基于PSD傳感和視頻圖像技術的人字閘門合攏對中狀態監測裝置研制

楊全林　高術　金俊

摘 要：以三峽船閘人字閘門合攏對中狀態為研究對象，應用PSD光電位移傳感技術和視頻監控技術，確立了基于PSD傳感技術的人字閘門門縫、錯位檢測方案和基于視頻圖像技術的人字閘門合攏對中監控方案，完成了監測裝置的研制安裝和調試試用。通過設備調試和試用：人字閘門門縫、錯位檢測誤差均小于10%，滿足人字門功能使用需求;人字閘門門縫、錯位檢測值信號實時傳輸至現地和集控系統;人字閘門合攏對中視頻信號實時傳輸至集中監控系統;門縫、錯位過大時，集控系統報警提示及時準確。

關鍵詞：人字閘門;PSD;視頻監控;門縫錯位;合攏對中

中圖分類號：U641? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）01-0021-03

船閘人字門“對中”，是人字型閘門特有的運行工藝要求。它是指兩扇閘門圍繞各自門樞運行至關終停機位后，相對位置必須基本一致，以保證兩扇門體合攏承壓時形成良好的受力三鉸拱，滿足船閘安全運行。因此，人字型閘門對中狀態的好壞直接關系到船閘運行安全[1]。圖1以三峽船閘南線下行關三閘首、一閘首人字門為例，當三閘首、一閘首人字門“對中”狀態不佳時，二閘首會緊急關閥，船閘運行會中斷運行。由于三峽船閘閥門運行水頭高、緊急關閥時開度較大，二閘首緊急關閥會給船閘運行帶來閥門井涌水、存在損壞船閘設備等安全風險。

目前，三峽船閘的人字門“對中”狀態檢測主要通過閘門關終開關和合攏開關來檢測定位人字閘門是否有效對中[2]，當其中一種開關信號不能有效到來或者丟失則認為船閘未有效“對中”。由圖1可知，采用合攏開關監測“對中”情況主要是事后檢測，有一定的滯后性，技術缺點較明顯。隨著技術的發展，激光測距等“對中”狀態檢測裝置也在船閘閘門對中狀態檢測中有一定探索和運用，如葛洲壩船閘采用的激光測距人字門合攏對位檢測裝置，以反射板反射的電流信號轉化為人字門門縫、錯位，這種方式在信號傳輸過程中損耗嚴重，且人字門區域結構復雜，易造成門縫、錯位信號誤報。以上這些技術都有各自的局限性和不足，亟待對其進行改進或者研制新型人字閘門對中狀態綜合監測裝置。

本文所研制的船閘人字門合攏對中狀態監測裝置，包括基于PSD光電傳感的人字門門縫、錯位檢測裝置和基于視頻圖像的人字門合攏對中監控裝置，綜合檢測船閘人字門門縫、錯位情況和合攏對中狀態。

1 基于PSD光電位置傳感檢測方案

1.1 PSD光電位置傳感器原理

PSD[3]（Position Sensitive Detectors）是一種能測量光點在探測器表面上連續位置的光學探測器。PSD由P襯底、PIN光電二極管及表面電阻組成。與CCD探測器相比，PSD有諸多優點，如位置分辨率高，響應速度快和處理電路簡單等。另外，位置信號與落在探測器上的光斑形狀無關。

如圖2中所示，當一束光落在一維PSD 上，相應于光能量的電荷在入射點產生，電荷通過P型電阻層被電極收集。P型層是均勻一體的電阻層，被電極收集到的光電流與入射點和電極間距成反比。

I1和I2是電極的光電流，L和I0分別代表電極間距和總光電流。由此可得出如下公式：

當PSD幾何中心設定為坐標原點：

當PSD一端設定為坐標原點：

由公式（3），（4），（7），（8）可以得出：不同的光電流比率對應于不同的與光能量無關的入射光點位置。將產生的光電流比率值經直流處理電路[4]處理，如圖3所示的PSD非調制信號處理板，即可得到精確的位置信號。

1.2 人字閘門門縫、錯位檢測方案

本文研制的人字閘門門縫、錯位檢測裝置包括分別安裝在兩扇人字門體上的槽鋼基座、激光光源、兩個PSD位置傳感器、設備電源、位移信號處理板、CP341和擋雨罩等。其中，PSD位置檢測裝置相關設備及其布置圖如圖4所示，PSD光電位置檢測板布置圖如圖5所示。

