閘位計對閘門安全運行的影響及其解決辦法

摘要：閘位計作為閘門開度的指示部件，在閘門的自動運行中起著舉足輕重的作用，閘位計的數據正確與否直接影響著閘門的運行控制。有若干原因會對閘位計數據產生影響，如果不針對性的進行處理，勢必會成為閘門安全運行的隱患。

關鍵詞：閘位計；數據；開度；糾偏；干擾；響應頻率；竄動

一、現狀和可能帶來的影響

1、現狀

目前曹娥江大閘28孔閘門采取的是雙吊點液壓啟閉平板門的形式。液壓啟閉機采取的是進口陶瓷活塞桿配套進口陶瓷活塞桿同步位移傳感器。陶瓷活塞桿同步位移傳感器輸出信號的為兩相相位差90的差分信號。每扇門左右各兩個陶瓷活塞桿桿同步位移閘位傳感器，各一套內置式鋼絲繩位移傳感器，共計兩組兩種類型六個傳感器，本文只針對陶瓷活塞桿同步位移傳感器展開討論。

曹娥江擋潮閘外部為杭州灣，與著名海寧鹽官錢塘江觀潮景區隔江相望，曹娥江大閘運行環境為海水環境，鹽霧腐蝕嚴重。陶瓷活塞桿有機地把金屬材料的強韌性、易加工性等和陶瓷材料的耐高溫、耐磨和耐腐蝕等特性結合起來，是此種環境下的最佳選擇。

陶瓷活塞桿位移檢測傳感器密封等級達到IP67，可長期水下使用，檢測不受行程限制，任意行程均可檢測；其結構緊湊、體積小，只需直接安裝于液壓缸的下端蓋上，在液壓缸外部不需另外的裝置，因此其檢修非常方便，在曹娥江閘控系統中，作為陶瓷活塞桿配套傳感器采用。

在實際使用中陶瓷活塞桿同步位移傳感器出現如下問題：

1）閘位計無反應；

2）閘門靜止狀態下，閘位計數據改變；

3）啟閉過程中閘位計數據與真實開度值有誤差，且誤差累積。

4）閘位計數據波動

2、閘位計失準帶來的影響

1）閘位計無反應，無法得到閘門開度數據，無法進行自動啟閉門操作。

2）閘位計數據在閘門靜止狀態下出現增加或減少，可能誤觸發閘門偏移超差信號，導致無法自動開啟閘門。

3）在閘門開啟過程中閘位計誤差累積會產生錯誤的糾偏動作，導致門同步錯誤，嚴重的情況下可能會導致門偏卡在門槽中，無法運行

4）閘位計數據波動是指閘位計數據在一定范圍內來回波動，在實際運行過程中也會導致錯誤的糾偏動作，產生頻繁不必要的糾偏，門運行缺乏順暢

二、故障原因分析

1）閘位計作為低電壓電子產品，受到損傷后導致檢測數據不正確是其中最大的可能原因之一。

2009年11月8號～9號遭受雷擊后，經檢測至少13支傳感器受損，無法正常工作。其中3號孔閘位計表面擊穿；傳感器的兩個M8固定螺絲存在著大量的擊傷崩邊，累計更換螺絲37顆，散布于30只傳感器之中。隨后檢查過程中還發現存在多個類似情況。依據外方技術資料，傳感器絕緣電壓500V，根據現場情況，有理由相信很多傳感器都曾經遭到過遠高于500V放電的沖擊。

根據傳感器技術資料，其輸出高電平不低于（電源電壓-1.5V），閘控提供電源為24V，傳感器高電平輸出不低于22.5V，低電壓<1.6V。在檢測后認為可以使用的傳感器中有很多傳感器的輸出電平也不滿足技術資料提供的該項技術指標。

如果輸出電平未達到其技術指標，會在后端處理模塊上產生錯誤的信號傳送。

后端模塊為光耦輸入端，電連接原理圖參見左圖，一般光耦導通電流最小為6.5mA。導通電壓最大為1.8V，在最小電壓1.4V電流滿足條件的情況下光耦輸入端也可以導通。根據輸入模塊內部電路參數，當傳感器輸出到計數轉換模塊低電平高于2.5V時加之電源紋波比較大的情況下，光耦就有可能導通。這個時候傳感器模塊數據可能錯誤的增加或者減少。

