數字型閘門開度控制儀的研制與應用

(如皋市焦港閘管理所，江蘇 如皋 226500)

1 工程概況

如皋市焦港閘是2012年利用連申線擴大焦港河引江能力而擴建的水閘工程。焦港閘共有5孔，總凈寬44m；最大引潮流量497 m3/s，排澇流量242 m3/s。焦港閘采用卷揚式啟閉機，升臥式閘門，其中中孔凈寬12m，閘門自重39.70t，邊孔凈寬均為8m，閘門凈重26.50t。

2 閘門啟閉運行控制情況

焦港閘閘門啟閉自動化控制系統與水閘建設同步完工，2013年3月，正式投入運行。閘門開度控制分為開度數據采集和限位控制兩個部分。開度數據采集是在啟閉機上安裝有開度數字傳感器，將數據讀入可編程邏輯控制器(PLC控制系統)，供上位機采集、顯示。而閘門的位置控制是利用安裝于啟閉機上的3只行程開關來實現，3只行程開關分別控制閘門的上限、下限和擱門點。閘門啟閉操作是由上位機向安裝于現地控制柜內的PLC控制系統發出升、降指令，PLC控制系統根據閘門所處的上限、下限、擱門位置，發出電機正反轉控制信號。

3 存在的主要問題

自動化控制系統經過一年多運行，存在以下問題：?開度數字傳感器內置電池失效，導致閘門開度數據丟失，傳感器上電清零，不能反映閘門開度真實情況；?啟閉過程控制未實現數字化，依靠機械式行程限位開關，精度較差，經常會出現擱門位置不準，導致閘門擱置失靈擱不住、擱門器不能解鎖、鋼絲繩松馳脫移卷揚機滾筒等事故隱患；?常出現擱門器單側解鎖現象，導致閘門傾斜于門槽內的事故經常發生。上述故障導致閘門啟閉存在重大安全隱患。

4 解決問題的策略

為了減少事故隱患，提高工程安全防范水平，減輕操作人員勞動強度，必須采取有效技術手段，來提高閘門啟閉的安全性、可靠性。

閘門啟閉過程：當閘門開啟時，需先經過擱門器上升到一定高度，再下降閘門使其擱置到擱門器上，并使鋼絲繩處于放松不受力狀態。當需關閉閘門時，需先提升閘門使其完全脫離擱門器，再下降閘門，閘門關閉到位后閘門垂直停置于閘門槽內，使鋼絲繩處于放松狀態。升臥式閘門運行軌跡示意圖如圖1所示。

圖1 升臥式閘門門運行軌跡示意圖

整個閘門運行過程中需經歷擱門前、擱門停機點、擱門到位點、擱門解鎖位、上限位、下限位等閘門控制點位。要正確地控制好閘門啟閉行程，實現閘門完美擱門，擱門器安全解鎖，及上、下限精準停機，就必須控制好運行過程中的各個關鍵點。點多精度要求高，顯然傳統的行程限位開關不能滿足控制要求。

為了確保升臥式閘門啟閉控制運行可靠性，排除啟閉隱患，必須提高閘門啟閉開度控制精度。經過深入研究，在擺脫行程限位控制模式的基礎上，研制一種集開度數據采集、顯示、控制、通訊于一體的閘門開度控制儀，實現閘門運行過程實時顯示和關鍵點精準控制。

5 數字型閘門開度控制儀研制方案

5.1 開度儀工作原理

通常情況下，升臥式閘門配備卷揚式啟閉機，電機通過變速箱帶動卷揚滾筒旋轉，再通過鋼絲繩拉動閘門啟閉，電機的旋轉與鋼絲繩的長度成線性關系，間接反映閘門開度，在電機部位安裝傳感器檢測電機運轉狀態，就能計算出閘門開度數據。閘門開度控制儀框架如圖2所示。

圖2 閘門開度控制儀框架

5.2 閘門開度控制儀構成

為確保閘門開度數據的實時性、控制的可靠性，開度控制儀選用先進可靠的STC單片機為控制核心，設置LED數碼顯示窗口，實時直觀顯示閘門開度數據和過程控制數據。同時，通過RS485端口，接收PLC數據查詢，上傳至上位計算機。電機運轉時，開度儀對開度數據進行分析，根據預先設置的開度控制相關點數據發出相應的狀態信號給PLC控制系統，PLC控制系統根據狀態信號向電機控制接觸器發出升降命令。閘門升、降到關鍵控制點時，開度儀發出信號，直接停止電機運轉。

5.3 閘門開度控制儀參與啟閉控制過程

升閘過程：當上位計算機發出開啟閘門信號時，PLC控制系統控制電機上升，當閘門上升經過擱門器，至擱門器剛剛落下時，開度儀發出停機信號，電機停轉，接著PLC控制系統發出下降命令，閘門開始下降，當閘門下降擱置到擱門器上，使鋼絲繩處于不受力狀態時，開度儀再次發出停機信號，電機停轉，升閘操作過程結束。

閉閘過程：當上位計算機發出關閉閘門信號時，PLC控制系統首先控制電機上升(而不是下降)，閘門上升一定高度，擱門器解鎖，開度儀發出停機信號，電機停轉，接著PLC控制系統發出下降命令，閘門下降，直至關閉到位，開度儀再次發出停機信號，電機停轉，結束閉閘過程。

5.4 閘門開度控制儀性能參數及應用范圍

性能參數：顯示、控制分辨率為1cm；測量控制范圍-9.99～29.99m；控制精度±1cm；通訊方式RS485，采用Modbus通訊協議;通訊波特率可設置級，默認9600bps；通訊地址可設置為1-99；所有控制點參數均可設置；斷電數據保持，數據異常提醒。

應用范圍：凡是電機運轉與閘門開度為線性關系的啟閉機均可適用，包含各類卷揚式啟閉機和螺桿式啟閉機。對于液壓式啟閉機僅需更換傳感器樣式，主機通用。

6 閘門開度控制儀應用效果

閘門開度控制儀，自2015年初研制成功安裝至焦港閘自動化控制系統中，實現了閘門開度各控制點的數字化，其與PLC控制系統和上位機，完全替代原系統開度傳感器和機械式限位開關相結合的控制方式。閘門開度控制儀自正式投入運行至今已有兩年多，運行十分可靠，控制精度高，完全滿足升臥式閘門啟閉全過程的精準控制要求。