船閘人字閘門開度儀的故障分析與處理

柏 雪

（長江三峽通航管理局，湖北宜昌 443000）

0 引言

某單級船閘采用機械四連桿機構(gòu)人字閘門啟閉機，該控制系統(tǒng)由冗余PLC 系統(tǒng)、變頻旁路雙回路、觸摸屏操作站以及傳感器等設(shè)備構(gòu)成。傳感技術(shù)在其控制領(lǐng)域有十分廣泛的應(yīng)用，PLC 控制系統(tǒng)依靠傳感器的檢測輸入與工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)人字閘門的遠程、現(xiàn)地操作和監(jiān)控功能。所以對人字閘門控制系統(tǒng)相關(guān)傳感器的研究與故障處理對船閘運行可靠性和安全性有重要意義。

1 船閘人字閘門位置檢測裝置現(xiàn)狀分析

船閘人字閘門的位置傳感器主要分布在頂樞處和人字閘門機架處，主要由行程限位開關(guān)、極限開關(guān)和開度儀組成。

1.1 行程限位開關(guān)

行程限位開關(guān)是船閘中確保人字閘門開門關(guān)門準確停機的重要傳感器，為確保人字閘門開關(guān)門的可靠性，船閘在頂樞安裝有接近感應(yīng)式行程開關(guān)，人字閘門機架上安裝機械觸碰行程開關(guān)，這兩個行程開關(guān)互為冗余。主要以接近感應(yīng)式行程開關(guān)進行發(fā)訊，機械觸碰式行程開關(guān)作為保護發(fā)訊。當一只行程開關(guān)出現(xiàn)故障時，另一只開關(guān)可以正常工作，確保人字閘門開關(guān)門可靠性。

某單級船閘人字閘門頂樞處使用施耐德XS1 N30PA349電容式接近開關(guān)，測量原理為開關(guān)構(gòu)成電容器的一個極板，另一個極板為接地外殼，當物體接近感應(yīng)開關(guān)時，會導致電容介電常數(shù)變化，使電容量發(fā)生變化，開關(guān)電路狀態(tài)改變表現(xiàn)為接通或者斷開，從而改變PLC 的輸出狀態(tài)。

機械觸碰式行程開關(guān)安裝于人字閘門扇形齒輪內(nèi)外拖輪行走的導軌上，當人字閘門開終或關(guān)終時，行程開關(guān)上面的搖桿被撞擊而接通開關(guān)，觸發(fā)動作。

1.2 極限開關(guān)

在人字閘門啟閉機扇形齒輪導軌上，開/關(guān)終行程開關(guān)后面設(shè)置有機械觸碰式的極限開關(guān)。當人字閘門到達開/關(guān)終未能正常觸發(fā)開/關(guān)終信號而繼續(xù)運行時，內(nèi)外拖輪上的機架觸碰到極限開關(guān)，觸發(fā)開/關(guān)極限開關(guān)發(fā)訊，人字閘門停機。這一機制可確保人字閘門安全可靠運行。

1.3 人字閘門開度傳感器

人字閘門開度儀是顯示人字閘門開度的檢測裝置，可以在上位機直觀了解人字閘門開度數(shù)值，是頂樞重要的傳感器部件。閘門的同步運行控制的直接參與者為閘門開度儀，為了減少開度儀出現(xiàn)誤動作的次數(shù)，需要利用極限開關(guān)對其輸出的位置信號進行判斷，確保其動作的準確性。

2 船閘人字閘門開度儀的應(yīng)用

2.1 閘門開度儀工作原理

閘門開度儀在運行中采集的各類數(shù)據(jù)均是模擬量，需要轉(zhuǎn)化為數(shù)字量之后才能輸出到計算機監(jiān)控中進行分析，其中模擬量有兩種形式：①電模擬量；②非電模擬量。兩種模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的流程有些許不同，首先非電模擬量需利用各類傳感器將其轉(zhuǎn)化為電模擬量，再通過變送器轉(zhuǎn)化為0～5 V 或4～20 mA的標準電模擬量，接著將標準電模擬量輸入到PLC 模擬量輸入模塊中，利用A/D 轉(zhuǎn)換器將標準電模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號，最后由CPU 對輸入的數(shù)字量信號進行分析、判斷。

