静磁栅行程传感器在大Ⅰ型弧型水闸控制改造中的应用.pdf

第9 期2023年9 月文章编号：1 6 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)0 9-0 1 1 8-0 4陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.9September,2023静磁栅行程传感器在大I型弧型水闸控制改造中的应用张跃武，李岱，周正聪，杨大为，易忠（北京市城市河湖管理处，北京1 0 0 1 44）【摘要为解决水闸传统开度测量的误差大、操作不便等问题，应用先进成熟的静磁栅行程传感器技术，对北方地区某大I型拦河闸的1 7 孔弧形闸门进行开度精准检测的改造，同时配合现地、远程控制改造和视频验证等自动化系统集成，实现了闸门开度的精准控制。该应用为各类闸门开度精准检测和闸门精准操控，提供了技术参考和方法借鉴，同时对实现闸门远程精准操控、工控网与办公网逻辑隔离以及闸门操控视频验证都具有重要实践意义。【关键词静磁栅行程传感器；远程闸控；精准检测中图分类号TV66【文献标识码BApplication of Magnetostatic Grating Stroke Sensor in Control Transformation ofLarge Type I Arc Sluice GateZhang Yuewu,Li Dai,Zhou Zhengcong,Yang Dawei,Yi Zhong(Beijing Municipal Administration of Rivers and Lakes,Beijing 100144,China)Abstract:In order to solve the problems of large error and inconvenient operation in traditional sluice openingmeasurement,advanced and mature magnetostatic grating stroke sensor technology was applied to carry out the transformationof accurate detection of the opening of the 17-hole arc gate of a large type I barrage in the northern region,and at thesame time,with the integration of automation systems such as on-site,remote control transformation and video verification,the precise control of the gate opening is realized.This application provides technical reference and method reference forthe precise detection of various gate openings and precise control of gates.At the same time,it has important practicalsignificance for realizing remote precise control of gates,logical isolation of industrial control network and office network,andvideo verification of gate control.Key words:Magnetostatic Grating Stroke Sensor;remote gate control;accurate detection某拦河闸位于中国北方地区，为大I型水闸，有1 7 孔开式弧形钢闸门，弧度半径9.5m，闸门净尺寸1 1.98 m8.00m，闸重约2 8 t。近年来，虽然对拦河闸叠梁门启闭、电气系统、检修闸门等设备进行了升级改造，但因卷扬启闭机启停特点和钢丝绳固有的物理形变，在日常提闸落闸操作时，卷扬机连接的旋转式开度仪测量误差较大，只能通过人工到闸墩附近读取侧壁开度尺获得闸门开度值。人工读取开度存在误读、规程繁琐和安全隐患等不利因素。