泗陽(yáng)節(jié)制閘弧形閘門開度儀裝置技術(shù)改造

趙水汨，劉須朋，楊 模

（江蘇省泗陽(yáng)閘站管理所，江蘇 宿遷 223800）

泗陽(yáng)節(jié)制閘位于泗陽(yáng)縣城主城區(qū)東2.5 km 中運(yùn)河上，該閘具有防洪、灌溉等綜合功能。泗陽(yáng)節(jié)制閘設(shè)計(jì)流量1 000 m3/s，7 孔弧形鋼閘門，配QH-2×225KN-10m 卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。在水利工程中，閘門是水工結(jié)構(gòu)的重要組成部分之一，它可以根據(jù)需要來(lái)關(guān)閉建筑物的孔口，也可以全部或部分打開孔口以調(diào)節(jié)上、下游水位和流量，弧形閘門是擋水面為圓柱體的部分弧形面的閘門。其支臂的支承鉸位于圓心，啟閉時(shí)閘門繞支承鉸轉(zhuǎn)動(dòng)?；⌒伍l門由轉(zhuǎn)動(dòng)門體、埋設(shè)構(gòu)件及啟閉設(shè)備3個(gè)部分組成。

1 技術(shù)改造緣由

閘門形式有平板直升閘門和弧形閘門，閘門啟閉過(guò)程為電動(dòng)機(jī)→減速齒輪→卷筒→卷筒鋼絲繩→閘門吊點(diǎn)→提升或關(guān)閉閘門，編碼器與卷筒同軸。編碼器通過(guò)數(shù)據(jù)線到控制柜的閘門開度儀顯示器［1］。

閘門開啟高度（簡(jiǎn)稱閘門開度）是指閘門底部止水指閘門底檻的垂直距離，在以往的直升閘門的啟閉機(jī)上，高度指示器為機(jī)械式，開度大小是通過(guò)啟閉機(jī)卷筒鋼絲繩上升下降位移長(zhǎng)度的位移量來(lái)直接反映機(jī)械指示的，因?yàn)殚l門的位移與開高下降均在同一方向，而對(duì)于弧形閘門，閘門行走位移是在一個(gè)弧線上，不能直接反映閘門的開高。開度儀指示器的開度值與實(shí)際值往往相去甚遠(yuǎn)，從而無(wú)法正確控制下泄洪水流量。

泗陽(yáng)節(jié)制閘弧形閘門的原有開度儀在控制柜上顯示，是通過(guò)測(cè)量閘門啟閉機(jī)卷筒的鋼絲繩行走長(zhǎng)度來(lái)測(cè)量閘門開度的，原有的開度儀是按照平板直升門的原理來(lái)調(diào)整參數(shù)的，但泗陽(yáng)節(jié)制閘閘門為弧形閘門。鋼絲繩的行走長(zhǎng)度不是閘門的實(shí)際開高與下降，閘門開度與實(shí)際排水流量誤差大，因此，需要對(duì)弧形閘門的開度儀裝置進(jìn)行技術(shù)改造［2］。

泗陽(yáng)節(jié)制閘弧形閘門從關(guān)閉狀態(tài)（實(shí)線部分）到開啟狀態(tài)（虛線部分），見圖1。啟閉機(jī)鋼絲繩從豎直線L1變?yōu)樾崩€L2。閘門旋轉(zhuǎn)角度從0度變?yōu)棣两?，弧形閘門實(shí)際開高H=L1-L2cosα，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用弧形閘門標(biāo)尺，相應(yīng)弧形標(biāo)尺進(jìn)行電子編碼測(cè)算的開度儀，值班人員根據(jù)弧形閘門編碼的開度儀開關(guān)閘門，下泄洪水，及時(shí)準(zhǔn)確完成調(diào)度指令。

圖1 弧形閘門關(guān)閉與開啟（單位：m）

2 技術(shù)改造原理

泗陽(yáng)節(jié)制閘弧形閘門是沿著弧形門槽繞著固定圓心旋轉(zhuǎn)，閘門的底部與閘門的頂部同時(shí)在門槽的弧線上旋轉(zhuǎn)，底部行走軌跡經(jīng)固定圓心旋轉(zhuǎn)后與頂部旋轉(zhuǎn)軌跡是重疊的，將閘門開度標(biāo)尺的指針安裝在閘門的頂部，底部的行走軌跡制作成標(biāo)尺，即能真實(shí)體現(xiàn)閘門的實(shí)際開高。根據(jù)閘門啟閉機(jī)卷筒鋼絲繩與弧形閘門開度之間的關(guān)系式，采用編碼器。按啟閉機(jī)卷筒鋼絲繩的位移距離輸出，編碼器對(duì)此信號(hào)進(jìn)行處理，編碼器將信號(hào)或數(shù)據(jù)編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)。根據(jù)鋼絲繩位移距離長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)弧形閘門的開度，推導(dǎo)出關(guān)系式。將開度值信號(hào)發(fā)送到控制柜的顯示器上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方集中控制［3］。

