靜磁柵行程傳感器在大Ⅰ型弧型水閘控制改造中的應(yīng)用

張躍武，李 岱，周正聰，楊大為，易 忠

（北京市城市河湖管理處,北京 100144）

某攔河閘位于中國北方地區(qū),為大Ⅰ型水閘,有17孔開敞式弧形鋼閘門,弧度半徑9.5 m,閘門凈尺寸11.98 m×8.00 m,閘重約28 t。近年來,雖然對攔河閘疊梁門啟閉、電氣系統(tǒng)、檢修閘門等設(shè)備進(jìn)行了升級改造,但因卷揚(yáng)啟閉機(jī)啟停特點(diǎn)和鋼絲繩固有的物理形變,在日常提閘落閘操作時(shí),卷揚(yáng)機(jī)連接的旋轉(zhuǎn)式開度儀測量誤差較大,只能通過人工到閘墩附近讀取側(cè)壁開度尺獲得閘門開度值。人工讀取開度存在誤讀、規(guī)程繁瑣和安全隱患等不利因素。針對該問題,經(jīng)過技術(shù)調(diào)研以及對國內(nèi)外應(yīng)用情況的了解,采用靜磁柵行程傳感器等技術(shù),對開度傳感器進(jìn)行改造,從而實(shí)現(xiàn)對水閘自動(dòng)化控制改造的目標(biāo),使得閘控業(yè)務(wù)更高效,管理更科學(xué)和更精細(xì)。靜磁柵閘門開度儀是在消化吸收先進(jìn)磁位移傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上研制的新型開度儀,具有精度高、絕對值、量程大、抗惡劣環(huán)境和維修保養(yǎng)方便等優(yōu)點(diǎn),相對于傳統(tǒng)的閘門開度儀有其特有的優(yōu)點(diǎn)可有效解決傳統(tǒng)的閘門開度儀的不足。

1 水閘控制改造概述

該工程由水閘現(xiàn)地改造、管理站遠(yuǎn)程操控改造、分中心和調(diào)度中心狀態(tài)查詢四部分組成,工程邏輯結(jié)構(gòu)（見圖1）。

圖1 項(xiàng)目工程邏輯結(jié)構(gòu)圖

1.1 水閘現(xiàn)地改造

采用靜磁柵式傳感器、現(xiàn)地閘控、視頻監(jiān)視等技術(shù),分別對17孔閘門安裝靜磁柵行程傳感器、現(xiàn)地控制柜、攝像機(jī)等,實(shí)現(xiàn)閘門開度精準(zhǔn)檢測和閘門現(xiàn)地精準(zhǔn)操控。

1.2 管理站遠(yuǎn)程操控改造

采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、PLC、遠(yuǎn)程閘控、網(wǎng)絡(luò)隔離等技術(shù),配置工控服務(wù)器、工控工作站、工控交接機(jī)、網(wǎng)閘、電視、網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)和閘門遠(yuǎn)控軟件等,建立連17孔閘門PLC控制器的工控網(wǎng)絡(luò),并與辦公邏輯隔離；實(shí)現(xiàn)閘門遠(yuǎn)程精準(zhǔn)操控,以及自動(dòng)編制閘門流量統(tǒng)計(jì)報(bào)表和自動(dòng)上傳閘門運(yùn)行數(shù)據(jù)至調(diào)度中心雨水情數(shù)據(jù)庫。采用視頻監(jiān)控技術(shù),配置硬盤錄像機(jī)、電視等設(shè)備,依托辦公網(wǎng)絡(luò),建立連17孔閘門攝像機(jī)的視頻監(jiān)視網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)提閘落閘過程中閘門開度的視頻驗(yàn)證和視頻業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存貯。

1.3 分中心和調(diào)度中心狀態(tài)查詢

采用Web技術(shù),依托調(diào)度中心雨水情數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)閘門運(yùn)行狀態(tài)和閘門流量統(tǒng)計(jì)報(bào)表的查詢。

2 靜磁柵行程傳感器安裝技術(shù)

2.1 靜磁柵行程傳感器性能特點(diǎn)

靜磁柵行程傳感器是外置剛性結(jié)構(gòu)和絕對編碼型的新型閘門開度檢測設(shè)備,主要由靜磁柵位移傳感器和安裝輔件構(gòu)成。靜磁柵位移傳感器由靜磁柵源（測量桿）和靜磁柵尺組成。靜磁柵源的磁性條形碼排布軸線與靜磁柵尺霍爾線性陣列排布軸線平行,靜磁柵源和靜磁柵尺在保持約定間隙的狀態(tài)下相對運(yùn)動(dòng),由靜磁柵尺輸出準(zhǔn)確的位移信號(hào)（見圖2）,測量范圍0～30 m。檢測精度可達(dá)±0.1 mm,輸出模擬量4 mA～20 mA、16位并行數(shù)字、數(shù)字化SSI位移等多種信號(hào)。該技術(shù)目前多用于液壓式啟閉機(jī),液壓式啟閉機(jī)可以將靜磁柵尺平行于液壓缸設(shè)置,易于安裝,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,開度比例適合。