针对该问题，经过技术调研以及对国内外应用情况的了解，采用静磁栅行程传感器等技术，对开度传感器进行改造，从而实现对水闸自动化控制改造的目标，使得闸控业务更高效，管理更科学和更精细。静磁栅闸门开度仪是在消化吸收先进磁位移传感器技术的基础上研制的新型开度仪，具有精度高、绝对值、量程大、抗恶劣环境和维修保养方便等优点，相对于传统的闸门开度仪有其特有的优点可有效解决传统的闸门开度仪的不足。1水闸控制改造概述该工程由水闸现地改造、管理站远程操控改造、分中心和调度中心状态查询四部分组成，工程逻辑结构（见图1）。1.1水闸现地改造采用静磁栅式传感器、现地闸控、视频监视等技术，分别对1 7 孔闸门安装静磁栅行程传感器、现地控制柜、摄像机等，实现闸门开度精准检测和闸门现地精准操控。1.2管理站远程操控改造采用计算机网络、PLC、远程闸控、网络隔离等技术，配置工控服务器、工控工作站、工控交接机、网闸、电视、收稿日期2 0 2 3-0 4-2 8【作者简介张跃武（1 96 5-），男，山西长治人，高级工程师，主要从事水利自动化、水利工程管理等工作。118第9 期2023年9 月网络版组态和闸门远控软件等，建立连1 7 孔闸门PLC控制器的工控网络，并与办公逻辑隔离；实现闸门远程精准操控，以及自动编制闸门流量统计报表和自动上传闸门运行数据至调度中心雨水情数据库。采用视频监控技术，配置硬盘录像机、电视等设备，依托办公网络，建立连1 7 孔闸门摄像机的视频监视网络，实现提闸落闸过程中闸门开度的视频验证和视频业务数据存贮。调度中心新雨水情数据服务器办公网交换机分中心雨水情数据服务器办公网交换机管理站闸门开度远程操控陕西水利Shaanxi Water Resources杆套件和上支架安装，以及与现地控制柜显示仪表和PLC控制器的连接。2.2.1安装位置设计结合该拦河闸物理结构特点，卷扬式弧形闸门受安装位置限制，只能在水闸翼墙和闸门支臂间连接，存在有支架稳定、静磁栅尺行程不够、闸门检修拆除和水闸整体美观等问题。经过论证，从安全和美观角度，首先确定了静磁栅行程状态显宗闸门运行闸门行状态显示办公X电脑闸控开度视频验证No.9September,2023传感器整体不高于闸墩顶面的原则。其次，通过调整上下支架位置，确保静磁栅尺的移动轨迹是在平行翼墙的纵向断面上。再次，上下支架采用了大尺寸刚性结构，增强抗扰能力。最后，为了满足闸门7.5m的最大开度，静磁栅尺设计没有采取传统的垂直安装方式，而是与垂直方向有1 5.8 夹角的倾斜安装，由此满足闸门开度的伸缩需要（见图3）。门工控江作站工控网隔离网闸办公网交换机交换机光纤48 芯光纤448芯闸门现地闸门现地控制柜控制柜静磁静磁栅传感器传感器1#闸门2#闸门#闸门1 6#闸门1 7#闸门1#摄像机拦河闸2#摄像机图1 项目工程逻辑结构图1.3分中心和调度中心状态查询采用Web技术，依托调度中心雨水情数据库，实现闸门运行状态和闸门流量统计报表的查询。2静磁栅行程传感器安装技术2.1静磁栅行程传感器性能特点静磁栅行程传感器是外置刚性结构和绝对编码型的新型闸门开度检测设备，主要由静磁栅位移传感器和安装辅件构成。静磁栅位移传感器由静磁栅源（测量杆）和静磁栅尺组成。静磁栅源的磁性条形码排布轴线与静磁栅尺霍尔线性阵列排布轴线平行，静磁栅源和静磁栅尺在保持约定间隙的状态下相对运动，由静磁栅尺输出准确的位移信号（见图2），测量范围0 30 m。检测精度可达0.1 mm，输出模拟量4mA20mA、1 6 位并行数字、数字化SSI位移等多种信号。该技术目前多用于液压式启闭机，液压式启闭机可以将静磁栅尺平行于液压缸设置，易于安装，结构稳定，开度比例适合。注：1 一探测头，2-基体,3一磁钢，4一传感棒,5、6-电路板，7 一磁敏霍尔元件,8 一数据处理器,9一接插端口，1 0 一外壳。图2 静磁栅位移传感器结构示意图2.2青静磁栅行程传感器安装技术本案中静磁栅行程传感器采用静磁栅尺固定静磁栅源移动的工作方式。设备安装包括安装位置设计，下支架、测量服务器工挖硬盘录像机光纤收发器TOT#摄像机17#摄像机I16#摄像机10电办公光纤收发器2224.63354,3图3静磁栅行程传感器安装位置设计最大摆角：6 7，最大行程L=1800mm，工作行程1 7 50 mm,零位行程0 2 0 mm，开度比：0 2 m时3倍、2 m3m时5倍、3m7.5m时2 0 倍。弧门旋转49.2 2 时闸门开度为7.5m（检修位），静磁栅尺数据为工作行程（1 7 50）+零位行程（0 2 0 mm）。支臂传感器上铰接点的安装位置：x=-2224.6mm,y=850mm（指关节轴承的铰接位）；下铰接点的位置为：=-3354.3mm,y=-3148.1mm（指关节轴承的铰接位）。