位移傳感器在多泥沙水電站門(mén)機(jī)水下液壓抓梁系統(tǒng)中的應(yīng)用

張建國(guó)

【摘 要】通過(guò)磁致伸縮線性位移傳感器及DP通訊技術(shù)的研究，探索線性位移傳感器在多泥沙水電站門(mén)機(jī)水下液壓抓梁系統(tǒng)中的應(yīng)用，建立一套便于操作人員全行程監(jiān)視門(mén)機(jī)抓梁在水下就位及穿脫銷(xiāo)情況的可視系統(tǒng)，保證門(mén)機(jī)安全可靠運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】磁致伸縮線性位移傳感器；DP通訊技術(shù)；可視系統(tǒng)

前言：

梨園水電站位于云南省麗江市玉龍縣（右岸）與迪慶州香格里拉縣（左岸）交界的金沙江中游河段，是以發(fā)電為主，兼顧防洪等綜合利用的水利水電樞紐工程。該河段汛期（6～10月）平均懸移質(zhì)輸沙率2076kg/s，沙量2744萬(wàn)t，汛期沙量占全年的97.3%，汛期平均流量2520m3/s，汛期含沙量0.823kg/m3，屬于多泥沙流域水電站，環(huán)境條件較為惡劣。

梨園水電站共4臺(tái)機(jī)組，額定發(fā)電出力為600MW/臺(tái)，設(shè)8孔8扇尾水檢修閘門(mén)，啟閉設(shè)備為2×1250kN的尾水單向門(mén)機(jī)，總起升高度為60m，軌上起升高度11.5m，起升機(jī)構(gòu)配置液壓自動(dòng)抓梁1套，用于水下提起尾水檢修閘門(mén)。液壓自動(dòng)抓梁選用目前較為常用的普通傳感器，該類(lèi)傳感器工作不穩(wěn)定且容易損壞，操作人員僅能通過(guò)司機(jī)室指示燈或電流表指針的細(xì)微變化來(lái)判斷抓梁水下就位及穿脫銷(xiāo)情況。而當(dāng)水下起吊閘門(mén)時(shí)，抓梁入水深度超過(guò)40米，需承受水壓、水下紊亂水流沖擊及多泥沙的惡劣環(huán)境，操作人員無(wú)法直觀判斷抓梁水下就位及穿脫銷(xiāo)情況，而且此類(lèi)傳感器還存在誤報(bào)信號(hào)的可能，進(jìn)而導(dǎo)致操作人員判斷錯(cuò)誤，造成閘門(mén)無(wú)法正常吊出的安全事故。本文提出的磁致伸縮線性位移傳感器及DP通訊技術(shù)的應(yīng)用可以很好的解決上述問(wèn)題。

一、磁致伸縮線性位移傳感器

磁致伸縮線性位移傳感器由兩部分組成：一部分是套有活動(dòng)磁鐵的測(cè)量桿；另一部分是位于測(cè)量桿上端的測(cè)量電路。磁致伸縮位移傳感器主要包括以下幾部分：波導(dǎo)絲、保護(hù)管套、移動(dòng)磁鐵、電路板部分。測(cè)量管是整個(gè)傳感器的核心傳感部分，這一部分又包括：偏置磁鐵、波導(dǎo)絲、保護(hù)管套、末端衰減阻尼裝置、非接觸磁環(huán)、轉(zhuǎn)換器輸出。

當(dāng)其工作時(shí)，由電子倉(cāng)內(nèi)電子電路產(chǎn)生一起始脈沖，此起始脈沖在波導(dǎo)絲中傳輸時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生了一沿波導(dǎo)絲方向前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)這個(gè)磁場(chǎng)與磁環(huán)或浮球中的永久磁場(chǎng)相遇時(shí)，產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，使波導(dǎo)絲發(fā)生扭動(dòng)，這一扭動(dòng)被安裝在電子倉(cāng)內(nèi)的拾能機(jī)構(gòu)所感知并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流脈沖，通過(guò)電子電路計(jì)算出兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間差，即可精確測(cè)出被測(cè)的位移和液位。該產(chǎn)品主要應(yīng)用于要求測(cè)量精度高、使用環(huán)境較惡劣的位移和液位測(cè)量系統(tǒng)中。具有精度高、重復(fù)性好、穩(wěn)定可靠、非接觸式測(cè)量、壽命長(zhǎng)、安裝方便、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。它的輸出信號(hào)是一個(gè)真正的絕對(duì)位置輸出，而不是比例的或需要再放大處理的信號(hào)，所以不存在信號(hào)漂移或變值的情況，因此不必像其它液位傳感器一樣需要定期重標(biāo)和維護(hù)。也正是因?yàn)樗妮敵鲂盘?hào)為絕對(duì)值，所以即使電源中斷重新接通也不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)接收構(gòu)成問(wèn)題，更無(wú)須重新歸回零位。

此類(lèi)傳感器主要技術(shù)性能為：

（1）、耐水壓：20個(gè)大氣壓；（2）、量程：0-1000mm；（3）、分辨率：0.1mm；（4）、系統(tǒng)綜合誤差：小于1mm；（5）、位移傳感器輸出信號(hào)：4-20mA；（6）、位移傳感器供電電源：DC24V；（7）、位移信號(hào)顯示記錄儀表供電電源：AC220V。

