一種高精度的液壓閘門糾偏處理方法及其裝置教案資料

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。一種高精度的液壓閘門糾偏處理方法及其裝置-一種高精度的液壓閘門糾偏處理方法及其裝置北江大堤全堤范圍內(nèi)現(xiàn)裝有自動化控制閘門的水閘10座，其中西南水閘和蘆苞水閘為泄洪閘，排灌涵閘8座，分別為騎背嶺灌溉涵、樂排河水閘、黃布灌溉涵、石巖廟涵、紅崗引水閘、獅山水閘、黃塘進水閘、北基涵閘。這些涵閘歷史上由于技術(shù)條件限制，設(shè)計比較老化。為提高閘門控制的可靠性和自動化水平，滿足北江大堤水利信息化建設(shè)和管理的要求，本次北江大堤改造工程作為現(xiàn)代水利設(shè)施的工程來規(guī)劃、建設(shè)。在水利信息化方面其規(guī)劃、設(shè)計立足于高起點、高標準，綜

2、合利用自動化控制、圖像監(jiān)視和計算機網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)，建立先進的自動化監(jiān)視和控制系統(tǒng)，以提高涵閘的安全性、可靠性，充分發(fā)揮工程效益，促進工程管理的科學(xué)化、現(xiàn)代化。1泄洪閘自動監(jiān)控系統(tǒng)北江大堤西南水閘和蘆苞水閘為泄洪閘，連接西南、蘆苞兩涌，與飛來峽水利樞紐、琶江天然滯洪區(qū)一起是構(gòu)成廣州市和珠江三角洲地區(qū)防洪體系的核心建筑物。1.1泄洪閘控制系統(tǒng)中的重點技術(shù)分析開度讀取北江大堤管理局范圍內(nèi)現(xiàn)裝有自動化控制閘門的水閘10座，其中泄洪閘2座、排灌水閘8座。目前已完成了西南水閘和蘆苞水閘2座泄洪閘的閘門監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)，排灌水閘中已完成騎背嶺灌溉涵、樂排河水閘、黃布灌溉涵、石巖廟涵、紅崗引水閘、獅山水閘、黃塘進

3、水閘、北基涵閘門等8座閘門監(jiān)控系統(tǒng)。泄洪閘液壓系統(tǒng)中，液壓缸采用CERAMAX，傳感器采用高精度CIMSMKII位移傳感器，與之接口讀取位移值的PLC模塊是GEFANUC的APU300高速計數(shù)模塊，這種配合據(jù)我們所知是史無前例的。（1）CIMSMKII位移傳感器CIMSMKII位移傳感器帶有磁阻元件的傳感器裝在油缸頭部的不銹鋼外殼中，其中也包含磁敏二極管（SMD）技術(shù)的全部電子設(shè)備。各傳感元件和電子設(shè)備的保護級別為IP68，直至10巴。電源電壓是24VDC，輸出是增量的正交的RS-422特性的信號。CIMSMKII位移傳感器的4個磁阻元件構(gòu)成兩個一半的惠斯登（Wheatston）電橋，用來檢測

4、交變的磁場。這種交變磁場產(chǎn)生在永久磁鐵和絕緣的CERAMAXR活塞桿涂層下面的帶溝槽的活塞桿之間。傳感元件由高頻正弦信號激勵。由活塞桿位移信息調(diào)制輸出信號。這兩種輸出信號連同參考的激勵信號變換為增量的A和B計數(shù)脈沖。作為必要的內(nèi)部電壓，供給位移系統(tǒng)的24VDC電源具有寬的容限，由于它是在板式穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器/調(diào)節(jié)器上。輸出是正文編碼器輸出，連同增量的A和B脈沖，同時把A和B脈沖變換成EIARS-422標準化格式。RS-422格式對電磁干擾（EMI）極不敏感，它的傳輸長度高達900M的位移信息的能力。RS-422規(guī)定差動數(shù)據(jù)傳輸，它取消基底移位和噪音信號的影響，它們會在傳輸線路上引起普通形式的電壓。（

