X型流道泵站液壓啟閉機數字化行程研究

陳 飛 王亞乒 趙宏為

(1.常州市長江堤防工程管理處，江蘇 常州 213127；2.常州市城市防洪工程管理處，江蘇 常州 213127)

在X型流道泵站閘門液壓啟閉機中，行程數據采集方式主要包括以下兩種：一種是通過油缸活塞桿同步帶動鋼絲繩做直線位移轉換成編碼器的旋轉來采集數據；另一種方式是通過油缸活塞桿直線運動表面直接感應采集數據。數據直接感應采集涉及數據的模數轉換、油缸活塞桿運動方向、PLC程序編制等。本文主要研究X型流道泵站閘門液壓啟閉機油缸活塞桿行程數據的表面直接感應采集。

1 數據采集機械結構

X型流道泵站中機組流道分為上下兩層，上層為出水流道，下層為進水流道，見圖1。進出水流道全部淹沒在水中，因此流道閘門以及閘門啟閉機液壓活塞桿也淹沒在水中，若采用鋼絲繩繩拉式編碼器，由于閘門在關閉狀態活塞桿全部伸出，鋼絲繩繩拉式編碼器的鋼絲繩一端固定在閘門上，另一端固定在啟閉機油缸口法蘭處，編碼器的鋼絲繩同活塞桿一起常年浸泡于水中，經過長時間的水流沖擊和腐蝕會產生斷裂，斷裂后會被快速卷進閘門開度結構中，導致開度結構損壞；另一方面如果油缸行程超過5m，鋼絲繩晃動較大，數據波動劇烈，當油缸傾斜或水平安裝時傳感器鋼絲繩會有一定的下垂，影響數據的準確性。因此通過油缸活塞桿的直線運動直接在活塞桿表面感應采集開度數據，可避免以上問題。

圖1 X型流道泵站剖面圖

油缸結構見圖2，閘門開度傳感器安裝在油缸端口法蘭處，下段采用防塵圈密封，因為活塞桿表面與傳感器只有0.2～1.5mm間隙，因此可有效防范防止活塞桿表面異物進入活塞桿與傳感器間隙，活塞桿用45號鋼加工成螺紋狀等距凹凸槽，這些凹凸槽類似于旋轉測速儀上的感應齒輪，是數據采集的第一步，再用高強度、耐腐蝕陶瓷材料噴涂封堵，使得活塞桿表面光滑。

圖2 閘門液壓啟閉機油缸剖面圖

2 數據感應采集

數據傳感器采用的是四元件磁阻傳感器，見圖3，MRA1、MRA2、MRB1、MRB2為感應電阻，當活塞桿上下位移時，凹凸槽經過傳感器，由于活塞桿是45號鋼，具有磁導性，而表面噴涂的陶瓷材料是非金屬材料，無磁導性，這樣活塞桿45號鋼與傳感器磁電阻之間就會形成大小不一的磁場間隙，凸出的地方產生的磁場強，凹進去的地方產生的磁場弱，磁場的強弱變化將造成磁阻電阻的變化，磁阻電阻的變化引起MR電阻兩端電壓的變化，活塞桿上的溝槽為等距離，傳感器就可以通過磁場強弱檢測出活塞桿的溝槽數量，從而轉換成活塞桿的行程。這種形式的行程檢測感應裝置集成于陶瓷活塞桿上，直接檢測出活塞桿的位移，不需通過機械轉換，其檢測不受行程限制，任意行程均可檢測，檢測精度可達到毫米級別，能滿足閘門開度要求，檢測精度取決于活塞桿內凹凸槽排列密度以及傳感器磁電阻的體積大小。

圖3 磁阻傳感器內部電路與PLC計數器接線

3 數據形成及行程脈沖轉換計算

3.1 數據形成

由于活塞桿凹凸槽對傳感器中的磁電阻MRA1、MRA2、MRB1、MRB2產生感應，在磁電阻兩端加上24V直流電壓，就會在兩組磁電阻輸出的a點和b點產生兩組正弦半波，見圖4，兩點波形峰值很小，為模擬量，達不到PLC計數器脈沖接受要求，a、b兩通道信號需經過LF356信號運算放大器進行信號放大，放大后的波形進入單穩態觸發器74lS121，進行脈沖觸發與脈寬調整，形成數字信號，由集成塊的第6個腳輸出，得到圖4中的兩組脈沖方波。

閘門啟閉有上升和下降兩個方向，因此須使用兩組磁電阻，先后布置，對活塞桿表面順序感應，產生兩組相差90°相位角方波。傳感器A通道脈沖超前B通道脈沖90°，此時閘門升上；當閘門下降時，傳感器B通道脈沖超前A通道脈沖90°。PLC計數器通過產生90°相位差的先后順序來判斷計數器脈沖是增加還是減少，見圖4。

圖4 磁阻式傳感器輸出脈沖波形

3.2 行程脈沖轉換計算

泵站閘門控制以PLC為例，計數器型號為TSXCTY4A，接口接線形式見圖3，一組24V直流電源輸入，兩組脈沖方波輸入為六線制。計數脈沖數與油缸活塞桿位移行程實際值轉換計算方法如下：用鋼卷尺從傳感器防塵圈處，順著活塞桿垂直向下測量1m處用記號筆做好記號，然后提升閘門，標記隨著活塞桿上升，待標記上升到傳感器防塵圈處時，暫停升閘，此時通過PLC計數器讀數，若計數器脈沖計數顯示值為500，說明油缸活塞桿位移1m行程有500個凹凸槽，經傳感器產生了500個脈沖方波信號被PLC計數器采集，最后得出計數器1個脈沖信號等于油缸活塞桿位移動2mm。

