как правило, измерения производятся раз в квартал, что не соответствует современным требованиям по обеспечению безопасности при эксплуатации гидротехнических сооружений. Зачастую установленное измерительное оборудование находится в неудовлетворительном состоянии (рис. 2) и нуждается в ремонте или замене.

В рамках работ по выполнению программы «Разработка и реализация комплексного проекта реконструкции гидротехнических сооружений водных путей Волжского бассейна» ООО «Тех­трансстрой» по заданию и при непосредственном контроле государственного заказчика – ФБУ «Волжс­кое ГБУ» наряду с другими работами выполнило проектирование автоматизированных систем диагностического контроля (АСДК) состояния гидротехнических сооружений Чебоксарского и Город­ецкого гидроузлов. Так как схемотехнические решения для обеих систем идентичны, в дальнейшем будет описываться только система контрольно-измерительной аппаратуры (КИА) Чебок­сарского гидроузла.

Описание объекта контроля

Камеры шлюзов докового типа вы­полнены из монолитного железобетона. Габариты камер в среднем со­став­ляют 280,0×30,0 м, секции камер имеют длину до 50 м, верхние и нижние головы шлюза представляют собой нераз­резную железобетонную конструкцию докового типа с переменной толщиной днища. Общая длина гидротехнического сооружения превышает 900 метров. Контрольно-измерительная аппаратура расположена по всей площади шлюза, как на бетонных конструкциях, так и на земляных плотинах и прилегающей к шлюзу территории (рис. 3).

Помимо большого расстояния между точками измерения мешающими факторами являются:

1. наличие сильных помех и блуждаю­щие токи, вызванные находящейся рядом гидроэлектростанцией;
2. расположение ряда контрольных то­чек на неохраняемой территории;
3. возможность затопления части точек контроля в период паводка;
4. круглогодичный режим измерений в условиях с разбросом температур от –35 до +40°С;
5. опасность воздействия на часть обо­рудования ударных нагрузок.

Выбор аппаратно-программных средств

Проанализировав существующее оборудование для контроля раскрытия щелей бетонных конструкций, мы остановили свой выбор на магнитострикционных датчиках фирмы Balluff, имеющих разрешение 2 мкм при повторяемости 6 мкм, класс защиты IP67 по IEC 60529 и работающих в требуемом диапазоне температур. Эти датчики могут оснащаться токовым или цифровым интерфейсом. Для упрощения монтажа датчики были выбраны с двукратным запасом по диапазону измерения. Чтобы не снизить точность измерения, были взяты датчики с интерфейсом PROFIBUS DP – данное решение определило последующий выбор аппаратуры системы КИА.

Автоматизация пьезометров осуществляется интеллектуальными по­гружными микропроцессорными зондами фирмы BD Sensor, имеющими унифицированный токовый выход; измерение температуры производится платиновыми датчиками с токовым вы­ходом фирмы «Метран». Датчики пьезометров, устанавливаемые на за­тап­ливаемой территории или в отдалённых местах, имеют антивандальное исполнение и передают информацию по радиоканалу.

Автоматизированная система опроса КИА обслуживает измерительные ка­налы в количестве 275 штук, в том чис­ле:

• 3 обратных отвеса, оснащённых 6 дат­чиками линейных перемещений с диапазоном измерений 50 мм;

• 67 датчиков для пьезометров;

• 100 двухкоординатных (двухмарочных) щелемеров, оснащённых 200 дат-чиками BTL5 с диапазоном измерений 100 мм (данный диапазон измерения перемещений выбран по ре­зуль­татам многолетних наблюдений за состоянием гидросооружений – максимальное раскрытие ще­лей не превышает 50 мм);

• 2 датчика температуры наружного воздуха.

Для построения сети сбора данных с датчиков была выбрана двухуровневая структура, приведённая на рис. 4. 

Из­мерительные датчики подключаются к узловым шкафам, которые объединяются в лучи по кольцевой топологии PROFIBUS DP. Лучи объединяются по топологии звезда, далее осуществляется переход на сеть Ether­net. Узлы сети Ethernet также собираются в оптическое кольцо. Данная топология повышает живучесть сети сбора данных и упрощает её обслуживание и ремонт.

