靜磁柵行程傳感器在大Ⅰ型弧型水閘控制改造中的應用

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,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、檢修閘門等設備進行了升級改造,但因卷揚啟閉機啟停特點和鋼絲繩固有的物理形變,在日常提閘落閘操作時,卷揚機連接的旋轉式開度儀測量誤差較大,只能通過人工到閘墩附近讀取側壁開度尺獲得閘門開度值。人工讀取開度存在誤讀、規程繁瑣和安全隱患等不利因素。針對該問題,經過技術調研以及對國內外應用情況的了解,采用靜磁柵行程傳感器等技術,對開度傳感器進行改造,從而實現對水閘自動化控制改造的目標,使得閘控業務更高效,管理更科學和更精細。靜磁柵閘門開度儀是在消化吸收先進磁位移傳感器技術的基礎上研制的新型開度儀,具有精度高、絕對值、量程大、抗惡劣環境和維修保養方便等優點,相對于傳統的閘門開度儀有其特有的優點可有效解決傳統的閘門開度儀的不足。

1 水閘控制改造概述

該工程由水閘現地改造、管理站遠程操控改造、分中心和調度中心狀態查詢四部分組成,工程邏輯結構（見圖1）。

圖1 項目工程邏輯結構圖

1.1 水閘現地改造

采用靜磁柵式傳感器、現地閘控、視頻監視等技術,分別對17孔閘門安裝靜磁柵行程傳感器、現地控制柜、攝像機等,實現閘門開度精準檢測和閘門現地精準操控。

1.2 管理站遠程操控改造

采用計算機網絡、PLC、遠程閘控、網絡隔離等技術,配置工控服務器、工控工作站、工控交接機、網閘、電視、網絡版組態和閘門遠控軟件等,建立連17孔閘門PLC控制器的工控網絡,并與辦公邏輯隔離；實現閘門遠程精準操控,以及自動編制閘門流量統計報表和自動上傳閘門運行數據至調度中心雨水情數據庫。采用視頻監控技術,配置硬盤錄像機、電視等設備,依托辦公網絡,建立連17孔閘門攝像機的視頻監視網絡,實現提閘落閘過程中閘門開度的視頻驗證和視頻業務數據存貯。

1.3 分中心和調度中心狀態查詢

采用Web技術,依托調度中心雨水情數據庫,實現閘門運行狀態和閘門流量統計報表的查詢。

2 靜磁柵行程傳感器安裝技術

2.1 靜磁柵行程傳感器性能特點

靜磁柵行程傳感器是外置剛性結構和絕對編碼型的新型閘門開度檢測設備,主要由靜磁柵位移傳感器和安裝輔件構成。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下相對運動,由靜磁柵尺輸出準確的位移信號（見圖2）,測量范圍0～30 m。檢測精度可達±0.1 mm,輸出模擬量4 mA～20 mA、16位并行數字、數字化SSI位移等多種信號。該技術目前多用于液壓式啟閉機,液壓式啟閉機可以將靜磁柵尺平行于液壓缸設置,易于安裝,結構穩定,開度比例適合。

圖2 靜磁柵位移傳感器結構示意圖

2.2 靜磁柵行程傳感器安裝技術

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的工作方式。設備安裝包括安裝位置設計,下支架、測量桿套件和上支架安裝,以及與現地控制柜顯示儀表和PLC控制器的連接。

2.2.1 安裝位置設計

結合該攔河閘物理結構特點,卷揚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,通過調整上下支架位置,確保靜磁柵尺的移動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構,增強抗擾能力。最后,為了滿足閘門7.5 m的最大開度,靜磁柵尺設計沒有采取傳統的垂直安裝方式,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計

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3倍、2 m～3 m時5倍、3 m～7.5 m時20 倍。弧門旋轉49.22°時閘門開度為7.5 m（檢修位）,靜磁柵尺數據為工作行程（1750）+零位行程（0～20 mm）。