2.2.2下支架安装设计根据安装位置设计，在闸门全关状态下，从闸门两支臂中心交点处沿边缘量取尺寸2 7 59mm作为下支架安装位置，让下支架边缘如图所示贴紧对齐弧门支臂外侧边线，即为下支架的安装焊接位置（见图4）。所有参考距离2 7 59.39mm图4静磁栅行程传感器下支架安装设计焊接工艺：为了不损伤闸门支臂的设计强度，保证下支架与闸门支臂牢固连接，在进行现场踏勘论证后采用了氩弧焊焊接，焊缝处不能有未熔合、裂纹、夹渣、气孔、焊瘤和弧坑。在测量杆套件与下支架间有螺栓固定连接，当闸门需要检修全提出水面，超出行程范围时可以拆除螺栓不损坏静.119.第9 期2023年9 月磁栅尺。2.2.3测量杆套件与支架安装设计将测量杆与安装架在平地上组装在一起，检查支臂传感器数据是否正常，在0 点位做上标记。将支臂传感器挂在上安装架下（见图5左），用绳索绑紧测量杆上的关节轴承，再缓慢放下，将关节轴承安装在下支架上（见图5右）。图5静磁栅行程传感器与上支架安装设计2.2.4上支架安装设计移动上支架，让支臂传感器垂直放置，在闸墙上做上记号。再向右水平移动1 1 32.5mm，此时已到达上安装架横向安装位。缓慢移动上安装架垂直高度，当套管移动到测量杆标记0 点标记时（见图6 左），用显示仪表连接静磁栅行程传感器，微调上安装架位置，使显示仪表开度值显示为闸门零位行程，保证传感器处于垂直状态，再将上支架固定在闸墙上即可（见图6 右）。为保证牢固，上支架与翼墙连接采用了化学锚栓的固定方式。1132D图6 静磁栅行程传感器与上支架安装设计2.2.5现地控制柜和PLC控制器的连接静磁栅行程传感器以Modubus-RTU协议方式输出SSI位移信号至RS485分配器,RS485分配器分别输出至现地控制柜显示仪表和PLC控制器（见图7）。静微栅行程传感器RS485 信号,图7 青静磁栅行程传感器与现地柜仪表和PLC控制器连接逻辑图2.3闸门开度精准检测技术在弧形闸门处于检修状态时，分别用显示仪表连接每孔闸门的静磁栅行程传感器，通过现地控制柜或PLC控制有规律地提闸落闸，记下每孔闸门每次静磁栅输出行程值（精度0.1 mm）和对应的闸门开度值（精度1 mm）数据，运用二维曲线函数y=f（x）方程拟合出误差最小的静磁栅行程传感器位移值与闸门开度值间的数学模型，把该数学模型集成到闸门现地控制柜仪表或PLC控制器软件中，即实现了提闸120陕西水利Shaanxi WaterResources落闸闸门开度的精准检测。如9#闸门的二维曲线数学模型如下：r2=0.99999987,Adj r2=0.99999971,FitStdErr=1.091046,Fstat=7737315.2式中：a=-0.013409762；b=0.3357 598 5；c=-3.946 7 50 9e-0 5;d=1.9083449 e-08;e=1.9521395 e-12;f=-9.3830178 e-16;g=3.4167353 e-19;h=-4.8727465 e-23;i=3.5705494 e-27;j=-1.3290316e-31；h=1.992 2 7 91 e-36；y 为拟合的闸门开度值；x为静磁栅行程传感器输出的位移值。9#闸门静磁栅传感器位移值变化与闸门开度值间的数学模型验证过程数据（见表1）。第1 列是静磁栅传感器输出行程值，第2 列是静磁栅传感器位移值X，第3列是闸门开度实测值Y,第4列是数学模型拟合闸门开度值Y,第5列是闸门实测开度值与数学模型拟合值间的误差分析。表1 9#闸门静磁栅传感器位移值与闸门开度值间的数学模型验证数据静磁栅X行程值静磁栅位移值闸门开度值/0.1 mm/0.1 mm1662158321442865378651676948870910201013521116881219981326191432381547081661781786001810919RS485信号PLC控制器1913129RS485分配器2014900RS485 信号现地显示仪表2116425注：表中第一行代表闸门处于下限位，开度为0。3静磁栅行程传感器的应用3.1闸门开度现地操控提闸落闸时，闸门支臂弧线运行带动静磁栅沿弧形运动，同时静磁栅尺输出闸门支臂准确的位移信号至现地控制柜显示仪表，显示仪表通过闸门开度数学模型实时计算闸门开度值并显示；工作人员依据显示仪表上闸门开度值，运用提闸、落闸等操控按钮和电源、故障、提到位、落到位等闸门状态提示来实现闸门现地精准操控（见图8）。