另在外方提供的傳感器技術資料中并未提及ESD保護參數，如果傳感器未有這項保護的話，日常維護中不注意靜電防護也可能導致傳感器損壞。

2）傳感器安裝尺寸及安裝位置選擇不合適導致傳感器未能正確檢測信號

曹娥江擋潮閘和常規水閘相比，有其特殊性。通常水閘大部分是蓄水閘，長年承受一側水壓，門始終是被壓向門槽一側。曹娥江外側為杭州灣，每天需要承受兩次漲潮的沖擊，漲潮水位達到高處的時候外河水位高于內河水位，門被壓向內側門槽；退潮之后，內河水位高于外河水位，門又被壓向外河方向門槽。門兩面邊緣安裝了水封和導塊，將門限位于門槽內，水封為橡膠彈性物，通過壓力形變密合門和門槽之間間隙，達到阻止水流的目的。

兩支陶瓷活塞桿位移傳感器分別布置于上下游兩側，平行于河流方向，參見上側實物照片。

陶瓷活塞桿位移傳感器示意圖參見左圖，理論裝配關系如下：傳感器固定于配合尼龍座上，通過外蓋壓緊彈簧將尼龍座壓緊于陶瓷活塞桿表面上，這樣就使傳感器始終和陶瓷活塞桿表面緊密配合，保證傳感器始終能正確讀取陶瓷活塞桿上的位移信息。

其中尼龍平面與固定端之間需要有一定的間隙，尼龍前導向柱與安裝端孔要有一定間隙，保證當活塞桿隨著門前后擺動到處于離固定端最遠點處，傳感器表面在彈簧的壓力作用下，依舊能緊貼于活塞桿表面。

如果不能滿足這個要求，當門在水壓作用下前后擺動的時候，傳感器將隨著擺動給出錯誤數據。

3）噪聲干擾了傳感器數據讀取

柜內布置有兩只開關電源，分別給PLC以及中繼閥組控制線圈供電，陶瓷活塞桿閘位計所接轉換模塊為220VAC進線，內部自備電源轉換為低壓直流電源給傳感器供電。

這樣會存在如下問題：

①220V交流電源與低壓電源線低壓信號線在柜內混合走線，交流信號串入信號線形成50HZ工頻噪聲。

②控制信號線和傳感器信號線不隔離，控制繼電器的線包產生的噪聲信號耦合進傳感器信號線，進而影響轉換模塊的輸入。

③陶瓷活塞桿位移傳感器的屏蔽電纜的屏蔽銅層接地不良的話也會成為一個噪聲引進通道。

④在信號轉換過程中采用了模擬量轉換，因為是非數字化傳遞，在轉換過程中，因為基準電平和傳遞信號本身受到噪聲影響，導致轉換后的數據出現精度丟失或者數據波動的情況。

4）影響陶瓷活塞桿傳感器與陶瓷活塞桿表面間隙的外因

在液壓啟閉閘門系統經過長期運行后，可能會有出現以下一些情況影響陶瓷活塞桿傳感器的正常數據讀取：

①某些污漬在表面形成的硬質斑，刮污圈未能刮除，并且處于陶瓷活塞桿位移傳感器的檢測軌跡上，厚度大于0.5mm將對數據產生不良影響。

②硬物沖擊對活塞桿表面的損傷，造成凹陷，嚴重的情況會影響傳感器數據讀取。當錢塘江大潮處于高潮位時，因其對石塊等硬物的裹挾力，產生這種損傷還是很有可能的。

③刮污圈和密封圈長期運行后密封效果會變差，此時粉末狀泥沙污泥會隨著活塞桿回縮回油缸帶入到安裝傳感器探測端面的孔中，沉積在里面，改變傳感器與活塞桿表面間隙，影響正常數據讀取。

④傳感器安裝端內部未做防腐蝕處理，因外河為海水，在密封圈失效的情況下會有含鹽水分進入到安裝端內部，加劇安裝端內部的腐蝕剝落，產生的粉末也填于安裝傳感器探測端面的孔中。

在拆卸更換傳感器時，經常可見紅色的銹蝕物流淌痕跡以及黑色的油污狀泥痕，說明上述3、4兩種情況普遍存在。魚道一根活塞桿被打壞說明情況2也有發生的可能性。

三、解決辦法

針對以上論述可能引起陶瓷活塞桿同步位移傳感器故障的原因，可以將問題歸結為兩個方面，一個是設備完整性，另一個電磁兼容性。

EMC（Electro Magnetic Compatibility）“電磁兼容性”，是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行并不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力。習慣上說，EMC 包含EMI（Electro Magnetic Interference，電磁干擾）和EMS（Electro Magnetic Susceptibility，電磁敏感性）。