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

2.2.2 下支架安裝設計

根據安裝位置設計,在閘門全關狀態下,從閘門兩支臂中心交點處沿邊緣量取尺寸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計

焊接工藝：為了不損傷閘門支臂的設計強度,保證下支架與閘門支臂牢固連接,在進行現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,當閘門需要檢修全提出水面,超出行程范圍時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計

將測量桿與安裝架在平地上組裝在一起,檢查支臂傳感器數據是否正常,在0點位做上標記。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節軸承,再緩慢放下,將關節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計

2.2.4 上支架安裝設計

移動上支架,讓支臂傳感器垂直放置,在閘墻上做上記號。再向右水平移動1132.5 mm,此時已到達上安裝架橫向安裝位。緩慢移動上安裝架垂直高度,當套管移動到測量桿標記0點標記時（見圖6左）,用顯示儀表連接靜磁柵行程傳感器,微調上安裝架位置,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,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錨栓的固定方式。

圖6 靜磁柵行程傳感器與上支架安裝設計

2.2.5 現地控制柜和PLC控制器的連接

靜磁柵行程傳感器以Modubus-RTU協議方式輸出SSI位移信號至RS485分配器,RS485分配器分別輸出至現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地柜儀表和PLC控制器連接邏輯圖

2.3 閘門開度精準檢測技術

在弧形閘門處于檢修狀態時,分別用顯示儀表連接每孔閘門的靜磁柵行程傳感器,通過現地控制柜或PLC控制有規律地提閘落閘,記下每孔閘門每次靜磁柵輸出行程值（精度0.1 mm）和對應的閘門開度值（精度1 mm）數據,運用二維曲線函數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學模型,把該數學模型集成到閘門現地控制柜儀表或PLC控制器軟件中,即實現了提閘落閘閘門開度的精準檢測。如9#閘門的二維曲線數學模型如下：

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學模型驗證過程數據（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列是閘門開度實測值Y,第4列是數學模型擬合閘門開度值Y,第5列是閘門實測開度值與數學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學模型驗證數據

3 靜磁柵行程傳感器的應用

3.1 閘門開度現地操控

提閘落閘時,閘門支臂弧線運行帶動靜磁柵沿弧形運動,同時靜磁柵尺輸出閘門支臂準確的位移信號至現地控制柜顯示儀表,顯示儀表通過閘門開度數學模型實時計算閘門開度值并顯示；工作人員依據顯示儀表上閘門開度值,運用提閘、落閘等操控按鈕和電源、故障、提到位、落到位等閘門狀態提示來實現閘門現地精準操控（見圖8）。

圖8 閘門現地控制柜功能布局

3.2 閘門開度遠程操控

提閘落閘時,閘門支臂弧線運行帶動靜磁柵沿弧形運動,同時靜磁柵尺輸出閘門支臂準確的位移信號至PLC控制器,PLC控制器通過閘門開度數學模型實時計算出閘門開度值；工作人員運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現閘門起落（見圖9）；同時,根據閘門開度值,運用閘門開度流量數學模型實時計算出當前閘門開度流量和每小時的累計水量。

圖9 閘門遠程操控軟件功能布局

3.3 閘門開度視頻驗證

提閘落閘時,通過調取閘門視頻攝像機信號,實時觀測閘門升運行、降運行狀態（見圖10左）和閘墩側壁閘門開度尺（見圖10右）,以驗證靜磁柵行程傳感器工作狀態。

圖10 閘門運行狀態和閘門開度視頻驗證

4 結論

通過對大Ⅰ型水閘17孔弧型閘門應用靜磁柵行程傳感器技術改造并進行開度精準檢測后,閘門精準操控可行穩定,完全滿足自動化控制要求。文本摸索總結出靜磁柵行程傳感器在弧型閘門中的應用存在問題、解決方法和安裝技術,是在北方地區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檢測和閘門精準操控提供技術參考和方法借鑒。同時對實現閘門開度精準檢測、閘門現地或遠程精準操控、工控網與辦公網邏輯隔離以及閘門操控視頻驗證都具有重要的實踐意義。