船閘開度儀安裝在頂樞上，開度儀的旋轉(zhuǎn)軸位于頂樞中心點，當人字閘門開關(guān)門過程中，頂樞同人字閘門一同運動，唯有頂樞旋轉(zhuǎn)中心位置是不發(fā)生改變的。頂樞旋轉(zhuǎn)中心聯(lián)軸器與旋轉(zhuǎn)編碼器相連，故旋轉(zhuǎn)編碼器與頂樞中心點同步旋轉(zhuǎn)，從而完成從選裝角度到旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生格雷碼信號的轉(zhuǎn)化過程，人字閘門啟閉機自動化控制系統(tǒng)接收到格雷碼信號，將數(shù)字量輸入到計算機監(jiān)控中進行顯示。

2.2 閘門開度儀的應(yīng)用

某單級船閘檢測使用的是法國生產(chǎn)的XCC2510 單圈絕對值編碼器，如圖1 所示。該編碼方式為格雷碼，解碼為二進制碼的方式通過異或轉(zhuǎn)換，分辨率為8192 點。機械軸與編碼器軸存在聯(lián)動關(guān)系，當機械軸轉(zhuǎn)動時，編碼器軸也會隨之轉(zhuǎn)動，并帶動碼盤旋轉(zhuǎn)。碼盤上分為不透明扇區(qū)和透明扇區(qū)，扇區(qū)內(nèi)部安裝有光敏二極管，當碼盤旋轉(zhuǎn)時，二極管產(chǎn)生的光線透過透明扇區(qū)被光敏二極管捕捉到，產(chǎn)生電信號，電信號通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號之后輸入到處理器中，最終以數(shù)字量信息來反映機械軸轉(zhuǎn)動的角度位置。某單級船閘人字閘門采用單圈絕對值編碼器對人字閘門角位移進行檢測，它的功能主要是閘門開度顯示、左右閘門同步運行控制。開度儀提供的閘門開度曲線圖是運行人員判定系統(tǒng)運行狀態(tài)的重要依據(jù)之一。

圖1 XCC2510 單圈絕對值編碼器

3 人字閘門開度儀常見故障分析與處理

計算機監(jiān)控中心通過開度儀采集到的人字閘門的位置信息進行分析，從而在屏幕上實時反映出閘門的開度狀態(tài)，完成兩側(cè)閘門的同步運行控制。若開度儀發(fā)生故障，從而產(chǎn)生誤動作，將會導致兩側(cè)閘門運行速度不同步，易對閘室內(nèi)的船舶造成較大的安全隱患。下面，將對開度儀常見的故障進行分析，并提出針對性的處理方法。

3.1 信號翻零點

絕對值編碼器的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。因此，當電源斷開時，絕對值編碼器的示值并不會與實際的位置分離，電源再次接通，當前的位置讀數(shù)依舊是有效的。

絕對值編碼器的零點之下就是編碼的循環(huán)最大值，無論是單圈絕對值，還是多圈絕對值在置零點時，調(diào)整不當可能會引發(fā)數(shù)據(jù)跳到最大值，導致數(shù)據(jù)溢出原來的設(shè)定范圍，造成人字閘門運行速度異常。另外，絕對值編碼器還需要考慮旋轉(zhuǎn)方向，若發(fā)生反向，則數(shù)據(jù)將會顯示出由大變小，影響運行人員判斷。

因此，當編碼器信號出現(xiàn)翻零點時，旋轉(zhuǎn)編碼器使零點躲過全行程即可。

3.2 信號曲線呈鋸齒狀

當絕對值編碼器的信號曲線呈現(xiàn)出鋸齒狀時，可能的原因有兩個：①引線開路或短路；②PLC 輸入模塊或連接器故障。

故障處理方法：①檢查引線或端子排接線，緊固端子或更換引線；②緊固連接器或更換輸入模塊。

3.3 無信號或信號無變化

導致絕對值編碼出現(xiàn)無信號或信號無變化的情況時，可能的原因有以下三個：①SSI 模塊故障；②電源故障；③傳動裝置斷裂。

故障處理方法：①更換模塊；②更換引線或電源；③修復傳動裝置。

4 結(jié)束語

本文詳細介紹了某單級船閘人字閘門開度儀的相關(guān)內(nèi)容。人字閘門開度儀，在人字閘門開度位置監(jiān)測系統(tǒng)中，開度儀是不可或缺的傳感器之一，其正常運行關(guān)系到人字閘門的同步運行控制。因此，運行人員需在人字閘門開關(guān)時，時刻關(guān)注開度儀數(shù)字信號是否處于正常范圍內(nèi)，其變化幅度是否正常，兩側(cè)閘門的開度位置是否相差過大等。當人字閘門開度儀出現(xiàn)故障后，維修人員應(yīng)當高效可靠的處理故障，確保船閘的安全運行。