閘門開度標(biāo)尺指示為閘門實(shí)際開高，由于弧長(zhǎng)閘門開度對(duì)不同半徑和角度的閘門所對(duì)應(yīng)關(guān)系不同，通過(guò)CAD 的旋轉(zhuǎn)功能，將閘門底部實(shí)際標(biāo)高位置（▽11.5 m）旋轉(zhuǎn)至將要安裝標(biāo)尺的位置（▽18.5 m），即形成用于指示閘門開高的指示標(biāo)尺。實(shí)際工作中，按CAD 圖制作弧形標(biāo)尺，比例為1∶1，泗陽(yáng)節(jié)制閘在正常設(shè)計(jì)水位下，弧形閘門的高度大部分在上游水位淹沒(méi)，在正常情況下，故弧形標(biāo)尺安裝在高程▽18.5 m水位以上，見圖2。

圖2 閘門開度計(jì)算原理（單位：m）

泗陽(yáng)節(jié)制閘弧形閘門：閘門底高程A點(diǎn)為▽11.50 m，鉸鏈O點(diǎn)高程為▽17.5 m，閘門頂B點(diǎn)高程為▽18.50 m，弧形閘門外側(cè)半徑為R8.50 m，內(nèi)側(cè)半徑為R8.30 m，閘門最大開高為4.0 m，現(xiàn)場(chǎng)直讀式指示標(biāo)尺制作最大指示刻度為4.5 m。旋轉(zhuǎn)弧形閘門，閘門鉸鏈O點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，將整修圖形從閘門門底A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至閘門門頂B點(diǎn)，即形成將用于指示閘門垂直開高的現(xiàn)場(chǎng)直讀式指示標(biāo)尺。O點(diǎn)為閘門鉸鏈點(diǎn)，高程為▽17.5 m，弧線AB為閘門外側(cè)弧線，A點(diǎn)為閘門門底，高程為▽11.5 m，B點(diǎn)為閘門門頂，高程為▽18.5 m，過(guò)O點(diǎn)畫一條水平線，與弧線AB相交與C點(diǎn)，過(guò)A點(diǎn)畫一條水平線AN，S點(diǎn)為現(xiàn)地直讀式指示標(biāo)尺上端點(diǎn)（詳見現(xiàn)地直讀式指示標(biāo)尺原理圖），D點(diǎn)為閘門開啟的任一位置（應(yīng)在規(guī)定的最高開啟高度之間，本例在4.0 m之間，應(yīng)在弧線AS之間），過(guò)D點(diǎn)畫一垂線分別與OC、AN相交與M點(diǎn)和N點(diǎn)，則MN為6 m，分別打開弧線AS、弧線AC，可查得其總角度分別為34.74°、44.90°，即∠AOS=34.74°、∠AOC=44.90°。

閘門開度的標(biāo)尺DN，從底部起N點(diǎn)▽0 m 到頂點(diǎn)D點(diǎn)▽4.5 m 之間的任一點(diǎn)都閘門的開度都符合上述公式［4］。

2.1 遠(yuǎn)方遙測(cè)（電子閘位計(jì)）顯示裝置

設(shè)備配制：在閘門現(xiàn)地弧形閘門的直讀式指示標(biāo)尺內(nèi)側(cè)裝設(shè)與標(biāo)尺同心的弧形滑線變阻器，采用單片機(jī)制成電路板，變阻器的最小位置端、最大位置端及滑動(dòng)端分別對(duì)應(yīng)現(xiàn)地直讀式指示標(biāo)尺的最小位（0位），最大位（4.5 m）和閘門開度指針位，變阻器的最小位置端、最大位置端及滑動(dòng)端作為輸入信號(hào)，經(jīng)電路處理，輸出4~20 mA 的直流電流，至數(shù)字表進(jìn)行閘門開度顯示。根據(jù)滑線變阻器的工作原理，其電壓與其長(zhǎng)度成正比，所以：

