位移傳感器在多泥沙水電站門機水下液壓抓梁系統中的應用

張建國

【摘 要】通過磁致伸縮線性位移傳感器及DP通訊技術的研究，探索線性位移傳感器在多泥沙水電站門機水下液壓抓梁系統中的應用，建立一套便于操作人員全行程監視門機抓梁在水下就位及穿脫銷情況的可視系統，保證門機安全可靠運行。

【關鍵詞】磁致伸縮線性位移傳感器；DP通訊技術；可視系統

前言：

梨園水電站位于云南省麗江市玉龍縣（右岸）與迪慶州香格里拉縣（左岸）交界的金沙江中游河段，是以發電為主，兼顧防洪等綜合利用的水利水電樞紐工程。該河段汛期（6～10月）平均懸移質輸沙率2076kg/s，沙量2744萬t，汛期沙量占全年的97.3%，汛期平均流量2520m3/s，汛期含沙量0.823kg/m3，屬于多泥沙流域水電站，環境條件較為惡劣。

梨園水電站共4臺機組，額定發電出力為600MW/臺，設8孔8扇尾水檢修閘門，啟閉設備為2×1250kN的尾水單向門機，總起升高度為60m，軌上起升高度11.5m，起升機構配置液壓自動抓梁1套，用于水下提起尾水檢修閘門。液壓自動抓梁選用目前較為常用的普通傳感器，該類傳感器工作不穩定且容易損壞，操作人員僅能通過司機室指示燈或電流表指針的細微變化來判斷抓梁水下就位及穿脫銷情況。而當水下起吊閘門時，抓梁入水深度超過40米，需承受水壓、水下紊亂水流沖擊及多泥沙的惡劣環境，操作人員無法直觀判斷抓梁水下就位及穿脫銷情況，而且此類傳感器還存在誤報信號的可能，進而導致操作人員判斷錯誤，造成閘門無法正常吊出的安全事故。本文提出的磁致伸縮線性位移傳感器及DP通訊技術的應用可以很好的解決上述問題。

一、磁致伸縮線性位移傳感器

磁致伸縮線性位移傳感器由兩部分組成：一部分是套有活動磁鐵的測量桿；另一部分是位于測量桿上端的測量電路。磁致伸縮位移傳感器主要包括以下幾部分：波導絲、保護管套、移動磁鐵、電路板部分。測量管是整個傳感器的核心傳感部分，這一部分又包括：偏置磁鐵、波導絲、保護管套、末端衰減阻尼裝置、非接觸磁環、轉換器輸出。

當其工作時，由電子倉內電子電路產生一起始脈沖，此起始脈沖在波導絲中傳輸時，同時產生了一沿波導絲方向前進的旋轉磁場，當這個磁場與磁環或浮球中的永久磁場相遇時，產生磁致伸縮效應，使波導絲發生扭動，這一扭動被安裝在電子倉內的拾能機構所感知并轉換成相應的電流脈沖，通過電子電路計算出兩個脈沖之間的時間差，即可精確測出被測的位移和液位。該產品主要應用于要求測量精度高、使用環境較惡劣的位移和液位測量系統中。具有精度高、重復性好、穩定可靠、非接觸式測量、壽命長、安裝方便、環境適應性強等特點。它的輸出信號是一個真正的絕對位置輸出，而不是比例的或需要再放大處理的信號，所以不存在信號漂移或變值的情況，因此不必像其它液位傳感器一樣需要定期重標和維護。也正是因為它的輸出信號為絕對值，所以即使電源中斷重新接通也不會對數據接收構成問題，更無須重新歸回零位。

此類傳感器主要技術性能為：

（1）、耐水壓：20個大氣壓；（2）、量程：0-1000mm；（3）、分辨率：0.1mm；（4）、系統綜合誤差：小于1mm；（5）、位移傳感器輸出信號：4-20mA；（6）、位移傳感器供電電源：DC24V；（7）、位移信號顯示記錄儀表供電電源：AC220V。

由此可見，此類傳感器能夠很好地滿足多泥沙水電站門機水下液壓抓梁系統的使用需求。

二、PROFIBUS—DP通訊技術

Profibus是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準，是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術，可實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案，廣泛適用于制造業自動化、工業自動化和電力等其他領域的自動化。

DP用于現場層的高速數據傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。總線循環時間必須要比主站（PLC）程序循環時間短。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設備所需的非周期性通信以進行組態、診斷和報警處理。

傳輸技術：RS-485雙絞線.雙線電纜或光纜。波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s。

通信：點對點（用戶數據傳送）或廣播（控制指令）。循環主-從用戶數據傳送和非循環主-主數據傳送。

設備類型：第一類DP主站（DPM1）是中央可編程控制器，如PLC.PC等。第二類DP主站（DPM2）是編程器.組態設備或操作面板，在DP系統組態操作時使用，完成系統操作和監視目的。DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發送的外圍設備（I/O設備.驅動器.HMI.閥門等）。

Profibus-DP 的協議結構由物理層，現場數據鏈路層（ FDL），直接數據鏈路映像層（DDLM）還有一個用戶層構成。DP 只采用了 FDL 和 FMAl/2（Fieldbus Management Layer1/ 2）的服務。用戶接口層為用戶層提供了一個向下的接口，DDLM 層主要就是給用戶層或用戶接口層和 FDL 提供一個接口。Profibus-DP 中除了主站和從站之間的數據交換，還可以實現主站之間的通信，即 2 類主站和 1 類主站之間的診斷信息的傳輸。

1 類主站和從站的通信可以通過用戶接口來實現，主要是進行數據交換，它們之間實現以下功能：

讀DP從站的診斷信息

循環的用戶數據交換模

參數化與組態檢查

提交控制命令

2 類主站和從站之間主要是監控關系，實現如下功能：

讀DP從站的組態

讀輸入/輸出值

對DP從站分配地址

通過主站與主站、主站與從站之間的通信連接，Profibus-DP通信可以滿足門機現場數據傳輸及開關量故障診斷監視，保障可視系統安全可靠運行。

三、系統設計

考慮現場實際情況，操作人員可在司機室通過控制面板對門機抓梁就位、穿脫銷到位情況進行實時監控，同時對門機夾軌器、安全制動器、工作制動器、各電源空開、行走起升速度等開關量信號進行檢查，快速診斷故障點，所以對系統設計如下：

采用一個一類主站（DPM1）即CPU、一個二類主站（DPM2）即控制面板、相應的DI/DO/AI模塊作為從站的系統設計。

該系統可保證操作人員通過控制面板實時全行程監視抓梁水下就位、穿脫銷到位情況，同時對門機系統各開關量進行監控，快速診斷故障點，保證門機可靠運行。

四、設備配置

該套系統經梨園水電站尾水門機安裝試驗后，實驗效果良好，門機運行正常，穿脫銷可全行程監測，故障診斷快速有效，保證了門機的可靠運行。該套系統主要包含：PLC（電源模塊、CPU、DI/DO模塊、AI模塊）、水密控線盒、穿脫銷同步位移傳感器、下降就位同步位移傳感器、水密插頭插座、防水耐承吊電纜、控制面板（6AV2124-0GC01-0AX0）、DP通訊線。

五、結語

門機作為特種設備，其安全運行關系重大，梨園電站地處金沙江中游，全年大部分時間江水泥沙含量較大，運行環境惡劣，該套系統的應用將著力解決門機在水下起吊閘門時操作人員無法準確直觀判斷抓梁就位、穿脫銷到位這一現實問題，為日后其他同類型門機改造或設備合同談判時明確設備類型提供參考。

【參考文獻】

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