Сеть PROFIBUS и сеть Ethernet по­строены с использованием одинаковых материалов. В роли узловых шкафов выступают конструктивы фирмы Rittal с термостатированием, предот­вра­ща­ющим образование конденсата. В шкафах установлены контроллеры FASTWEL I/O, которые формируют универсальный интерфейс между различными полевыми шинами с одной стороны и датчиками и исполнительными механизмами промышленного оборудования с другой. Важным до­стоинством контроллеров FASTWEL I/O является широкий температурный диапазон до –40°С, наличие сертификата об утверждении типа измерения № 27285/1, действующего до 1 января 2014 года, и простота программирования на свободно распространяемом программном обеспечении CoDeSys. Для снятия токового сигнала с датчиков уровней используется двухканальный модуль AIM72201 системы FASTWEL I/O. Модуль имеет два канала для измерения постоянного тока в диапазоне от 0 до 20 мА. Режим измерения – дифференциальный. Каналы гальванически изолированы между собой и от шины FBUS. Основная приведённая погрешность модуля – не более 0,02%. Также в узловом шкафу установлены источник питания и грозоразрядники фирмы Phoenix Contact.

Для обеспечения надёжной передачи данных на большие расстояния (длина некоторых отрезков сети превышает триста метров) используется оптическая среда. Переход с медной среды PROFIBUS на оптическую осуществляется повторителем-преобразователем Hirschmann OZD Profi 12M G12. Важными достоинствами данного преобразователя являются возможность организации оптического кольца для сети PROFIBUS, промышленное ис­полнение и низкая цена по сравнению с другими производителями. Переход с PROFIBUS на Real-Time Ethernet осуществляется посредст­вом шлюза Hil­scher NT 100-RE-DP. С помо­щью концентраторов фирмы EtherWAN выполнено построение сети Ethernet верхнего уровня. Кон­цент­раторы объединены кольцевой то­пологией.

Программная часть

Результаты измерения передаются для хранения на центральный SQL-сервер.

Данные из сервера сбора данных системы КИА передаются в ин­фор­мационно-диагностическую систему (ИДС) БИНГ-3 (рис. 5), разработанную ОАО «НИИЭС». ИДС БИНГ-3 представляет собой заключительное звено автоматизированной системы диагностического контроля состояния гидротехнических сооружений (АСДК ГТС).

Заключение

Система АСДК ГТС (КИА и ИДС БИНГ-3) согласно техническому проекту отвечает следующим требованиям:

• обеспечивает автоматизированный опрос датчиков (цикл опроса всех датчиков составляет порядка 12 ми­нут), сбор информации, её хранение, передачу, обработку и анализ в информационно-диагностической системе контроля безопасности сооружений БИНГ-3;

• использует существующую сеть пьезометров и щелемеров на территории шлюза;

• использует датчики давления и перемещения промышленного типа, со­временные отечественные контроллеры серийного производства, базовое (Microsoft SQL Server, Mic­rosoft Office и т.п.) и апробированное на других объектах программное обеспечение;

• формирует информационный пакет данных натурных наблюдений с по­мощью программного комплекса БИНГ-3 с сохранением всей информации в базе данных ИДС, в памяти сервера сбора данных и в архивах на независимых носителях;

• обеспечивает автоматический опрос датчиков по заданному временному режиму (интервал опроса задаётся заказчиком) с возможностью ручного запуска опроса для наладки и проверки системы КИА;

• производит обработку измерительной информации;

• преобразует отсчёты в физические единицы, контролирует работоспособность датчиков и линий связи, выполняет сравнение показателей состояния гидротехнических сооружений с их критериальными значениями (критериями безопасности);

• по всем своим техническим средствам, включая контрольно-измерительную аппаратуру, соответствует условиям промышленной эксплуатации, имеющим место на сооружениях шлюза.

В настоящее время проекты реконструкции системы КИА шлюзов № 13–16 Городецкого гидроузла и шлюзов № 17–18 Чебоксарского гидроузла прошли государственную экспертизу и приняты заказчиком к реализации в рамках комплексной программы реконструкции гидротехничес­ких сооружений водных путей Волж­ского бассейна.

При проведении проектных работ большую помощь проектировщикам оказал Самарский филиал фирмы ПРОСОФТ в подборе оборудования и проведении технических консультаций. ● 

E-mail: Mev163@yandex.ru