基于PSD傳感和視頻圖像技術(shù)的人字閘門合攏對中狀態(tài)監(jiān)測裝置研制

楊全林　高術(shù)　金俊

摘 要：以三峽船閘人字閘門合攏對中狀態(tài)為研究對象，應(yīng)用PSD光電位移傳感技術(shù)和視頻監(jiān)控技術(shù)，確立了基于PSD傳感技術(shù)的人字閘門門縫、錯位檢測方案和基于視頻圖像技術(shù)的人字閘門合攏對中監(jiān)控方案，完成了監(jiān)測裝置的研制安裝和調(diào)試試用。通過設(shè)備調(diào)試和試用：人字閘門門縫、錯位檢測誤差均小于10%，滿足人字門功能使用需求;人字閘門門縫、錯位檢測值信號實時傳輸至現(xiàn)地和集控系統(tǒng);人字閘門合攏對中視頻信號實時傳輸至集中監(jiān)控系統(tǒng);門縫、錯位過大時，集控系統(tǒng)報警提示及時準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：人字閘門;PSD;視頻監(jiān)控;門縫錯位;合攏對中

中圖分類號：U641? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）01-0021-03

船閘人字門“對中”，是人字型閘門特有的運行工藝要求。它是指兩扇閘門圍繞各自門樞運行至關(guān)終停機(jī)位后，相對位置必須基本一致，以保證兩扇門體合攏承壓時形成良好的受力三鉸拱，滿足船閘安全運行。因此，人字型閘門對中狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到船閘運行安全[1]。圖1以三峽船閘南線下行關(guān)三閘首、一閘首人字門為例，當(dāng)三閘首、一閘首人字門“對中”狀態(tài)不佳時，二閘首會緊急關(guān)閥，船閘運行會中斷運行。由于三峽船閘閥門運行水頭高、緊急關(guān)閥時開度較大，二閘首緊急關(guān)閥會給船閘運行帶來閥門井涌水、存在損壞船閘設(shè)備等安全風(fēng)險。

目前，三峽船閘的人字門“對中”狀態(tài)檢測主要通過閘門關(guān)終開關(guān)和合攏開關(guān)來檢測定位人字閘門是否有效對中[2]，當(dāng)其中一種開關(guān)信號不能有效到來或者丟失則認(rèn)為船閘未有效“對中”。由圖1可知，采用合攏開關(guān)監(jiān)測“對中”情況主要是事后檢測，有一定的滯后性，技術(shù)缺點較明顯。隨著技術(shù)的發(fā)展，激光測距等“對中”狀態(tài)檢測裝置也在船閘閘門對中狀態(tài)檢測中有一定探索和運用，如葛洲壩船閘采用的激光測距人字門合攏對位檢測裝置，以反射板反射的電流信號轉(zhuǎn)化為人字門門縫、錯位，這種方式在信號傳輸過程中損耗嚴(yán)重，且人字門區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易造成門縫、錯位信號誤報。以上這些技術(shù)都有各自的局限性和不足，亟待對其進(jìn)行改進(jìn)或者研制新型人字閘門對中狀態(tài)綜合監(jiān)測裝置。

本文所研制的船閘人字門合攏對中狀態(tài)監(jiān)測裝置，包括基于PSD光電傳感的人字門門縫、錯位檢測裝置和基于視頻圖像的人字門合攏對中監(jiān)控裝置，綜合檢測船閘人字門門縫、錯位情況和合攏對中狀態(tài)。

1 基于PSD光電位置傳感檢測方案

1.1 PSD光電位置傳感器原理

PSD[3]（Position Sensitive Detectors）是一種能測量光點在探測器表面上連續(xù)位置的光學(xué)探測器。PSD由P襯底、PIN光電二極管及表面電阻組成。與CCD探測器相比，PSD有諸多優(yōu)點，如位置分辨率高，響應(yīng)速度快和處理電路簡單等。另外，位置信號與落在探測器上的光斑形狀無關(guān)。

如圖2中所示，當(dāng)一束光落在一維PSD 上，相應(yīng)于光能量的電荷在入射點產(chǎn)生，電荷通過P型電阻層被電極收集。P型層是均勻一體的電阻層，被電極收集到的光電流與入射點和電極間距成反比。

I1和I2是電極的光電流，L和I0分別代表電極間距和總光電流。由此可得出如下公式：

當(dāng)PSD幾何中心設(shè)定為坐標(biāo)原點：

當(dāng)PSD一端設(shè)定為坐標(biāo)原點：

由公式（3），（4），（7），（8）可以得出：不同的光電流比率對應(yīng)于不同的與光能量無關(guān)的入射光點位置。將產(chǎn)生的光電流比率值經(jīng)直流處理電路[4]處理，如圖3所示的PSD非調(diào)制信號處理板，即可得到精確的位置信號。

1.2 人字閘門門縫、錯位檢測方案

本文研制的人字閘門門縫、錯位檢測裝置包括分別安裝在兩扇人字門體上的槽鋼基座、激光光源、兩個PSD位置傳感器、設(shè)備電源、位移信號處理板、CP341和擋雨罩等。其中，PSD位置檢測裝置相關(guān)設(shè)備及其布置圖如圖4所示，PSD光電位置檢測板布置圖如圖5所示。