5、2）APU300高速計數(shù)模塊APU300高速計數(shù)器用于工業(yè)控制直接處理80K的脈沖信號包括：渦輪流量儀儀器檢驗材料處理簡單運動控制速度測量過程控制這種模塊能迅速處理高速輸入的數(shù)據(jù)單獨或用CPU控制輸出并能實現(xiàn)下列三種計數(shù)方式中的任一種：A型：4個獨立脈沖計數(shù)器B型：兩個AQuadB計數(shù)器C型：一個復(fù)合計數(shù)器該計數(shù)器用兩個此種模塊的輸入特性是RS-232。（3）RS-422、RS232和RS-485接口特性RS-232、RS-422與RS-485都是串行數(shù)據(jù)接口標準,最初都是由電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制訂并發(fā)布的,RS-232在1962年發(fā)布,命名為EIA-232-E,作為工業(yè)標準,以保證不同廠家

6、產(chǎn)品之間的兼容。RS-422由RS-232發(fā)展而來,它是為彌補RS-232之不足而提出的。為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點,RS-422定義了一種平衡通信接口,將傳輸速率提高到10Mb/s,傳輸距離延長到4000英尺（速率低于100kb/s時）,并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機發(fā)送、多機接收的單向、平衡傳輸規(guī)范,被命名為TIA/EIA-422-A標準。為擴展應(yīng)用范圍,EIA又于1983年在RS-422基礎(chǔ)上制定了RS-485標準,增加了多點、雙向通信能力,即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上,同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性,擴展了總線共模范圍

7、,后命名為TIA/EIA-485-A標準。由于EIA提出的建議標準都是以“RS”作為前綴,所以在通訊工業(yè)領(lǐng)域,仍然習(xí)慣將上述標準以RS作前綴稱謂。RS-232、RS-422與RS-485標準只對接口的電氣特性做出規(guī)定,而不涉及接插件、電纜或協(xié)議,在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。因此在視頻界的應(yīng)用,許多廠家都建立了一套高層通信協(xié)議,或公開或廠家獨家使用。如錄像機廠家中的Sony與松下對錄像機的RS-422控制協(xié)議是有差異的,視頻服務(wù)器上的控制協(xié)議則更多了,如Louth、Odetis協(xié)議是公開的,而ProLINK則是基于Profile上的。（4）接口分析CIMSMKII傳感器為增量式編碼

8、器，這種編碼器是通過光電發(fā)射和接收器件讀取陶瓷活塞桿上有環(huán)形通、暗的刻線，獲得四組正弦波信號組合成A，A/，B，B/四個正弦波相差90度相位差（相對于一個周波為360度），將A/和B/信號反向疊加在A、B兩相上，可增強穩(wěn)定信號。由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，蘆苞水閘增量式編碼器的分辨率為1024脈沖/厘米，輸出信號為5V的方波，連接至GE9030PLC的APU300高速計數(shù)模塊。實際連接中我們發(fā)現(xiàn)8套傳感器只有4套能夠讀取數(shù)據(jù)，而其余4套則無法讀取數(shù)據(jù)，分析其原因，我們發(fā)現(xiàn)CIMSMKI

9、IRS-422（差分）輸出無法輸入到APU300高速計數(shù)的RS-232（單端）接口，這就需要我們在信號輸入到APU300高速計數(shù)模塊之前將RS-422特性信號轉(zhuǎn)變成RS-232特性信號，為此我們設(shè)計了如下電路圖，制成了叫做轉(zhuǎn)換盒的東西，如下圖：圖6-19轉(zhuǎn)換盒電路圖增加了轉(zhuǎn)換盒后，所有傳感器的數(shù)據(jù)均可讀上來了，但是經(jīng)過反復(fù)實驗后，我們發(fā)現(xiàn)閘門在啟閉過程中存在累計誤差，閘門從全關(guān)到全開誤差達到30公分。根據(jù)我們初步分析，造成測量不準的可能原因主要有以下二個：1）由于機械間隙累計誤差；2）傳輸電纜不合格，信號衰減。針對以上原因，我們用示波器對開度誤差較嚴重的2#閘門進行波型分析，首先對2#閘門右油

