X型流道泵站液壓?jiǎn)㈤]機(jī)數(shù)字化行程研究

陳 飛 王亞乒 趙宏為

(1.常州市長(zhǎng)江堤防工程管理處，江蘇 常州 213127；2.常州市城市防洪工程管理處，江蘇 常州 213127)

在X型流道泵站閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)中，行程數(shù)據(jù)采集方式主要包括以下兩種：一種是通過油缸活塞桿同步帶動(dòng)鋼絲繩做直線位移轉(zhuǎn)換成編碼器的旋轉(zhuǎn)來采集數(shù)據(jù)；另一種方式是通過油缸活塞桿直線運(yùn)動(dòng)表面直接感應(yīng)采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)直接感應(yīng)采集涉及數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換、油缸活塞桿運(yùn)動(dòng)方向、PLC程序編制等。本文主要研究X型流道泵站閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油缸活塞桿行程數(shù)據(jù)的表面直接感應(yīng)采集。

1 數(shù)據(jù)采集機(jī)械結(jié)構(gòu)

X型流道泵站中機(jī)組流道分為上下兩層，上層為出水流道，下層為進(jìn)水流道，見圖1。進(jìn)出水流道全部淹沒在水中，因此流道閘門以及閘門啟閉機(jī)液壓活塞桿也淹沒在水中，若采用鋼絲繩繩拉式編碼器，由于閘門在關(guān)閉狀態(tài)活塞桿全部伸出，鋼絲繩繩拉式編碼器的鋼絲繩一端固定在閘門上，另一端固定在啟閉機(jī)油缸口法蘭處，編碼器的鋼絲繩同活塞桿一起常年浸泡于水中，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的水流沖擊和腐蝕會(huì)產(chǎn)生斷裂，斷裂后會(huì)被快速卷進(jìn)閘門開度結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致開度結(jié)構(gòu)損壞；另一方面如果油缸行程超過5m，鋼絲繩晃動(dòng)較大，數(shù)據(jù)波動(dòng)劇烈，當(dāng)油缸傾斜或水平安裝時(shí)傳感器鋼絲繩會(huì)有一定的下垂，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此通過油缸活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)直接在活塞桿表面感應(yīng)采集開度數(shù)據(jù)，可避免以上問題。

圖1 X型流道泵站剖面圖

油缸結(jié)構(gòu)見圖2，閘門開度傳感器安裝在油缸端口法蘭處，下段采用防塵圈密封，因?yàn)榛钊麠U表面與傳感器只有0.2～1.5mm間隙，因此可有效防范防止活塞桿表面異物進(jìn)入活塞桿與傳感器間隙，活塞桿用45號(hào)鋼加工成螺紋狀等距凹凸槽，這些凹凸槽類似于旋轉(zhuǎn)測(cè)速儀上的感應(yīng)齒輪，是數(shù)據(jù)采集的第一步，再用高強(qiáng)度、耐腐蝕陶瓷材料噴涂封堵，使得活塞桿表面光滑。

圖2 閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油缸剖面圖

2 數(shù)據(jù)感應(yīng)采集

數(shù)據(jù)傳感器采用的是四元件磁阻傳感器，見圖3，MRA1、MRA2、MRB1、MRB2為感應(yīng)電阻，當(dāng)活塞桿上下位移時(shí)，凹凸槽經(jīng)過傳感器，由于活塞桿是45號(hào)鋼，具有磁導(dǎo)性，而表面噴涂的陶瓷材料是非金屬材料，無磁導(dǎo)性，這樣活塞桿45號(hào)鋼與傳感器磁電阻之間就會(huì)形成大小不一的磁場(chǎng)間隙，凸出的地方產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)，凹進(jìn)去的地方產(chǎn)生的磁場(chǎng)弱，磁場(chǎng)的強(qiáng)弱變化將造成磁阻電阻的變化，磁阻電阻的變化引起MR電阻兩端電壓的變化，活塞桿上的溝槽為等距離，傳感器就可以通過磁場(chǎng)強(qiáng)弱檢測(cè)出活塞桿的溝槽數(shù)量，從而轉(zhuǎn)換成活塞桿的行程。這種形式的行程檢測(cè)感應(yīng)裝置集成于陶瓷活塞桿上，直接檢測(cè)出活塞桿的位移，不需通過機(jī)械轉(zhuǎn)換，其檢測(cè)不受行程限制，任意行程均可檢測(cè)，檢測(cè)精度可達(dá)到毫米級(jí)別，能滿足閘門開度要求，檢測(cè)精度取決于活塞桿內(nèi)凹凸槽排列密度以及傳感器磁電阻的體積大小。

