船閘人字閘門開度儀的故障分析與處理

柏 雪

（長江三峽通航管理局，湖北宜昌 443000）

0 引言

某單級船閘采用機(jī)械四連桿機(jī)構(gòu)人字閘門啟閉機(jī)，該控制系統(tǒng)由冗余PLC 系統(tǒng)、變頻旁路雙回路、觸摸屏操作站以及傳感器等設(shè)備構(gòu)成。傳感技術(shù)在其控制領(lǐng)域有十分廣泛的應(yīng)用，PLC 控制系統(tǒng)依靠傳感器的檢測輸入與工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)人字閘門的遠(yuǎn)程、現(xiàn)地操作和監(jiān)控功能。所以對人字閘門控制系統(tǒng)相關(guān)傳感器的研究與故障處理對船閘運(yùn)行可靠性和安全性有重要意義。

1 船閘人字閘門位置檢測裝置現(xiàn)狀分析

船閘人字閘門的位置傳感器主要分布在頂樞處和人字閘門機(jī)架處，主要由行程限位開關(guān)、極限開關(guān)和開度儀組成。

1.1 行程限位開關(guān)

行程限位開關(guān)是船閘中確保人字閘門開門關(guān)門準(zhǔn)確停機(jī)的重要傳感器，為確保人字閘門開關(guān)門的可靠性，船閘在頂樞安裝有接近感應(yīng)式行程開關(guān)，人字閘門機(jī)架上安裝機(jī)械觸碰行程開關(guān)，這兩個(gè)行程開關(guān)互為冗余。主要以接近感應(yīng)式行程開關(guān)進(jìn)行發(fā)訊，機(jī)械觸碰式行程開關(guān)作為保護(hù)發(fā)訊。當(dāng)一只行程開關(guān)出現(xiàn)故障時(shí)，另一只開關(guān)可以正常工作，確保人字閘門開關(guān)門可靠性。

某單級船閘人字閘門頂樞處使用施耐德XS1 N30PA349電容式接近開關(guān)，測量原理為開關(guān)構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板為接地外殼，當(dāng)物體接近感應(yīng)開關(guān)時(shí)，會導(dǎo)致電容介電常數(shù)變化，使電容量發(fā)生變化，開關(guān)電路狀態(tài)改變表現(xiàn)為接通或者斷開，從而改變PLC 的輸出狀態(tài)。

機(jī)械觸碰式行程開關(guān)安裝于人字閘門扇形齒輪內(nèi)外拖輪行走的導(dǎo)軌上，當(dāng)人字閘門開終或關(guān)終時(shí)，行程開關(guān)上面的搖桿被撞擊而接通開關(guān)，觸發(fā)動作。

1.2 極限開關(guān)

在人字閘門啟閉機(jī)扇形齒輪導(dǎo)軌上，開/關(guān)終行程開關(guān)后面設(shè)置有機(jī)械觸碰式的極限開關(guān)。當(dāng)人字閘門到達(dá)開/關(guān)終未能正常觸發(fā)開/關(guān)終信號而繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)外拖輪上的機(jī)架觸碰到極限開關(guān)，觸發(fā)開/關(guān)極限開關(guān)發(fā)訊，人字閘門停機(jī)。這一機(jī)制可確保人字閘門安全可靠運(yùn)行。

1.3 人字閘門開度傳感器

人字閘門開度儀是顯示人字閘門開度的檢測裝置，可以在上位機(jī)直觀了解人字閘門開度數(shù)值，是頂樞重要的傳感器部件。閘門的同步運(yùn)行控制的直接參與者為閘門開度儀，為了減少開度儀出現(xiàn)誤動作的次數(shù)，需要利用極限開關(guān)對其輸出的位置信號進(jìn)行判斷，確保其動作的準(zhǔn)確性。

2 船閘人字閘門開度儀的應(yīng)用

2.1 閘門開度儀工作原理

閘門開度儀在運(yùn)行中采集的各類數(shù)據(jù)均是模擬量，需要轉(zhuǎn)化為數(shù)字量之后才能輸出到計(jì)算機(jī)監(jiān)控中進(jìn)行分析，其中模擬量有兩種形式：①電模擬量；②非電模擬量。兩種模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的流程有些許不同，首先非電模擬量需利用各類傳感器將其轉(zhuǎn)化為電模擬量，再通過變送器轉(zhuǎn)化為0～5 V 或4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電模擬量，接著將標(biāo)準(zhǔn)電模擬量輸入到PLC 模擬量輸入模塊中，利用A/D 轉(zhuǎn)換器將標(biāo)準(zhǔn)電模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號，最后由CPU 對輸入的數(shù)字量信號進(jìn)行分析、判斷。