10、缸編碼器的原始波形進行采樣，我們發(fā)現(xiàn)A相或B相高電平有尖鋒，然后對隔離盒輸出端的波形也進行采樣，仍然有尖鋒，說明確實存在干擾問題，我們在編碼器輸入端加終端電阻嘗試補償，再次采樣波形，結(jié)果尖鋒取消，經(jīng)過隔離盒后波形接近方波，但數(shù)據(jù)仍然不準，由于此類編碼器A、B兩相相差90度，通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，所以我們用示波器同時采樣A相和B相脈沖，發(fā)現(xiàn)閘門一直上升或者下降時，B脈沖有時做順向（前向）脈沖，有時做逆向（后向）脈沖，這是導(dǎo)致計數(shù)不準的原因，我們對1#閘門、3#閘門編碼器都進行了波形采樣發(fā)現(xiàn)都有類似的情況。產(chǎn)生計數(shù)不準有可能是機械安裝造成，即安裝過程中，編碼器和活

11、塞桿沒有帖緊，之間有機械間隙，這樣控制系統(tǒng)將檢測不到機械間隙所應(yīng)有的脈沖數(shù)，也就是說控制系統(tǒng)會丟失脈沖，計數(shù)自然而然不準。但是我們看了廠家的出廠測試報告，并檢查了傳感器的安裝情況，認為機械安裝應(yīng)該不存在問題，為了進一步證實，我們用一米電纜直接接到傳感器上用示波器觀察，發(fā)現(xiàn)A相或B相波形很穩(wěn)定，至此可以初步斷定是電纜選型問題。（5）電纜分析RS-422傳輸線一般使用紐絞雙線，此種電纜具有寬廣的抗干擾范圍。傳輸線路中的損耗是直流導(dǎo)線損耗、交流損耗（集膚效應(yīng)）及電介質(zhì)中漏損的復(fù)雜的綜合。因此選擇合適的電纜是非常重要的，這種電纜應(yīng)由三對紐絞雙線（0.25mm2）組成，每對雙線被屏蔽和絕緣，三對雙線由聚

12、氯乙烯（PVC）包封。當采用低損耗纜線時，最大脈沖/計數(shù)頻率和最大電纜長度之間比較協(xié)調(diào)，采用紙質(zhì)的聚氯乙烯（PVC）電纜，介質(zhì)損耗系數(shù)能惡化100倍，并且縮短最大電纜長度。事實證明使用標準的RS-422電纜后，閘門開度的累計誤差也消除了。（6）總結(jié)GEFANUCAPU300高速計數(shù)模塊的輸入信號為RS-232特性，力士樂CIMSMKII傳感器輸出信號為RS-422特性，兩者存在接口匹配的問題，需要設(shè)計轉(zhuǎn)換盒進行信號轉(zhuǎn)換。高精度傳感器的傳輸電纜需按照通訊規(guī)范要求選型。1.2西南水閘（1）水閘概述西南水閘分洪量為1100m3/s，100年閘前洪水位為11.13m,共布置3孔平面閘門，閘孔20.0m

13、3.5m（寬高），每扇閘門配1臺液壓啟閉機，3臺液壓啟閉機各配置1座泵站，每座泵站配2臺油泵（互為備用）。所有液壓啟閉機和液壓泵站布置在閘室廊道內(nèi),地面高程為14.1m。西南水閘主要技術(shù)參數(shù)如下：形式：固定式雙作用液壓啟閉機啟門力：2X1500KN閉門力：2X400KN最大行程：4.8m工作行程：4.6m啟閉速度：0.5m/min液壓缸內(nèi)徑：360mm活塞桿直徑：200mm電動機功率：37KW（2）液壓系統(tǒng)自動控制近年來，液壓啟閉機在水利工程上得到了越來越廣泛的應(yīng)用，這是由于油缸內(nèi)的油液具有緩沖和減振作用，適宜于控制工作閘門在高水頭、不同開度下的無振安全運行；并可對閘門實施下壓力，使閘門自重較