圖3 磁阻傳感器內(nèi)部電路與PLC計(jì)數(shù)器接線

3 數(shù)據(jù)形成及行程脈沖轉(zhuǎn)換計(jì)算

3.1 數(shù)據(jù)形成

由于活塞桿凹凸槽對(duì)傳感器中的磁電阻MRA1、MRA2、MRB1、MRB2產(chǎn)生感應(yīng)，在磁電阻兩端加上24V直流電壓，就會(huì)在兩組磁電阻輸出的a點(diǎn)和b點(diǎn)產(chǎn)生兩組正弦半波，見圖4，兩點(diǎn)波形峰值很小，為模擬量，達(dá)不到PLC計(jì)數(shù)器脈沖接受要求，a、b兩通道信號(hào)需經(jīng)過LF356信號(hào)運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)放大，放大后的波形進(jìn)入單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74lS121，進(jìn)行脈沖觸發(fā)與脈寬調(diào)整，形成數(shù)字信號(hào)，由集成塊的第6個(gè)腳輸出，得到圖4中的兩組脈沖方波。

閘門啟閉有上升和下降兩個(gè)方向，因此須使用兩組磁電阻，先后布置，對(duì)活塞桿表面順序感應(yīng)，產(chǎn)生兩組相差90°相位角方波。傳感器A通道脈沖超前B通道脈沖90°，此時(shí)閘門升上；當(dāng)閘門下降時(shí)，傳感器B通道脈沖超前A通道脈沖90°。PLC計(jì)數(shù)器通過產(chǎn)生90°相位差的先后順序來判斷計(jì)數(shù)器脈沖是增加還是減少，見圖4。

圖4 磁阻式傳感器輸出脈沖波形

3.2 行程脈沖轉(zhuǎn)換計(jì)算

泵站閘門控制以PLC為例，計(jì)數(shù)器型號(hào)為TSXCTY4A，接口接線形式見圖3，一組24V直流電源輸入，兩組脈沖方波輸入為六線制。計(jì)數(shù)脈沖數(shù)與油缸活塞桿位移行程實(shí)際值轉(zhuǎn)換計(jì)算方法如下：用鋼卷尺從傳感器防塵圈處，順著活塞桿垂直向下測(cè)量1m處用記號(hào)筆做好記號(hào)，然后提升閘門，標(biāo)記隨著活塞桿上升，待標(biāo)記上升到傳感器防塵圈處時(shí)，暫停升閘，此時(shí)通過PLC計(jì)數(shù)器讀數(shù)，若計(jì)數(shù)器脈沖計(jì)數(shù)顯示值為500，說明油缸活塞桿位移1m行程有500個(gè)凹凸槽，經(jīng)傳感器產(chǎn)生了500個(gè)脈沖方波信號(hào)被PLC計(jì)數(shù)器采集，最后得出計(jì)數(shù)器1個(gè)脈沖信號(hào)等于油缸活塞桿位移動(dòng)2mm。

4 閘門開度PLC程序編制

閘門開度PLC程序見圖5，使用PLC加減計(jì)數(shù)器指令CTUD來執(zhí)行，IO.1與IO.2分別取自于傳感器AB相脈沖，P為正轉(zhuǎn)換感應(yīng)觸點(diǎn)，當(dāng)閘門上升時(shí)，A相脈沖IO.1高電平，通過CU加計(jì)數(shù)，CV數(shù)值增加；當(dāng)閘門下降時(shí)，B相脈沖IO.2高電平，通過CD減計(jì)數(shù)，CV數(shù)值減少。PV是設(shè)定數(shù)據(jù)上限值，當(dāng)CV的數(shù)據(jù)等于PV設(shè)定值時(shí)，QU輸出高電平導(dǎo)通C0，假設(shè)閘門開度最大為4m，根據(jù)實(shí)際值與脈沖數(shù)換算為2000，只要在PV處寫入2000，就表示閘門最大開度為4m。按開閘按鈕X02導(dǎo)通，開閘線圈C1導(dǎo)通，閘門上升，計(jì)數(shù)器CTUD開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器CV計(jì)數(shù)值達(dá)到PV設(shè)定值2000(4m)時(shí)，QU輸出高電平，CO線圈得電，CO的常閉觸點(diǎn)CO斷開，開閘線圈失電，停止閘門上升，起到閘門開度數(shù)字限位作用。實(shí)際開度值可通過觸摸屏程序輸入CTUD的CV地址進(jìn)行脈沖變量轉(zhuǎn)換后在屏幕上顯示，或者通過組態(tài)軟件在電腦上顯示。