圖2 靜磁柵位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 靜磁柵行程傳感器安裝技術(shù)

本案中靜磁柵行程傳感器采用靜磁柵尺固定靜磁柵源移動(dòng)的工作方式。設(shè)備安裝包括安裝位置設(shè)計(jì),下支架、測量桿套件和上支架安裝,以及與現(xiàn)地控制柜顯示儀表和PLC控制器的連接。

2.2.1 安裝位置設(shè)計(jì)

結(jié)合該攔河閘物理結(jié)構(gòu)特點(diǎn),卷揚(yáng)式弧形閘門受安裝位置限制,只能在水閘翼墻和閘門支臂間連接,存在有支架穩(wěn)定、靜磁柵尺行程不夠、閘門檢修拆除和水閘整體美觀等問題。經(jīng)過論證,從安全和美觀角度,首先確定了靜磁柵行程傳感器整體不高于閘墩頂面的原則。其次,通過調(diào)整上下支架位置,確保靜磁柵尺的移動(dòng)軌跡是在平行翼墻的縱向斷面上。再次,上下支架采用了大尺寸剛性結(jié)構(gòu),增強(qiáng)抗擾能力。最后,為了滿足閘門7.5 m的最大開度,靜磁柵尺設(shè)計(jì)沒有采取傳統(tǒng)的垂直安裝方式,而是與垂直方向有15.8°夾角的傾斜安裝,由此滿足閘門開度的伸縮需要（見圖3）。

圖3 靜磁柵行程傳感器安裝位置設(shè)計(jì)

最大擺角：67°,最大行程L=1800 mm,工作行程1750 mm,零位行程0～20 mm,開度比：0～2 m時(shí)3倍、2 m～3 m時(shí)5倍、3 m～7.5 m時(shí)20 倍?；￠T旋轉(zhuǎn)49.22°時(shí)閘門開度為7.5 m（檢修位）,靜磁柵尺數(shù)據(jù)為工作行程（1750）+零位行程（0～20 mm）。

支臂傳感器上鉸接點(diǎn)的安裝位置：x =-2224.6 mm,y=850 mm（指關(guān)節(jié)軸承的鉸接位）；下鉸接點(diǎn)的位置為：x =-3354.3 mm,y=-3148.1 mm（指關(guān)節(jié)軸承的鉸接位）。

2.2.2 下支架安裝設(shè)計(jì)

根據(jù)安裝位置設(shè)計(jì),在閘門全關(guān)狀態(tài)下,從閘門兩支臂中心交點(diǎn)處沿邊緣量取尺寸2759 mm作為下支架安裝位置,讓下支架邊緣如圖所示貼緊對齊弧門支臂外側(cè)邊線,即為下支架的安裝焊接位置（見圖4）。

圖4 靜磁柵行程傳感器下支架安裝設(shè)計(jì)

焊接工藝：為了不損傷閘門支臂的設(shè)計(jì)強(qiáng)度,保證下支架與閘門支臂牢固連接,在進(jìn)行現(xiàn)場踏勘論證后采用了氬弧焊焊接,焊縫處不能有未熔合、裂紋、夾渣、氣孔、焊瘤和弧坑。在測量桿套件與下支架間有螺栓固定連接,當(dāng)閘門需要檢修全提出水面,超出行程范圍時(shí)可以拆除螺栓不損壞靜磁柵尺。

2.2.3 測量桿套件與支架安裝設(shè)計(jì)

將測量桿與安裝架在平地上組裝在一起,檢查支臂傳感器數(shù)據(jù)是否正常,在0點(diǎn)位做上標(biāo)記。將支臂傳感器掛在上安裝架下（見圖5左）,用繩索綁緊測量桿上的關(guān)節(jié)軸承,再緩慢放下,將關(guān)節(jié)軸承安裝在下支架上（見圖5右）。

圖5 靜磁柵行程傳感器與上支架安裝設(shè)計(jì)

2.2.4 上支架安裝設(shè)計(jì)

移動(dòng)上支架,讓支臂傳感器垂直放置,在閘墻上做上記號(hào)。再向右水平移動(dòng)1132.5 mm,此時(shí)已到達(dá)上安裝架橫向安裝位。緩慢移動(dòng)上安裝架垂直高度,當(dāng)套管移動(dòng)到測量桿標(biāo)記0點(diǎn)標(biāo)記時(shí)（見圖6左）,用顯示儀表連接靜磁柵行程傳感器,微調(diào)上安裝架位置,使顯示儀表開度值顯示為閘門零位行程,保證傳感器處于垂直狀態(tài),再將上支架固定在閘墻上即可（見圖6右）。為保證牢固,上支架與翼墻連接采用了化學(xué)錨栓的固定方式。

圖6 靜磁柵行程傳感器與上支架安裝設(shè)計(jì)

2.2.5 現(xiàn)地控制柜和PLC控制器的連接

靜磁柵行程傳感器以Modubus-RTU協(xié)議方式輸出SSI位移信號(hào)至RS485分配器,RS485分配器分別輸出至現(xiàn)地控制柜顯示儀表和PLC控制器（見圖7）。