所謂電磁干擾是指任何能使設備或系統性能降級的電磁現象。而所謂電磁敏感性是指因電磁干擾而引起的設備或系統的性能下降（的程度）。

因此，EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環境產生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指器具對所在環境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗干擾能力，即電磁敏感性不能太差。

設備完整性包含以下幾個方面：

一、檢查設備完好性以及安裝和電氣連接可靠性

1）對現有傳感器進行故障排查，保證在裝傳感器的各項指標均滿足說明書提供的技術指標要求。

2）傳感器信號傳送電纜連接正確可靠，屏蔽銅層按說明書要求可靠連接，無破皮漏電，絕緣阻抗達到說明書要求。

3）對現有在裝傳感器的安裝端和零件尺寸進行核對，保證實際尺寸均達到設計加工要求。

4）對安裝端內部進行清洗，確保無污漬異物殘留。

5）對傳感器檢測經過的陶瓷活塞桿表面進行檢查，確保無影響檢測的異物及損傷。

6）液壓油缸刮污圈和密封圈無破損，完整有效，能良好的去除活塞桿表面附著污漬水跡，防止泥沙異物進入到傳感器檢測面。

7）液壓驅動平順，液壓啟閉機在啟閉門過程中無竄動，無突跳。

8）系統接地保護可靠，防雷措施有效。

建議技術改造

建議將兩個陶瓷活塞桿位移傳感器沿垂直于水流方向放置，也就是現在的位置旋轉90度的方向上。

這樣安裝的情況下，檢測帶在陶瓷活塞桿兩個側面，這不在水流的沖擊方向上，理論上受損可能性比較小。活塞桿在水流沖擊下擺動量相對于正面和背面要小，對傳感器需要自適應的行程降低。

如果有可能，改變現在的尼龍配合方式，以獲得最大的跟蹤適應性。

二、更改不合理電氣布局布線

1）選擇合適的外部和柜內布線線纜和布線方式

合適的布線（包括線纜選擇與布敷、屏蔽連接與工藝）可以有效地減少外部環境對信號的干擾以及各種線纜之間的相互干擾，提高設備運行的可靠性。同時，也便于查找故障 原因和維護工作，提高產品的可用性。

線纜大致分為以下幾種類型：

A 類：敏感信號線纜

B 類：低壓信號線纜

C 類：220V 等級電纜

D 類：輔助電路配電電纜

E 類：主電路配電電纜

A 類 指各種串行通信（如以太網、RS485 等）電纜、數據傳輸總線、ATC 天線和通信電纜，以及各類毫伏級（如熱電偶、應變信號等）信號線。

B 類 指 5V、±15V、±24V、0～10mA、4～20mA 等低壓信號線（如各種傳感器信號、同步電壓等）以及廣播音頻、對講音頻電纜。

C 類 指 220V 蓄電池電源電纜、220V 控制信號線、頭燈電源線和照明電源線。另外48V 脈沖觸發線從布線角度宜歸于 C 類。

D 類 指 230/400V、連接各種電機、逆變器的電纜。

E 類 指額定電壓3kV（最大 3600V）以下，500V 以上的動力電纜。

這5類信號中，就易被干擾而言，按 A→E 的順序排列，A 類線最易被干擾；就發射的電磁干擾而言，按 E→A 的順序排列，E 類發射的干擾最強。

布線原則：A、B 類電纜至少離 C 類 0.1m、離 D 類 0.2m、離 E 類 0.5m。對于個別確有困難達到上述要求時，必須用普列卡鋼質軟管、金屬管、線槽或其它措施加強屏蔽，隔離體要單獨接地，接地線長度應小于 1m。如果不同類的電纜發生交叉，電纜與電纜之間宜成直角。在電控柜內布線時，對 A、B、C 三類信號要分區走線，盡量減少 C 類對 A、B 類的干擾。對外有一定干擾或自身需防止干擾的信號，在對外布線及裝置內部布線時需采用屏蔽 線，屏蔽層應接至機箱外部的專用接地母排或通過連接器外殼接至機箱箱體上。對于 A 類和 B 類應采用雙絞屏蔽電纜，A 類中的通信線必要時可采用光纖。對于 C 類，電源線一般可采用雙絞線，但對于頭燈電源線應采用屏蔽線。對 220V 控制 信號可采用多芯屏蔽線，對脈沖觸發信號應采用雙絞屏蔽線。配電電纜宜用屏蔽電纜，以防止對外部的輻射干擾。

