激光雷達(dá)開度儀在三峽船閘中的應(yīng)用

楊偉君，熊錦玲，望 昊

(長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

廖楚柯等[1]采用光纖傳感技術(shù)與編程控制技術(shù)，研制出了一種新型的閘門開度測(cè)控系統(tǒng)，并在湖南省五強(qiáng)溪大型多級(jí)船閘取得良好的應(yīng)用效果。三峽船閘作為世界上連續(xù)級(jí)數(shù)最多、總水頭最高的船閘，其每扇人字門的開度(行程)測(cè)量數(shù)據(jù)是三峽船閘核心檢測(cè)及控制數(shù)據(jù)之一。因此，作為核心控制工藝的關(guān)鍵設(shè)備，人字門開度儀的正常工作是三峽船閘安全、高效運(yùn)行的重要保障，人字門開度儀運(yùn)行的好壞直接關(guān)系到三峽船閘的運(yùn)行安全與效率。本文總結(jié)激光雷達(dá)開度儀在三峽船閘的首次應(yīng)用與實(shí)踐情況，為三峽船閘人字門開度儀換型更新提供技術(shù)參考，同時(shí)也可為其它船閘人字門開度測(cè)控設(shè)備選型提供借鑒。

1 工作原理

激光雷達(dá)開度儀是將激光雷達(dá)測(cè)距技術(shù)應(yīng)用到船閘閘門測(cè)控領(lǐng)域的一種專用設(shè)備。激光雷達(dá)測(cè)距技術(shù)是一種利用激光對(duì)目標(biāo)標(biāo)靶的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定的技術(shù)。激光雷達(dá)開度儀在工作時(shí)向目標(biāo)標(biāo)靶射出一束很細(xì)的激光，由光電元件接收目標(biāo)標(biāo)靶反射回來(lái)的激光束，再由計(jì)時(shí)器測(cè)定激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間，從而計(jì)算出從測(cè)距儀到目標(biāo)標(biāo)靶的距離。激光雷達(dá)測(cè)距儀質(zhì)量輕、體積小、操作簡(jiǎn)單、速度快而且準(zhǔn)確，其誤差僅為其它光學(xué)測(cè)距儀的五分之一到數(shù)百分之一。激光雷達(dá)測(cè)距儀的測(cè)量原理見圖1。

圖1 激光雷達(dá)測(cè)距儀的測(cè)量原理

2 激光雷達(dá)開度儀選型

激光雷達(dá)開度儀應(yīng)用試驗(yàn)選址于三峽船閘中南二人字門，該人字門啟閉機(jī)的活塞桿行程為7 276 mm。在進(jìn)行激光雷達(dá)開度儀的試驗(yàn)過(guò)程中，技術(shù)人員為了排除激光測(cè)距傳感器性能不佳導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確的可能性，特意選擇目前在港口機(jī)械中廣泛使用、品質(zhì)可靠的SICK品牌DT50-High高精度漫反射型產(chǎn)品作為開度儀試驗(yàn)型號(hào)，其性能參數(shù)如下：測(cè)距距離范圍0.2～20 m，分辨率1 mm，測(cè)量精度7 mm(絕對(duì)精度)，光點(diǎn)直徑< 15 mm(10 m)，工作電源DC 24 V，工作環(huán)境-30～65 ℃，激光等級(jí)為II級(jí)[2]。

3 激光雷達(dá)開度儀與三峽船閘現(xiàn)地PLC控制系統(tǒng)信號(hào)接口及連接

4 人字門開度儀檢測(cè)控制功能及測(cè)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)三峽船閘控制工藝，PLC控制系統(tǒng)利用模擬量采集模塊檢測(cè)船閘雙側(cè)兩扇人字門的開度信號(hào)，采用PID調(diào)節(jié)控制算法，輸出對(duì)雙側(cè)比例變量泵的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙側(cè)人字門的同步啟閉運(yùn)行。此外，根據(jù)人字門全行程的開度檢測(cè)，定義7段不同的變速運(yùn)行區(qū)域，減小啟動(dòng)及到位停止階段的速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)人字門機(jī)械設(shè)備的特性保護(hù)，在中間段開度，采用高速運(yùn)行，以節(jié)省人字門啟閉時(shí)的運(yùn)行時(shí)間。將激光雷達(dá)開度儀測(cè)量數(shù)據(jù)接入集中監(jiān)控系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)專用程序比對(duì)內(nèi)置開度儀與激光雷達(dá)開度儀測(cè)量數(shù)據(jù)，見表1。

表1 內(nèi)置開度儀與激光雷達(dá)開度儀測(cè)量數(shù)據(jù)

續(xù)表1

內(nèi)置開度儀激光雷達(dá)開度儀時(shí)間測(cè)量行程∕mm時(shí)間測(cè)量行程∕mm03 11 41.417+08 003852.64990203 11 41.417+08 003852.64787503 12 00.417+08 002674.91210903 12 00.417+08 002674.89515603 12 14.417+08 001808.89697303 12 14.417+08 001808.67498003 12 36.417+08 00577.461914103 12 36.417+08 00577.459242103 13 17.417+08 003.66113281303 13 17.417+08 003.481962892

注：+08:00為控制系統(tǒng)采集時(shí)間。

5 激光雷達(dá)開度儀的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

1)首次將激光測(cè)距傳感技術(shù)應(yīng)用于大型船閘的人字門開度檢測(cè)，其具有測(cè)量范圍寬、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。

2)由于實(shí)現(xiàn)了非接觸式的激光測(cè)量技術(shù)，避免了船閘現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境對(duì)人字門開度檢測(cè)的不利影響，方便用戶維護(hù)。

3)采用可編程控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)連接，對(duì)原有的PLC控制程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，增加雜波過(guò)濾以及障礙遮擋功能，提高了人字門開度控制運(yùn)行的可靠性，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。

4)激光雷達(dá)開度儀幾乎不受外部降雨、降雪等天氣條件的影響，其工作的穩(wěn)定性和可靠性較其它類型的開度儀高。

6 結(jié)論

1)激光雷達(dá)開度儀與內(nèi)置開度儀具有相近的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，滿足三峽船閘人字門“同步啟閉”“對(duì)中合攏”核心控制工藝的要求，在三峽船閘人字門開度儀設(shè)備換型更新中可予以考慮，也可在行業(yè)內(nèi)得到推廣應(yīng)用。

2)對(duì)于運(yùn)行繁忙的三峽船閘而言，激光雷達(dá)開度儀將大大壓縮人字門開度儀的停航檢修時(shí)間，這將有助于緩解通航壓力、提高通航效率。