14、輕，節(jié)約成本。液壓啟閉機采用的行程檢測裝置測量準確，可真實反映閘門啟閉情況，并通過PLC可編程控制，實現(xiàn)閘門的自動化控制。行程檢測裝置采集的信號可傳至遠方集控室，為實現(xiàn)集中控制和遠方自動化控制提供條件。本工程閘門運行條件為動水啟閉，并有局部開啟要求。閘門啟閉過程中要求油缸運行平穩(wěn)，無爬行、抖動等不良現(xiàn)象，并能使閘門可靠地停止在任何位置。液壓系統(tǒng)在滿足閘門運行要求的前提下，簡單可靠且易于安裝、維修，并有完善的監(jiān)視、測量、控制和保護裝置。油缸的超壓保護由于閘門上升是通過壓力油對油缸有桿腔施加一定的壓力進行的，活塞桿作為受壓桿件其工作壓力必須控制在設(shè)計范圍內(nèi)。為防止閘門在運行過程中被卡，油泵仍在供油

15、，致使油缸下腔油壓過高，采用了機械與電氣相結(jié)合的雙重保護措施，即當油壓超過設(shè)定值時，油缸下腔的先導(dǎo)溢流閥進出油口接通，控制液壓系統(tǒng)自動泄荷，保證活塞桿的壓桿穩(wěn)定。同時可通過壓力繼電器超壓使啟閉機停止運行。閘門關(guān)閉的極限保護則由開度儀與限位開關(guān)控制，溢流閥作為附加保護。這樣可以確保設(shè)備在任何工況下運行安全可靠。油缸鎖定安裝在油缸有桿腔油口的鎖定閥，可使油缸在閘門全開或局部開啟狀態(tài)不受水流沖擊的影響，長期可靠地停止在任何位置；該閥還起到將油缸與油管隔離的作用，防止油管破裂時油缸下腔油液流出造成意外關(guān)門的事故。鎖定閥由液控單向閥與球閥組合而成。閘門上升或停止時油缸有桿腔油液不能排出，使油缸處于鎖定狀

16、態(tài)，僅在下降時使其液控回路與壓力油接通，施壓打開單向閥，閘門才能下降。檢修油缸時關(guān)閉球閥，防止油缸內(nèi)油液外泄。閘門糾偏閘門在啟閉過程中CIMSMKII全程連續(xù)檢測并通過PLC換算比較閘門左右開度差，當開度差超過設(shè)定啟動糾偏值10mm時：啟門時，（H左-H右）0或閉門時，（H左-H右）0，比例閥電磁鐵S4通過比例加在糾偏方向閥內(nèi)置放大器上差動輸入電壓得電進行紲油同步，直至達到停止糾偏值3mm時才停止泄油同步；啟門時，（H左-H右）0或閉門時，（H左-H右）0，比例閥電磁鐵S3通過比例加在糾偏方向閥內(nèi)置放大器上差動輸入電壓得電進行紲油同步，直至達到停止糾偏值3mm時才停止泄油同步。注：DE為差動輸

17、入，加在D，E上正的輸入值（0+10V）會使閥上P到A，B到T導(dǎo)通，理解為S4得電即“閘門左糾偏”；加在D，E上正的輸入值（0-10V）會使閥上P到B，A到T導(dǎo)通，理解為S3得電即“閘門右糾偏”。（3）閘門自動監(jiān)控系統(tǒng)1）監(jiān)控系統(tǒng)概述西南水閘閘門自動監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控范圍包括3扇閘門的現(xiàn)地控制和遠程控制，監(jiān)視各扇閘門的工作狀態(tài)、液壓啟閉機和泵站等參數(shù)。采用分層分布式結(jié)構(gòu)，分為集控層和現(xiàn)地層。集控層與現(xiàn)地層通過100Mb的光纖以太網(wǎng)實現(xiàn)通信，拓撲結(jié)構(gòu)為總線形結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)第一層集控層，中控室配置有互為備用的2臺工作站、1臺交換機、1臺打印機、1臺等離子電視；第二層現(xiàn)地控制層，每座液壓啟閉機和泵站設(shè)一套LC