由此可見(jiàn)，此類(lèi)傳感器能夠很好地滿足多泥沙水電站門(mén)機(jī)水下液壓抓梁系統(tǒng)的使用需求。

二、PROFIBUS—DP通訊技術(shù)

Profibus是一種國(guó)際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，是一種用于工廠自動(dòng)化車(chē)間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車(chē)間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案，廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化和電力等其他領(lǐng)域的自動(dòng)化。

DP用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。總線循環(huán)時(shí)間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時(shí)間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。

傳輸技術(shù)：RS-485雙絞線.雙線電纜或光纜。波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s。

通信：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（用戶數(shù)據(jù)傳送）或廣播（控制指令）。循環(huán)主-從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主-主數(shù)據(jù)傳送。

設(shè)備類(lèi)型：第一類(lèi)DP主站（DPM1）是中央可編程控制器，如PLC.PC等。第二類(lèi)DP主站（DPM2）是編程器.組態(tài)設(shè)備或操作面板，在DP系統(tǒng)組態(tài)操作時(shí)使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。DP從站是進(jìn)行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備（I/O設(shè)備.驅(qū)動(dòng)器.HMI.閥門(mén)等）。

Profibus-DP 的協(xié)議結(jié)構(gòu)由物理層，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)鏈路層（ FDL），直接數(shù)據(jù)鏈路映像層（DDLM）還有一個(gè)用戶層構(gòu)成。DP 只采用了 FDL 和 FMAl/2（Fieldbus Management Layer1/ 2）的服務(wù)。用戶接口層為用戶層提供了一個(gè)向下的接口，DDLM 層主要就是給用戶層或用戶接口層和 FDL 提供一個(gè)接口。Profibus-DP 中除了主站和從站之間的數(shù)據(jù)交換，還可以實(shí)現(xiàn)主站之間的通信，即 2 類(lèi)主站和 1 類(lèi)主站之間的診斷信息的傳輸。

1 類(lèi)主站和從站的通信可以通過(guò)用戶接口來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，它們之間實(shí)現(xiàn)以下功能：

讀DP從站的診斷信息

循環(huán)的用戶數(shù)據(jù)交換模

參數(shù)化與組態(tài)檢查

提交控制命令

2 類(lèi)主站和從站之間主要是監(jiān)控關(guān)系，實(shí)現(xiàn)如下功能：

讀DP從站的組態(tài)

讀輸入/輸出值

對(duì)DP從站分配地址

通過(guò)主站與主站、主站與從站之間的通信連接，Profibus-DP通信可以滿足門(mén)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸及開(kāi)關(guān)量故障診斷監(jiān)視，保障可視系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，操作人員可在司機(jī)室通過(guò)控制面板對(duì)門(mén)機(jī)抓梁就位、穿脫銷(xiāo)到位情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)對(duì)門(mén)機(jī)夾軌器、安全制動(dòng)器、工作制動(dòng)器、各電源空開(kāi)、行走起升速度等開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行檢查，快速診斷故障點(diǎn)，所以對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：

采用一個(gè)一類(lèi)主站（DPM1）即CPU、一個(gè)二類(lèi)主站（DPM2）即控制面板、相應(yīng)的DI/DO/AI模塊作為從站的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

該系統(tǒng)可保證操作人員通過(guò)控制面板實(shí)時(shí)全行程監(jiān)視抓梁水下就位、穿脫銷(xiāo)到位情況，同時(shí)對(duì)門(mén)機(jī)系統(tǒng)各開(kāi)關(guān)量進(jìn)行監(jiān)控，快速診斷故障點(diǎn)，保證門(mén)機(jī)可靠運(yùn)行。

四、設(shè)備配置

該套系統(tǒng)經(jīng)梨園水電站尾水門(mén)機(jī)安裝試驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn)效果良好，門(mén)機(jī)運(yùn)行正常，穿脫銷(xiāo)可全行程監(jiān)測(cè)，故障診斷快速有效，保證了門(mén)機(jī)的可靠運(yùn)行。該套系統(tǒng)主要包含：PLC（電源模塊、CPU、DI/DO模塊、AI模塊）、水密控線盒、穿脫銷(xiāo)同步位移傳感器、下降就位同步位移傳感器、水密插頭插座、防水耐承吊電纜、控制面板（6AV2124-0GC01-0AX0）、DP通訊線。

五、結(jié)語(yǔ)

門(mén)機(jī)作為特種設(shè)備，其安全運(yùn)行關(guān)系重大，梨園電站地處金沙江中游，全年大部分時(shí)間江水泥沙含量較大，運(yùn)行環(huán)境惡劣，該套系統(tǒng)的應(yīng)用將著力解決門(mén)機(jī)在水下起吊閘門(mén)時(shí)操作人員無(wú)法準(zhǔn)確直觀判斷抓梁就位、穿脫銷(xiāo)到位這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，為日后其他同類(lèi)型門(mén)機(jī)改造或設(shè)備合同談判時(shí)明確設(shè)備類(lèi)型提供參考。

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