圖5 閘門開度PLC程序

在X型流道泵站，泵站閘門起著快速斷流和工況切換的控制作用，因此閘門在泵站機(jī)組運(yùn)行中的當(dāng)前位置非常重要，要實(shí)時(shí)監(jiān)視閘門的開度值，確保閘門的開度符合機(jī)組運(yùn)行要求。油缸液壓系統(tǒng)在運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部液壓油泄漏或者管路泄漏現(xiàn)象，導(dǎo)致閘門油缸活塞桿下滑，從而導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行中流道被關(guān)閉或遮擋，產(chǎn)生機(jī)組安全隱患。以上問題，需在PLC里寫入告警程序，利用CTD減計(jì)數(shù)器指令控制，CD接收B通道下降脈沖數(shù)時(shí)，由于串入了開閘和關(guān)閘線圈C1和C3的常閉觸點(diǎn)CI和C3，所以只有在閘門停止時(shí)CTD才啟動(dòng)，若閘門設(shè)定下滑50cm告警，根據(jù)實(shí)際值與脈沖數(shù)換算為250，在PV處寫入250，閘門開或關(guān)時(shí)，常開觸點(diǎn)CI和C3導(dǎo)通，將PV的值250賦值于CV，當(dāng)閘門下滑時(shí)，B通道下滑脈沖數(shù)輸入CD，CV250開始減數(shù)，減到0(50cm)時(shí)，C2線圈導(dǎo)通，輸出告警信號(hào)，而每次閘門開或關(guān)動(dòng)作后，CV里的數(shù)據(jù)會(huì)被LD重新從PV 里的數(shù)據(jù)覆蓋恢復(fù)。

5 運(yùn)行中存在問題及改進(jìn)技術(shù)

以上通過油缸活塞桿做直線位移數(shù)據(jù)采集，磁感應(yīng)編碼器是一種增量編碼器的運(yùn)用，增量編碼器在測(cè)量過程中如遇停電會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，需要重新確定基準(zhǔn)位置，因?yàn)橛透谆钊麠U表面凹凸槽在任何位置都是完全相同的，傳感器不能識(shí)別位置，只能發(fā)出脈沖，因此當(dāng)系統(tǒng)停電時(shí)，油缸活塞桿行程大多數(shù)情況會(huì)產(chǎn)生下滑，此時(shí)的下滑行程不會(huì)被捕捉，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)產(chǎn)生累積誤差；另一方面閘門開度值會(huì)出現(xiàn)負(fù)數(shù)，當(dāng)PLC失電時(shí)，工作人員如果手動(dòng)開閘，若閘門實(shí)際位置為開啟3m，當(dāng)PLC得電啟動(dòng)后，此時(shí)再關(guān)閉閘門就會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，閘門關(guān)閉到底會(huì)顯示為-3m，此時(shí)必須在PLC里設(shè)置數(shù)據(jù)清零程序，執(zhí)行清零程序后，油缸活塞桿位置與計(jì)數(shù)器同步，或者在PLC失電的情況下將閘門先關(guān)閉到底后再進(jìn)行PLC通電；另一種方法是使用絕對(duì)編碼器，絕對(duì)編碼器是通過讀取光碼盤來獲取數(shù)據(jù)，光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線等編排，這樣編碼器的每一個(gè)位置，通過讀取每道刻線的通、暗，就會(huì)對(duì)應(yīng)一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進(jìn)制編碼，這就稱為n位絕對(duì)編碼器，這樣的編碼器是由碼盤的機(jī)械位置決定的，不受停電、干擾的影響，絕對(duì)編碼器由機(jī)械位置決定每個(gè)位置的唯一性，無須記憶，無須找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置，但是此類編碼器用于泵站閘門時(shí)只能通過鋼絲繩拉線旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動(dòng)，這種形式可以在室內(nèi)小型液壓?jiǎn)㈤]油缸上使用。

綜合考慮以上問題，可以利用條形碼測(cè)距方法進(jìn)行測(cè)量，把二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行條形編碼，首先將活塞桿從上到下進(jìn)行檢測(cè)區(qū)分區(qū)，在每個(gè)區(qū)段內(nèi)都設(shè)置一組條形標(biāo)記碼，這組標(biāo)記碼可以由傳感器識(shí)別并且轉(zhuǎn)換成一組唯一的編碼，利用傳感器讀取當(dāng)前位置的編碼標(biāo)記，然后通過對(duì)傳感器采集到的編碼進(jìn)行解碼識(shí)別，得到傳感器所處區(qū)段和傳感器相對(duì)所處區(qū)段的位置偏移量，再將傳感器所處區(qū)段結(jié)合傳感器相對(duì)所處區(qū)段的位置偏移量，即可得出傳感器當(dāng)前的絕對(duì)位置。這種方法是參照絕對(duì)編碼和條形碼的有關(guān)技術(shù)提出的一種使用直線編碼檢測(cè)位置的新技術(shù)，根據(jù)使用范圍采取不同長(zhǎng)度的編碼，運(yùn)用編碼原則，當(dāng)編碼長(zhǎng)度達(dá)16位時(shí)，編碼可以覆蓋的檢測(cè)長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)千米，這種技術(shù)可有效解決失電等問題。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文以X型流道泵站閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)為例，分析X型流道泵站閘門的開度數(shù)據(jù)采集原理及處理過程，體現(xiàn)閘門啟閉機(jī)油缸活塞桿數(shù)字化技術(shù)在泵站中的應(yīng)用，為泵站閘門開度數(shù)據(jù)采集奠定基礎(chǔ)，同時(shí)數(shù)字化也是水利信息化的一種體現(xiàn)，可以提高信息采集、傳輸?shù)臅r(shí)效性和自動(dòng)化水平，是水利現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和重要標(biāo)志。