如圖4所示的人字閘門門縫、錯位檢測裝置中，槽鋼基座是帶多個跑馬眼的設(shè)備安裝基座，通過調(diào)整監(jiān)測設(shè)備的安裝位置可適應(yīng)不同現(xiàn)場安裝環(huán)境的需要。激光光源是一種遠(yuǎn)距離照射的十字光標(biāo)光源，光標(biāo)打在兩塊空間垂直布置的PSD位置傳感器上形成位移信號，經(jīng)信號調(diào)制分別實時反映船閘人字門門縫、錯位情況。所述的位移信號處理板包括PSD位移信號處理電路和PSD非調(diào)制信號處理板，將PSD板位移信號處理調(diào)制為所需電流信號。所述的CP341模塊是西門子公司提供的可通過Dongle（硬件狗）擴(kuò)展該協(xié)議的Modbus 從站，實現(xiàn)Modbus RTU通訊。信號處理板與CP341模塊通過R485電纜連接通訊。如圖5所示的PSD光電位置檢測板將船閘人字門門縫、錯位量經(jīng)位移信號處理板以電流信號形式，通過RS485電纜傳遞到現(xiàn)地CP341模塊及現(xiàn)地PLC系統(tǒng)，并傳遞到集控單元系統(tǒng)。

人字閘門監(jiān)測過程如圖6所示，船閘人字門關(guān)門過程中，閘門開度到達(dá)設(shè)置的檢測開始位時系統(tǒng)得電，PSD位移傳感器、激光光源、攝像頭開啟并開始檢測。PSD位移傳感器將檢測到的門縫、錯位信號傳送至現(xiàn)地機(jī)房和集控單元，攝像頭將合攏對中視頻信號傳送至集中監(jiān)控系統(tǒng)。在集控單元的人字門門縫、錯位值過大時集控報警系統(tǒng)立即報警提示。在船閘人字門開門過程中，閘門開至離開檢測位時系統(tǒng)失電，PSD位移傳感器、攝像頭停機(jī)并停止檢測。

2 視頻圖像監(jiān)控方案

三峽船閘人字門合攏對中監(jiān)控時段主要集中在人字門關(guān)門行程末期直至相鄰閘首輸水初期。這個階段，集控人員要能通過監(jiān)控畫面實時監(jiān)控到人字門的運行情況：人字門導(dǎo)輪、導(dǎo)卡是否能正常進(jìn)入對中狀態(tài)、人字門門縫和錯位情況是否正常。

本文研制的視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)（如圖7所示）是基于視頻數(shù)字化和以太網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，它將現(xiàn)場視頻圖像信息以光纖作為傳輸媒介，傳輸至現(xiàn)地機(jī)房光端機(jī)和集中控制系統(tǒng)光端機(jī)，再經(jīng)矩陣切換器分別切換到錄像機(jī)、監(jiān)視器和DLP大屏。本文能有效避免人字閘門現(xiàn)場復(fù)雜惡劣環(huán)境的采用的攝像頭是帶防雨功能的高清攝像頭[5]影響。光纖視頻監(jiān)控系統(tǒng)克服了目前監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)房或交換機(jī)分散的缺點。對離監(jiān)控中心機(jī)房布線距離較大的視頻監(jiān)控點采用光纖作為傳輸介質(zhì)，使接入距離幾乎不受限制。對傳輸環(huán)境較為惡劣的場合，如存在電磁場信號干擾的場合，能有效克服電磁場干擾。

3 方案實施

人字閘門合攏對中狀態(tài)監(jiān)測裝置實施方案如圖8、圖9所示，一扇人字閘門上安裝十字光標(biāo)光源，另一扇人字閘門上安裝兩塊一維PSD位置檢測板，分別接收十字光標(biāo)的其中一束光源產(chǎn)生位置信號，分別反映人字閘門門縫、錯位情況，攝像頭同時實時監(jiān)視人字閘門合攏對中狀態(tài)。

將人字閘門合攏對中狀態(tài)監(jiān)測裝置現(xiàn)場安裝和調(diào)試試用，得到門縫、錯位實際測量值和系統(tǒng)顯示值，其數(shù)值記錄和分析對比如下表1。

由表1可以看出，所研制的人字閘門門縫、錯位檢測裝置檢測誤差均小于10%，滿足人字門測量精度和功能使用需求。

4 結(jié)論

本文所述研制的基于PSD傳感技術(shù)和視頻圖像技術(shù)的人字閘門合攏對中狀態(tài)監(jiān)測裝置，經(jīng)設(shè)備調(diào)試并投入試用：

（1）人字閘門門縫、錯位檢測誤差均小于10%，滿足人字門功能使用需求;

（2）人字閘門門縫、錯位檢測值信號實時傳輸至現(xiàn)地和集控系統(tǒng);

（3）人字閘門合攏對中監(jiān)視視頻信號實時傳輸至集中監(jiān)控系統(tǒng);

（4）門縫、錯位過大時，集控系統(tǒng)報警提示及時準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)：

[1] 丁益，程細(xì)得等.提高三峽船閘運行效率的船閘過閘方式研究[J]. 人民長江， 2015，46（4）：63-66.

[2] 鈕新強(qiáng)，童迪.三峽船閘關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報， 2009，28（6）：36-42.

[3] 段潔，孫向陽等.PSD在激光位檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 紅外與激光工程， 2007，7（36）：281-284.

[4] 何敏，劉榮，閔銳. 位置傳感器PSD的應(yīng)用電路設(shè)計[J]. 電子測量與儀器學(xué)報， 2009，13（1）：323-326.

[5] 李明.視頻采集技術(shù)發(fā)展趨勢[J]. 技術(shù)與應(yīng)用， 2008，6（1）：46-53.