船閘開度儀安裝在頂樞上，開度儀的旋轉(zhuǎn)軸位于頂樞中心點(diǎn)，當(dāng)人字閘門開關(guān)門過程中，頂樞同人字閘門一同運(yùn)動，唯有頂樞旋轉(zhuǎn)中心位置是不發(fā)生改變的。頂樞旋轉(zhuǎn)中心聯(lián)軸器與旋轉(zhuǎn)編碼器相連，故旋轉(zhuǎn)編碼器與頂樞中心點(diǎn)同步旋轉(zhuǎn)，從而完成從選裝角度到旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生格雷碼信號的轉(zhuǎn)化過程，人字閘門啟閉機(jī)自動化控制系統(tǒng)接收到格雷碼信號，將數(shù)字量輸入到計(jì)算機(jī)監(jiān)控中進(jìn)行顯示。

2.2 閘門開度儀的應(yīng)用

某單級船閘檢測使用的是法國生產(chǎn)的XCC2510 單圈絕對值編碼器，如圖1 所示。該編碼方式為格雷碼，解碼為二進(jìn)制碼的方式通過異或轉(zhuǎn)換，分辨率為8192 點(diǎn)。機(jī)械軸與編碼器軸存在聯(lián)動關(guān)系，當(dāng)機(jī)械軸轉(zhuǎn)動時(shí)，編碼器軸也會隨之轉(zhuǎn)動，并帶動碼盤旋轉(zhuǎn)。碼盤上分為不透明扇區(qū)和透明扇區(qū)，扇區(qū)內(nèi)部安裝有光敏二極管，當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，二極管產(chǎn)生的光線透過透明扇區(qū)被光敏二極管捕捉到，產(chǎn)生電信號，電信號通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號之后輸入到處理器中，最終以數(shù)字量信息來反映機(jī)械軸轉(zhuǎn)動的角度位置。某單級船閘人字閘門采用單圈絕對值編碼器對人字閘門角位移進(jìn)行檢測，它的功能主要是閘門開度顯示、左右閘門同步運(yùn)行控制。開度儀提供的閘門開度曲線圖是運(yùn)行人員判定系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的重要依據(jù)之一。

圖1 XCC2510 單圈絕對值編碼器

3 人字閘門開度儀常見故障分析與處理

計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心通過開度儀采集到的人字閘門的位置信息進(jìn)行分析，從而在屏幕上實(shí)時(shí)反映出閘門的開度狀態(tài)，完成兩側(cè)閘門的同步運(yùn)行控制。若開度儀發(fā)生故障，從而產(chǎn)生誤動作，將會導(dǎo)致兩側(cè)閘門運(yùn)行速度不同步，易對閘室內(nèi)的船舶造成較大的安全隱患。下面，將對開度儀常見的故障進(jìn)行分析，并提出針對性的處理方法。

3.1 信號翻零點(diǎn)

絕對值編碼器的每一個(gè)位置對應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。因此，當(dāng)電源斷開時(shí)，絕對值編碼器的示值并不會與實(shí)際的位置分離，電源再次接通，當(dāng)前的位置讀數(shù)依舊是有效的。

絕對值編碼器的零點(diǎn)之下就是編碼的循環(huán)最大值，無論是單圈絕對值，還是多圈絕對值在置零點(diǎn)時(shí)，調(diào)整不當(dāng)可能會引發(fā)數(shù)據(jù)跳到最大值，導(dǎo)致數(shù)據(jù)溢出原來的設(shè)定范圍，造成人字閘門運(yùn)行速度異常。另外，絕對值編碼器還需要考慮旋轉(zhuǎn)方向，若發(fā)生反向，則數(shù)據(jù)將會顯示出由大變小，影響運(yùn)行人員判斷。

因此，當(dāng)編碼器信號出現(xiàn)翻零點(diǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器使零點(diǎn)躲過全行程即可。

3.2 信號曲線呈鋸齒狀

當(dāng)絕對值編碼器的信號曲線呈現(xiàn)出鋸齒狀時(shí)，可能的原因有兩個(gè)：①引線開路或短路；②PLC 輸入模塊或連接器故障。

故障處理方法：①檢查引線或端子排接線，緊固端子或更換引線；②緊固連接器或更換輸入模塊。

3.3 無信號或信號無變化

導(dǎo)致絕對值編碼出現(xiàn)無信號或信號無變化的情況時(shí)，可能的原因有以下三個(gè)：①SSI 模塊故障；②電源故障；③傳動裝置斷裂。

故障處理方法：①更換模塊；②更換引線或電源；③修復(fù)傳動裝置。

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了某單級船閘人字閘門開度儀的相關(guān)內(nèi)容。人字閘門開度儀，在人字閘門開度位置監(jiān)測系統(tǒng)中，開度儀是不可或缺的傳感器之一，其正常運(yùn)行關(guān)系到人字閘門的同步運(yùn)行控制。因此，運(yùn)行人員需在人字閘門開關(guān)時(shí)，時(shí)刻關(guān)注開度儀數(shù)字信號是否處于正常范圍內(nèi)，其變化幅度是否正常，兩側(cè)閘門的開度位置是否相差過大等。當(dāng)人字閘門開度儀出現(xiàn)故障后，維修人員應(yīng)當(dāng)高效可靠的處理故障，確保船閘的安全運(yùn)行。