如圖4所示的人字閘門門縫、錯位檢測裝置中，槽鋼基座是帶多個跑馬眼的設備安裝基座，通過調整監測設備的安裝位置可適應不同現場安裝環境的需要。激光光源是一種遠距離照射的十字光標光源，光標打在兩塊空間垂直布置的PSD位置傳感器上形成位移信號，經信號調制分別實時反映船閘人字門門縫、錯位情況。所述的位移信號處理板包括PSD位移信號處理電路和PSD非調制信號處理板，將PSD板位移信號處理調制為所需電流信號。所述的CP341模塊是西門子公司提供的可通過Dongle（硬件狗）擴展該協議的Modbus 從站，實現Modbus RTU通訊。信號處理板與CP341模塊通過R485電纜連接通訊。如圖5所示的PSD光電位置檢測板將船閘人字門門縫、錯位量經位移信號處理板以電流信號形式，通過RS485電纜傳遞到現地CP341模塊及現地PLC系統，并傳遞到集控單元系統。

人字閘門監測過程如圖6所示，船閘人字門關門過程中，閘門開度到達設置的檢測開始位時系統得電，PSD位移傳感器、激光光源、攝像頭開啟并開始檢測。PSD位移傳感器將檢測到的門縫、錯位信號傳送至現地機房和集控單元，攝像頭將合攏對中視頻信號傳送至集中監控系統。在集控單元的人字門門縫、錯位值過大時集控報警系統立即報警提示。在船閘人字門開門過程中，閘門開至離開檢測位時系統失電，PSD位移傳感器、攝像頭停機并停止檢測。

2 視頻圖像監控方案

三峽船閘人字門合攏對中監控時段主要集中在人字門關門行程末期直至相鄰閘首輸水初期。這個階段，集控人員要能通過監控畫面實時監控到人字門的運行情況：人字門導輪、導卡是否能正常進入對中狀態、人字門門縫和錯位情況是否正常。

本文研制的視頻圖像監控系統（如圖7所示）是基于視頻數字化和以太網傳輸的數字化監控系統，它將現場視頻圖像信息以光纖作為傳輸媒介，傳輸至現地機房光端機和集中控制系統光端機，再經矩陣切換器分別切換到錄像機、監視器和DLP大屏。本文能有效避免人字閘門現場復雜惡劣環境的采用的攝像頭是帶防雨功能的高清攝像頭[5]影響。光纖視頻監控系統克服了目前監控網絡結構復雜、機房或交換機分散的缺點。對離監控中心機房布線距離較大的視頻監控點采用光纖作為傳輸介質，使接入距離幾乎不受限制。對傳輸環境較為惡劣的場合，如存在電磁場信號干擾的場合，能有效克服電磁場干擾。

3 方案實施

人字閘門合攏對中狀態監測裝置實施方案如圖8、圖9所示，一扇人字閘門上安裝十字光標光源，另一扇人字閘門上安裝兩塊一維PSD位置檢測板，分別接收十字光標的其中一束光源產生位置信號，分別反映人字閘門門縫、錯位情況，攝像頭同時實時監視人字閘門合攏對中狀態。

將人字閘門合攏對中狀態監測裝置現場安裝和調試試用，得到門縫、錯位實際測量值和系統顯示值，其數值記錄和分析對比如下表1。

由表1可以看出，所研制的人字閘門門縫、錯位檢測裝置檢測誤差均小于10%，滿足人字門測量精度和功能使用需求。

4 結論

本文所述研制的基于PSD傳感技術和視頻圖像技術的人字閘門合攏對中狀態監測裝置，經設備調試并投入試用：

（1）人字閘門門縫、錯位檢測誤差均小于10%，滿足人字門功能使用需求;

（2）人字閘門門縫、錯位檢測值信號實時傳輸至現地和集控系統;

（3）人字閘門合攏對中監視視頻信號實時傳輸至集中監控系統;

（4）門縫、錯位過大時，集控系統報警提示及時準確。

參考文獻：

[1] 丁益，程細得等.提高三峽船閘運行效率的船閘過閘方式研究[J]. 人民長江， 2015，46（4）：63-66.

[2] 鈕新強，童迪.三峽船閘關鍵技術研究[J]. 水力發電學報， 2009，28（6）：36-42.

[3] 段潔，孫向陽等.PSD在激光位檢測系統中的應用研究[J]. 紅外與激光工程， 2007，7（36）：281-284.

[4] 何敏，劉榮，閔銳. 位置傳感器PSD的應用電路設計[J]. 電子測量與儀器學報， 2009，13（1）：323-326.

[5] 李明.視頻采集技術發展趨勢[J]. 技術與應用， 2008，6（1）：46-53.