數(shù)字型閘門開度控制儀的研制與應(yīng)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(tǒng)與水閘建設(shè)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(shù)據(jù)采集和限位控制兩個部分。開度數(shù)據(jù)采集是在啟閉機上安裝有開度數(shù)字傳感器，將數(shù)據(jù)讀入可編程邏輯控制器(PLC控制系統(tǒng))，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(guān)來實現(xiàn)，3只行程開關(guān)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(xiàn)地控制柜內(nèi)的PLC控制系統(tǒng)發(fā)出升、降指令，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)閘門所處的上限、下限、擱門位置，發(fā)出電機正反轉(zhuǎn)控制信號。

3 存在的主要問題

自動化控制系統(tǒng)經(jīng)過一年多運行，存在以下問題：?開度數(shù)字傳感器內(nèi)置電池失效，導(dǎo)致閘門開度數(shù)據(jù)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(xiàn)數(shù)字化，依靠機械式行程限位開關(guān)，精度較差，經(jīng)常會出現(xiàn)擱門位置不準(zhǔn)，導(dǎo)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(xiàn)擱門器單側(cè)解鎖現(xiàn)象，導(dǎo)致閘門傾斜于門槽內(nèi)的事故經(jīng)常發(fā)生。上述故障導(dǎo)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(shù)手段，來提高閘門啟閉的安全性、可靠性。

閘門啟閉過程：當(dāng)閘門開啟時，需先經(jīng)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(tài)。當(dāng)需關(guān)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(guān)閉到位后閘門垂直停置于閘門槽內(nèi)，使鋼絲繩處于放松狀態(tài)。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(jīng)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(xiàn)閘門完美擱門，擱門器安全解鎖，及上、下限精準(zhǔn)停機，就必須控制好運行過程中的各個關(guān)鍵點。點多精度要求高，顯然傳統(tǒng)的行程限位開關(guān)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(jīng)過深入研究，在擺脫行程限位控制模式的基礎(chǔ)上，研制一種集開度數(shù)據(jù)采集、顯示、控制、通訊于一體的閘門開度控制儀，實現(xiàn)閘門運行過程實時顯示和關(guān)鍵點精準(zhǔn)控制。

5 數(shù)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(zhuǎn)，再通過鋼絲繩拉動閘門啟閉，電機的旋轉(zhuǎn)與鋼絲繩的長度成線性關(guān)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(zhuǎn)狀態(tài)，就能計算出閘門開度數(shù)據(jù)。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(gòu)成

為確保閘門開度數(shù)據(jù)的實時性、控制的可靠性，開度控制儀選用先進(jìn)可靠的STC單片機為控制核心，設(shè)置LED數(shù)碼顯示窗口，實時直觀顯示閘門開度數(shù)據(jù)和過程控制數(shù)據(jù)。同時，通過RS485端口，接收PLC數(shù)據(jù)查詢，上傳至上位計算機。電機運轉(zhuǎn)時，開度儀對開度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的開度控制相關(guān)點數(shù)據(jù)發(fā)出相應(yīng)的狀態(tài)信號給PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)狀態(tài)信號向電機控制接觸器發(fā)出升降命令。閘門升、降到關(guān)鍵控制點時，開度儀發(fā)出信號，直接停止電機運轉(zhuǎn)。

5.3 閘門開度控制儀參與啟閉控制過程

升閘過程：當(dāng)上位計算機發(fā)出開啟閘門信號時，PLC控制系統(tǒng)控制電機上升，當(dāng)閘門上升經(jīng)過擱門器，至擱門器剛剛落下時，開度儀發(fā)出停機信號，電機停轉(zhuǎn)，接著PLC控制系統(tǒng)發(fā)出下降命令，閘門開始下降，當(dāng)閘門下降擱置到擱門器上，使鋼絲繩處于不受力狀態(tài)時，開度儀再次發(fā)出停機信號，電機停轉(zhuǎn)，升閘操作過程結(jié)束。

閉閘過程：當(dāng)上位計算機發(fā)出關(guān)閉閘門信號時，PLC控制系統(tǒng)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(fā)出停機信號，電機停轉(zhuǎn)，接著PLC控制系統(tǒng)發(fā)出下降命令，閘門下降，直至關(guān)閉到位，開度儀再次發(fā)出停機信號，電機停轉(zhuǎn)，結(jié)束閉閘過程。

5.4 閘門開度控制儀性能參數(shù)及應(yīng)用范圍

性能參數(shù)：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(xié)議;通訊波特率可設(shè)置級，默認(rèn)9600bps；通訊地址可設(shè)置為1-99；所有控制點參數(shù)均可設(shè)置；斷電數(shù)據(jù)保持，數(shù)據(jù)異常提醒。

應(yīng)用范圍：凡是電機運轉(zhuǎn)與閘門開度為線性關(guān)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(yīng)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(tǒng)中，實現(xiàn)了閘門開度各控制點的數(shù)字化，其與PLC控制系統(tǒng)和上位機，完全替代原系統(tǒng)開度傳感器和機械式限位開關(guān)相結(jié)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(zhǔn)控制要求。