4 閘門開度PLC程序編制

閘門開度PLC程序見圖5，使用PLC加減計數器指令CTUD來執行，IO.1與IO.2分別取自于傳感器AB相脈沖，P為正轉換感應觸點，當閘門上升時，A相脈沖IO.1高電平，通過CU加計數，CV數值增加；當閘門下降時，B相脈沖IO.2高電平，通過CD減計數，CV數值減少。PV是設定數據上限值，當CV的數據等于PV設定值時，QU輸出高電平導通C0，假設閘門開度最大為4m，根據實際值與脈沖數換算為2000，只要在PV處寫入2000，就表示閘門最大開度為4m。按開閘按鈕X02導通，開閘線圈C1導通，閘門上升，計數器CTUD開始計數，當計數器CV計數值達到PV設定值2000(4m)時，QU輸出高電平，CO線圈得電，CO的常閉觸點CO斷開，開閘線圈失電，停止閘門上升，起到閘門開度數字限位作用。實際開度值可通過觸摸屏程序輸入CTUD的CV地址進行脈沖變量轉換后在屏幕上顯示，或者通過組態軟件在電腦上顯示。

圖5 閘門開度PLC程序

在X型流道泵站，泵站閘門起著快速斷流和工況切換的控制作用，因此閘門在泵站機組運行中的當前位置非常重要，要實時監視閘門的開度值，確保閘門的開度符合機組運行要求。油缸液壓系統在運行中可能會出現內部液壓油泄漏或者管路泄漏現象，導致閘門油缸活塞桿下滑，從而導致機組運行中流道被關閉或遮擋，產生機組安全隱患。以上問題，需在PLC里寫入告警程序，利用CTD減計數器指令控制，CD接收B通道下降脈沖數時，由于串入了開閘和關閘線圈C1和C3的常閉觸點CI和C3，所以只有在閘門停止時CTD才啟動，若閘門設定下滑50cm告警，根據實際值與脈沖數換算為250，在PV處寫入250，閘門開或關時，常開觸點CI和C3導通，將PV的值250賦值于CV，當閘門下滑時，B通道下滑脈沖數輸入CD，CV250開始減數，減到0(50cm)時，C2線圈導通，輸出告警信號，而每次閘門開或關動作后，CV里的數據會被LD重新從PV 里的數據覆蓋恢復。

5 運行中存在問題及改進技術

以上通過油缸活塞桿做直線位移數據采集，磁感應編碼器是一種增量編碼器的運用，增量編碼器在測量過程中如遇停電會發生數據丟失，需要重新確定基準位置，因為油缸活塞桿表面凹凸槽在任何位置都是完全相同的，傳感器不能識別位置，只能發出脈沖，因此當系統停電時，油缸活塞桿行程大多數情況會產生下滑，此時的下滑行程不會被捕捉，將導致數據產生累積誤差；另一方面閘門開度值會出現負數，當PLC失電時，工作人員如果手動開閘，若閘門實際位置為開啟3m，當PLC得電啟動后，此時再關閉閘門就會出現負值，閘門關閉到底會顯示為-3m，此時必須在PLC里設置數據清零程序，執行清零程序后，油缸活塞桿位置與計數器同步，或者在PLC失電的情況下將閘門先關閉到底后再進行PLC通電；另一種方法是使用絕對編碼器，絕對編碼器是通過讀取光碼盤來獲取數據，光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線等編排，這樣編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，就會對應一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進制編碼，這就稱為n位絕對編碼器，這樣的編碼器是由碼盤的機械位置決定的，不受停電、干擾的影響，絕對編碼器由機械位置決定每個位置的唯一性，無須記憶，無須找參考點，而且不用一直計數，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置，但是此類編碼器用于泵站閘門時只能通過鋼絲繩拉線旋轉來驅動，這種形式可以在室內小型液壓啟閉油缸上使用。

綜合考慮以上問題，可以利用條形碼測距方法進行測量，把二進制數進行條形編碼，首先將活塞桿從上到下進行檢測區分區，在每個區段內都設置一組條形標記碼，這組標記碼可以由傳感器識別并且轉換成一組唯一的編碼，利用傳感器讀取當前位置的編碼標記，然后通過對傳感器采集到的編碼進行解碼識別，得到傳感器所處區段和傳感器相對所處區段的位置偏移量，再將傳感器所處區段結合傳感器相對所處區段的位置偏移量，即可得出傳感器當前的絕對位置。這種方法是參照絕對編碼和條形碼的有關技術提出的一種使用直線編碼檢測位置的新技術，根據使用范圍采取不同長度的編碼，運用編碼原則，當編碼長度達16位時，編碼可以覆蓋的檢測長度可達數千米，這種技術可有效解決失電等問題。

6 結 語

本文以X型流道泵站閘門液壓啟閉機為例，分析X型流道泵站閘門的開度數據采集原理及處理過程，體現閘門啟閉機油缸活塞桿數字化技術在泵站中的應用，為泵站閘門開度數據采集奠定基礎，同時數字化也是水利信息化的一種體現，可以提高信息采集、傳輸的時效性和自動化水平，是水利現代化的基礎和重要標志。