弧線AD長(zhǎng)÷弧線AS=滑線變阻器滑動(dòng)端與最小位置端壓差÷滑線變阻器最大位置端與最小位置端壓差。

根據(jù)三角函數(shù)公式計(jì)算為

2.2 電氣原理

電源部分見圖3，（1）24 V轉(zhuǎn)5 V：給外圍芯片和繼電器等器件供電；（2）3.3 V電源：給CPU處理器供電；（3）P1用于外接24 V供電電源，儀表面板有電源開關(guān)K1，用于開關(guān)開度儀。

圖3 電源部分電路

2.2.1 STM32微處理器部分

（1）由上電復(fù)位、時(shí)鐘、調(diào)試接口、模擬量輸入輸出、開關(guān)量輸入輸出及通訊顯示等電路組成，見圖4。（2）實(shí)現(xiàn)功能：一是對(duì)閘門位置電位器的輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換和檢測(cè)；二是檢測(cè)輸入信號(hào)，根據(jù)弧度和垂直開度公式進(jìn)行換算后輸出相應(yīng)的電流信號(hào)（4~20 mA）供遠(yuǎn)程儀表顯示，同時(shí)配有485 接口，采樣Modbus-RTU 協(xié)議，可與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交換；三是顯示及設(shè)定，儀表配有一塊OLED彩色顯示屏，用于現(xiàn)場(chǎng)顯示閘門開度和上下限位的情況，通過(guò)五位搖桿按鈕對(duì)閘門參數(shù)及上下限報(bào)警進(jìn)行設(shè)置和確認(rèn)；四是限位保護(hù)，配有兩路繼電器輸出，根據(jù)設(shè)定的上下限參數(shù)和檢測(cè)的位置來(lái)輸出相應(yīng)的開關(guān)量信號(hào)。

圖4 STM32處理器部分電路

2.2.2 電位器電壓檢測(cè)電路

P5 接口接電位器的3 個(gè)接線端，閘門運(yùn)行時(shí)帶動(dòng)電位器的滑動(dòng)端，把取樣電壓送給U1；U1芯片用于信號(hào)調(diào)理把輸入電壓（0~5 V）線性地轉(zhuǎn)換成微處理器AD轉(zhuǎn)換器的輸入（0~3.3 V）。

2.2.3 現(xiàn)場(chǎng)顯示和設(shè)定

（1）五位搖桿按鈕：具有上下左右4個(gè)方向和中間按鈕信號(hào)，分別用于輸入?yún)?shù)的光標(biāo)移動(dòng)和調(diào)整參數(shù)的增減及確認(rèn)；（2）顯示采樣1 塊0.96 英寸的OLED 彩色顯示屏，用于現(xiàn)場(chǎng)顯示閘門開度和上下限位的情況，及參數(shù)設(shè)定顯示。

2.2.4 開關(guān)量輸出電路

兩路開關(guān)量輸出采用繼電器對(duì)應(yīng)上下限輸出，繼電器動(dòng)作由設(shè)定的參數(shù)來(lái)決定；輸出方式：各一對(duì)常開和一對(duì)常閉無(wú)源接點(diǎn)供使用。

2.2.5 模擬量（4~20 mA）輸出電路

微處理器把換算后對(duì)應(yīng)的閘門開度從DACOUT輸出相應(yīng)電壓信號(hào)，U3 用于電壓和電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換，P6是電流輸出端子供連接遠(yuǎn)程儀表顯示。

2.2.6 RS485通訊電路

配有485 通訊接口-P4，采樣Modbus-RTU 協(xié)議，可與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交換?？梢宰x取閘門開度，也可以進(jìn)行閘門參數(shù)和上下限參數(shù)設(shè)置。

3 運(yùn)行效果

經(jīng)過(guò)技術(shù)改造的弧形閘門開度儀在泗陽(yáng)節(jié)制閘閘門啟閉上使用后，可在閘門現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械式顯示讀取弧形閘門實(shí)際垂直開高，通過(guò)編碼器，經(jīng)安裝在閘門控制柜上的數(shù)顯表讀取閘門實(shí)際垂直開高，解決了弧形閘門垂直開高與顯示值誤差的問(wèn)題，取得了較好效果。

4 結(jié) 論

泗陽(yáng)節(jié)制閘啟閉機(jī)弧形閘門開度儀技術(shù)改造后，能保證閘門啟閉高度準(zhǔn)確性，泵站下泄洪水準(zhǔn)確性，發(fā)揮工程效益?？晒┩愋突⌒伍l門安裝、技術(shù)改造參考。