No.9September,2023实测Y拟合Y拟合闸门开度值分析/mm/mm0087301455022072311100495146661200816252984300130439916135031936600256480031871000471414906160201090773000114303970136145020154435990169307000误差/mm-0.01030.560.648.88-1.172.140.1101.461.5144.73-1.3199.63-0.4253.291.3298.82-1.2399.740.7503.090.1600.040798.81-1.21001.11.11489.62-0.42010.140.12999.9703970.0205020.0405990.130.17000.320.3第9 期2023年9 月陕西水利Shaanxi Water Resources尺（见图1 0 右），以验证静磁栅行程传感器工作状态。2L20多功能电表触摸屏多功能电表触摸屏位降到适用门上开已除上间No.9September,2023000000000000000正视图图8 闸门现地控制柜功能布局3.2闸门开度远程操控提闸落闸时，闸门支臂弧线运行带动静磁栅沿弧形运动，同时静磁栅尺输出闸门支臂准确的位移信号至PLC控制器,PLC控制器通过闸门开度数学模型实时计算出闸门开度值；工作人员运用操控软件提供的提闸、落闸等操控按钮和软件显示的控制量来实现闸门起落（见图9）；同时，根据闸门开度值，运用闸门开度流量数学模型实时计算出当前闸门开度流量和每小时的累计水量。图9闸门远程操控软件功能布局3.3闸门开度视频验证提闸落闸时，通过调取闸门视频摄像机信号，实时观测闸门升运行、降运行状态（见图1 0 左）和闸墩侧壁闸门开度美内门图侧视图底部图16#闸门202年1 0 月1 8 日星期二0 9：1：1 616#门图1 0 闸闸门运行状态和闸门开度视频验证4结论通过对大I型水闸1 7 孔弧型闸门应用静磁栅行程传感器技术改造并进行开度精准检测后，闸门精准操控可行稳定，完全满足自动化控制要求。文本摸索总结出静磁栅行程传感器在弧型闸门中的应用存在问题、解决方法和安装技术，是在北方地区中同类型闸门的首次尝试。也为弧形门、平板门、横拉门、垂直门等各类闸门开度精准检测和闸门精准操控提供技术参考和方法借鉴。同时对实现闸门开度精准检测、闸门现地或远程精准操控、工控网与办公网逻辑隔离以及闸门操控视频验证都具有重要的实践意义。（上接第1 1 4页）域。铅直向地震作用下，大坝最大拉应力较正常工况增长73.72%；顺河向地震作用下，大坝最大拉应力较正常工况增长59.1 2%。在不同工况下拉应力最大值分别为1.1 9 MPa和1.09MPa；大坝压应力最大值分别为-1.2 3MPa和-1.2 6 MPa。C25砼的抗拉强度允许值1.2 7 MPa,抗压强度允许值1 1.9MPa。该加固方案能满足大坝应力结构安全。（4）地震工况下地基竖向应力最大值较正常运行工况均有所增加，顺河向地震工况下地基竖向应力增量比铅直向地震工况地基竖向应力增量要稍大。在铅直向地震和顺河向地震工况下坝基最大竖向应力约为8 5.6 5kPa和8 9.47 kPa，坝基的松散粉土质砾允许承载力为9 0 kPa，因此在地震工况下，该加固方案能满足地基土体的承载力要求。在铅直向地震和顺河向地震工况下，振冲碎石桩的竖向应力约为56 8.6 1 kPa和589.03kPa，均小于碎石桩体6 2 0 kPa的承载力特征值。（5）各方案低液限黏土层在不同地震荷载下均表现为局部液化，发生液化部位在海漫末端下部的低液限黏土层，不会影响大坝的稳定和安全。铅直向地震作用下，不同方案坝基地层不存在液化现象；顺河向地震作用下，该加固方案地基不会发生液化现象。1刘华，杨桦，王荣.南水北调南阳二标段粉质粘土振冲碎石桩试验 J.四川水力发电，2 0 1 2,31（3）：8 4-8 6+1 0 4.2李向群，杨丰年，王海鹏.振冲碎石桩处理软土地基效果分析 .岩土工程技术,2 0 1 5,2 9（3)：1 2 7-1 31.3蒋涛，韦红梅.振冲碎石桩复合地基承载力数值仿真与试验分析J.山西建筑,2 0 1 2,38（2 0）：8 8-9 0.4】刘玉恒，周杰，赵志涛.填海地层振冲碎石桩的有限元分析 J.工程建设与设计,2 0 1 3,（1 1)：6 7-6 9.5刘洋，闫鸿翔，汪成林。复合振冲碎石桩加固机理及施工过程数值模拟 J.工程科学学报，2 0 1 5,37（3）：390-397.121参考文献