2）調整低壓控制柜內電氣元件布局

首先合理分配電源，傳感器部分電源和控制部分電源采用不同的開關電源供電；其次，合理布局柜內元件部件，做到信號輸入輸出分區明確，防止回路干擾；第三，對現有電氣元件確認其完備性和良好性

三、對系統構成進行優化更改

針對陶瓷活塞桿同步位移傳感器而言，目前閘控柜內電氣系統還存在著可以優化之處。

陶瓷活塞桿同步位移傳感器提供的位移信號經過轉換模塊轉換成模擬量信號提供給PLC，存在著不合理之處。

首先：數字信號轉成模擬信號再從模擬信號轉成數字信號，整個傳遞過程精度是有損的。

活塞桿全行程是5400mm，對應4～20mA電流或者1～5V電壓，按照PLC模擬量轉換的精度2‰計算，全量程絕對誤差可能達到10.2mm。如果加上數字量轉換成模擬量的轉換誤差，這個絕對誤差可能更高。而精度2‰對應的電流為0.032mA或者電壓0.008V也就是8mV。一般給柜內提供直流供電的開關電源所提供的直流電源噪聲為100mV到200mV，再加上外部繼電器、接觸器，變頻器等的EMI干擾，模擬量可能受到干擾精度的影響眾多，所以在柜內采用模擬量變送可能有相對較大的誤差。

其次現在的轉換模塊供電為220V交流，提高了柜內各等級線纜布線隔離難度，增加了低壓信號受干擾的風險。

建議技術改造

1）選取噪聲紋波相對較小的柜內直流電源

2）更換220V供電模塊，選擇DC24V供電模塊

3）更換模擬量傳送模塊，選取數字信號傳送的模塊

四、改進完善控制軟件

1）關于閘位計標定位置的探討

目前在運行的方案，閘位計都是在門全關位清零的，這在理論上完全成立，但是實際運行則可能會引進不可靠因素。

當閘門處于全關位的時候，水流靜止，水中攜帶的泥沙勢必在閘門前側產生淤積，當啟門開啟時，水流產生的沖擊力并不能將淤積沖干凈，再次閉門時，水從閘門下方流出，產生的巨大吸力也會將一些懸浮異物和接近門的沉淀物吸至門下，這樣長時間運行后，閘門在全關狀態完全接觸門底板的狀態幾乎比較難以達到。如果門下淤積物不均勻，那么門在全關靜止位時已經偏移，此時清零將導致開門偏向。

解決這個問題的方法就是對于標定點進行重新選擇。

門全關位時，此時活塞桿處于伸出狀態，當閘門開啟時，活塞桿處于

縮回狀態。當活塞桿全部縮回油缸時，此時門處于全開狀態。雖然閘門全關位不一定能達到，但是只要在液壓運行正常情況下，閘門全開位方向上的設置點是每次都可以達到的。

設想在全開位下端一定距離處，左右各標定一閘位計計量基準點，例如活塞桿伸出400mm的位置附近，標記此時閘位計數據為5000mm。這樣當門下到底部如果未能觸底也能正確反應淤積和異物情況。而且此點距離全開位附近，也便于日常測量校核。

具體實施可以將此點固定于門槽上一個位置，在此位置裝配一個行程開關，閘門提升到該處時，觸發信號給閘控PLC，閘控PLC根據此信號自動完成對閘位數據的標定。

2）自動識別傳感器健康度并完成數據置信度評價

不同于其他常見水閘門，每邊只裝一個開度傳感器，曹娥江大閘每扇門左右各裝了三個傳感器，共計六個傳感器，可以看成是一個傳感器群，綜合各傳感器數據表現，完全可以自動識別傳感器健康度，可以有選擇的對傳感器數據進行程序自主識別，自主修正，自主對閘位數據進行置信度評價，并自動選擇置信度高的數據進行控制運算。

四、結束語

曹娥江擋潮閘是是國家批準實施的大一型水利項目，是我國強涌潮河口地區第一大閘，是浙江省“五大百億”工程浙東引水工程的樞紐工程，是紹興大城市建設的重大基礎工程。

大閘液壓啟閉機全面采用陶瓷活塞桿以及配套使用陶瓷活塞桿位移傳感器是對國際先進技術和先進產品的應用，在國內是首次大規模裝備和使用，憑著大閘工作人員的努力鉆研勤奮思索和不懈努力，相信大閘控制系統會得到不斷完善改進，整個大閘有效運作，出色完成大閘被賦予的使命。