靜磁柵位移傳感器開度儀在紫坪鋪水利樞紐工程的應用

2016-12-21 09:19:16崔濤，史壘

水電站設計 2016年4期

崔濤，史壘

(四川省紫坪鋪開發有限責任公司, 四川成都 610036)

崔濤，史壘

(四川省紫坪鋪開發有限責任公司, 四川成都 610036)

液壓啟閉機閘門開度裝置常用油缸內置鋼絲繩式旋轉編碼器，檢修維護不便,增設靜磁柵開度裝置采用外置形式，既能精確反映行程且又維護方便，能與內置鋼絲繩式開度裝置互為備用，極大地增強了閘門運行過程中的可靠性和安全性。

閘門開度；靜磁柵傳感器； PLC；改良安裝；運行

1 概述

紫坪鋪水利樞紐是都江堰灌區和成都市的水源工程，以灌溉和供水為主，兼有防洪、發電、環境保護、旅游等綜合效益。樞紐位于岷江上游河段下端，距都江堰市西北9 km，距成都市約60 km。樞紐為大(I)型水利樞紐工程，其永久主要建筑物按1 000年一遇洪水標準設計。主要建筑物包括混凝土面板堆石壩、引水發電系統、沖砂放空洞、1號泄洪排砂洞、2號泄洪排砂洞、溢洪道。最大壩高156 m，水庫總庫容11.12億m3，電站總裝機76萬kW。工程于2006年底全部完建投入正常運行。

樞紐主要通過機組、沖砂放空洞、泄洪排砂洞進行泄洪和供水調節，根據紫坪鋪工程汛期調度方案要求，當小于100年一遇洪水標準時，沖砂洞全開，一條泄洪洞局部開啟，為了確保下游人民的生命財產安全，控制總泄量不超過2 393 m3/s，這就要求泄洪洞工作閘門需要精確調度。

2 工程應用

2.1 工程特點

樞紐泄洪排砂洞工作閘為潛孔閘門，門葉布置在高程808 m(底坎為高程800 m)，閘門現地控制屏布置在高程886.10 m，通過液壓啟閉機啟閉閘門，閘門啟閉開度是通過位于液壓啟閉機油缸內的內置式開度儀反映。開度儀為國內某廠制造的卷簧式開度儀，主要由鋼絲繩、卷簧、編碼器(PEPPERL+FUCHS的EAM63A4096/4096/B828TPX10S3PER多圈絕對式編碼器)等組成，鋼絲繩置于油缸活塞桿上，當活塞桿上下運動時拉動鋼絲繩帶動編碼器旋轉置數，優點是直觀反映活塞桿運行軌跡，線性度好，但平時閘門多為全關擋水，卷簧一直處于拉伸狀態，易于疲勞，如果在啟閉機運行過程中發生卷簧斷裂，編碼器便不能同步監測活塞桿的位置移動，這在閘門啟閉過程中是極其嚴重的安全隱患。經過多年運行，1號泄洪排砂洞工作門、沖砂放空洞工作門和3號進水口快速閘門開度儀均發生過鋼絲卷簧斷裂故障，導致閘門開度指示錯亂，不能正常反映閘門狀態，但經及時發現未發生安全事故。

為增強閘門運行可靠性和安全性，故新增設一套外置式閘門開度儀非常必要。

2.2 設備選型

經調研，市面上外置式開度儀主要有機械式、重錘式等形式，但結合紫坪鋪工程特殊性，泄水過程伴隨強大補氣氣流擾動，又考慮到從工作門至現地控制屏間近80 m的長距離對傳感器信號傳輸的影響，最終選擇靜磁柵位移傳感器開度儀。

2.3 工作原理及特點

靜磁柵傳感器是將高磁感強度稀土磁性材料定制成極性不同、寬度不一、間距不等的磁性條形碼，安裝到非磁性金屬材料(例如鋁合金、銅合金、不銹鋼等)制成的磁柵源內，排布成表征連續直線絕對位移量的編碼磁感應信息，提供給磁柵尺讀取。

整個靜磁柵位移傳感器的磁柵源與磁柵尺平行安裝，保持適當間隙無接觸相對運動，磁柵源為無源工作，磁柵尺只需提供24 V直流電源即可準確輸出位移量電信號。位移傳感信號無需轉換,系統精確度可達0.01 mm/m，最小指示值0.001 mm，使用范圍為0～40℃，普通量程1～16 m，分辨率1 mm，位移信號通過RS485方式輸出到顯示器，顯示器端也同時以4～20 mA電流模擬量傳輸至閘控PLC。因其安裝精簡維修方便，且具有防水、防振動、防撞擊、防腐蝕等機械可靠性，可廣泛適用于閘門位移檢測。

2.4 工程應用

紫坪鋪水利樞紐泄洪排砂洞開度為8 m，液壓啟閉機工作行程11.3 m，全行程11.6 m，選用CS1102-11600MM-N33/N20-42型靜磁柵開度儀，主要由靜磁柵尺、測量桿、傳感器、接近開關和顯示器組成。開度儀靜磁柵尺為長1 230 mm，最大檢測行程為11 600 mm，防護等級為IP68，分辨率為1 mm，由厚5 mm 鋁合金型材制成腔體，下腔體為電子倉，上腔體為靜磁柵源通槽，由抱箍式安裝座固定安裝在油缸上(見圖1)，同時也用作測量桿分段支撐通道。測量桿為工業級不銹鋼方管定制，長12 990 mm，前部裝有萬向關節軸承，利用抱箍與油缸活塞桿前部連接，工作時隨著油缸活塞桿上下運動，也相對靜磁柵尺上下移動。

圖1 靜磁柵位移傳感器安裝示意

因傳感器安裝處與控制柜顯示器相隔距離較遠，約達100 m，為減少信號衰減，采用RS485通訊方式傳輸，顯示器端為主站，靜磁柵尺為從站，通過屏蔽雙芯通訊電纜傳送給顯示器，顯示器同時輸出一個4～20 mA電流信號到閘門監控系統PLC中AI模塊，經寫入程序將模擬量信號轉換成閘門開度后同步在PLC觸摸屏上顯示(見圖2)。

圖2 靜磁柵開度儀顯示控制器接線

但是，在實際泄洪中，強大的補氣氣流造成開度儀測量桿劇烈擾動，導致開度儀抱箍損毀，測量桿從油缸脫落。經及時發現處理，未影響到正常泄洪。

發現此項缺陷后，經多次研討，最終確定出適應于紫坪鋪工程特殊性的“新型”開度儀和安裝工藝(見圖3、4)，將“改造后”的靜磁柵測量桿通過高強度萬向軸承連接在弧形閘門支臂側面，靜磁柵尺也通過萬向軸承連接在門槽頂部廊道的角鋼安裝底座，測量桿的長度由原來的12 990 mm縮短至3 056 mm，大大減小了受風面與焊接處的承重。閘門啟閉時連動測量桿，行程信號送至獨立顯示器，通過其內置程序進行弧度比例換算到閘門豎直方向位移，并以4～20 mA信號送至PLC。