圖7 靜磁柵行程傳感器與現(xiàn)地柜儀表和PLC控制器連接邏輯圖

2.3 閘門開度精準(zhǔn)檢測技術(shù)

在弧形閘門處于檢修狀態(tài)時(shí),分別用顯示儀表連接每孔閘門的靜磁柵行程傳感器,通過現(xiàn)地控制柜或PLC控制有規(guī)律地提閘落閘,記下每孔閘門每次靜磁柵輸出行程值（精度0.1 mm）和對應(yīng)的閘門開度值（精度1 mm）數(shù)據(jù),運(yùn)用二維曲線函數(shù)y=f（x）方程擬合出誤差最小的靜磁柵行程傳感器位移值與閘門開度值間的數(shù)學(xué)模型,把該數(shù)學(xué)模型集成到閘門現(xiàn)地控制柜儀表或PLC控制器軟件中,即實(shí)現(xiàn)了提閘落閘閘門開度的精準(zhǔn)檢測。如9#閘門的二維曲線數(shù)學(xué)模型如下：

式中：a=-0.013409762；b=0.33575985；c=-3.9467509 e-05；d=1.9083449 e-08；e=1.9521395 e-12；f=-9.3830178 e-16；g=3.4167353 e-19；h=-4.8727465 e-23；i=3.5705494 e-27；j=-1.3290316 e-31；k=1.9922791 e-36；y為擬合的閘門開度值；x為靜磁柵行程傳感器輸出的位移值。

9#閘門靜磁柵傳感器位移值變化與閘門開度值間的數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證過程數(shù)據(jù)（見表1）。第1列是靜磁柵傳感器輸出行程值,第2列是靜磁柵傳感器位移值X,第3列是閘門開度實(shí)測值Y,第4列是數(shù)學(xué)模型擬合閘門開度值Y,第5列是閘門實(shí)測開度值與數(shù)學(xué)模型擬合值間的誤差分析。

表1 9#閘門靜磁柵傳感器位移值與閘門開度值間的數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)

3 靜磁柵行程傳感器的應(yīng)用

3.1 閘門開度現(xiàn)地操控

提閘落閘時(shí),閘門支臂弧線運(yùn)行帶動(dòng)靜磁柵沿弧形運(yùn)動(dòng),同時(shí)靜磁柵尺輸出閘門支臂準(zhǔn)確的位移信號(hào)至現(xiàn)地控制柜顯示儀表,顯示儀表通過閘門開度數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)計(jì)算閘門開度值并顯示；工作人員依據(jù)顯示儀表上閘門開度值,運(yùn)用提閘、落閘等操控按鈕和電源、故障、提到位、落到位等閘門狀態(tài)提示來實(shí)現(xiàn)閘門現(xiàn)地精準(zhǔn)操控（見圖8）。

圖8 閘門現(xiàn)地控制柜功能布局

3.2 閘門開度遠(yuǎn)程操控

提閘落閘時(shí),閘門支臂弧線運(yùn)行帶動(dòng)靜磁柵沿弧形運(yùn)動(dòng),同時(shí)靜磁柵尺輸出閘門支臂準(zhǔn)確的位移信號(hào)至PLC控制器,PLC控制器通過閘門開度數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)計(jì)算出閘門開度值；工作人員運(yùn)用操控軟件提供的提閘、落閘等操控按鈕和軟件顯示的控制量來實(shí)現(xiàn)閘門起落（見圖9）；同時(shí),根據(jù)閘門開度值,運(yùn)用閘門開度流量數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前閘門開度流量和每小時(shí)的累計(jì)水量。

圖9 閘門遠(yuǎn)程操控軟件功能布局

3.3 閘門開度視頻驗(yàn)證

提閘落閘時(shí),通過調(diào)取閘門視頻攝像機(jī)信號(hào),實(shí)時(shí)觀測閘門升運(yùn)行、降運(yùn)行狀態(tài)（見圖10左）和閘墩側(cè)壁閘門開度尺（見圖10右）,以驗(yàn)證靜磁柵行程傳感器工作狀態(tài)。

圖10 閘門運(yùn)行狀態(tài)和閘門開度視頻驗(yàn)證

4 結(jié)論

通過對大Ⅰ型水閘17孔弧型閘門應(yīng)用靜磁柵行程傳感器技術(shù)改造并進(jìn)行開度精準(zhǔn)檢測后,閘門精準(zhǔn)操控可行穩(wěn)定,完全滿足自動(dòng)化控制要求。文本摸索總結(jié)出靜磁柵行程傳感器在弧型閘門中的應(yīng)用存在問題、解決方法和安裝技術(shù),是在北方地區(qū)中同類型閘門的首次嘗試。也為弧形門、平板門、橫拉門、垂直門等各類閘門開度精準(zhǔn)檢測和閘門精準(zhǔn)操控提供技術(shù)參考和方法借鑒。同時(shí)對實(shí)現(xiàn)閘門開度精準(zhǔn)檢測、閘門現(xiàn)地或遠(yuǎn)程精準(zhǔn)操控、工控網(wǎng)與辦公網(wǎng)邏輯隔離以及閘門操控視頻驗(yàn)證都具有重要的實(shí)踐意義。