18、U控制屏和一套軟啟動屏獨立控制，水閘液壓啟閉機室共設(shè)3套就地LCU屏和三套軟啟動屏。閘門自動監(jiān)控系統(tǒng)的各系統(tǒng)采用開放式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、TCP/IP協(xié)議，系統(tǒng)具有可擴展性、兼容性和可移植性，主要硬件設(shè)備（工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和PLC等）采用世界著名廠商產(chǎn)品，模塊式，并提供標準通信物理接口。監(jiān)控軟件系統(tǒng)采用開放平臺，積木式、組態(tài)式的監(jiān)控軟件和標準的、流行的接口軟件和各種高級應(yīng)用軟件。閘門自動控制系統(tǒng)由集控層的上位機輸入閘門控制命令，經(jīng)以太網(wǎng)將閘門的調(diào)度命令傳遞到各現(xiàn)地控制單元。由現(xiàn)地控制單元對各個閘門進行控制。根據(jù)現(xiàn)場的情況，集中控制級采用兩臺主機兼操作員工作站同時運行，但任何時刻只有一臺主用機有控制命令

19、輸出，另一臺作為備用機不輸出控制命令。當主用機發(fā)生故障時，自動切換至備用機，動作命令改由備用機發(fā)出。集中控制級主要實現(xiàn)顯示、打印功能，報警功能，人機通信功能及系統(tǒng)自診斷功能。在現(xiàn)地控制級主要實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集及處理和控制功能。每孔閘門設(shè)1套PLC，共3套PLC，3套閘門PLC采用以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的形式和集控層連接，實現(xiàn)閘門數(shù)據(jù)、公用數(shù)據(jù)采集及處理和閘門、公用設(shè)備的控制功能。各閘門的現(xiàn)地控制裝置接受集中控制級的命令，按集中控制級的要求，自動將本閘門啟（升）、閉（降）到規(guī)定的開度，在脫離集中控制級的條件下，運行于現(xiàn)地控制方式時，現(xiàn)地還具有閘門給定開度、閘門實際開度、公用設(shè)備的有關(guān)參數(shù)和狀態(tài)的顯示，報警信

20、號顯示及音響信號，能手動將閘門啟（升）、閉（降）到規(guī)定的開度。同時，各PLC之間也通過以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)交換數(shù)據(jù)，根據(jù)要求實現(xiàn)聯(lián)動和閉鎖。本系統(tǒng)控制權(quán)分集中控制和現(xiàn)地控制二級，可以進行切換。集中控制指在操作員工作站上的操作，現(xiàn)地控制指在現(xiàn)地LCU單元上的操作。種控制方式之間有嚴格的閉鎖措施?？刂茩?quán)在閘門LCU屏設(shè)置，優(yōu)先順序為“現(xiàn)地/遠程”。控制權(quán)切換時，監(jiān)控系統(tǒng)運行無擾動?，F(xiàn)地操作可分為手動方式和自動方式，手動方式是指通過操作按鈕、開關(guān)等對閘門進行操作；自動方式是通過觸摸屏進行參數(shù)設(shè)定，由PLC自動對閘門進行監(jiān)控。計算機監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備采用冗余配置。本系統(tǒng)的總體組成框圖如下：圖6-20監(jiān)控系統(tǒng)組成

21、框圖2）監(jiān)控系統(tǒng)配置說明集控層一套以雙計算機為核心，包括運行人員操作臺、外圍設(shè)備及不間斷電源等組成的控制層設(shè)備。該設(shè)備布置距離西南水閘100m外的管理局大樓中控室，主要由計算機系統(tǒng)、運行人員操作臺、交換機、逆變電源、GPS等設(shè)備組成現(xiàn)地控制層現(xiàn)地控制層布置于西南水閘閘室廊道，設(shè)閘門LCU屏3套，閘門軟啟動屏3套。閘門的LCU屏的控制核心采用可編程控制器（PLC），通過接口設(shè)備接入計算機網(wǎng)絡(luò)。閘門軟啟動柜把液壓泵的電動機啟動設(shè)備全部放入，屏內(nèi)以智能化數(shù)字式電動機軟啟動器為主要執(zhí)行件并配有主回路進線斷路器、旁路接觸器、電機熱繼電器、雙電源切換裝置于一體，雙電源切換裝置具有延時功能，與400V低壓配

22、電柜中的備用電源投入裝置配合工作。上下游水位計布置在離閘室20m外。3）水閘控制要求西南水閘的運行制度：當水閘閘前洪水位接近11.13m時，北江流域管理局請示省防總，作出水閘分洪1100m3/s的決定，控制最大過閘流量不超過1100m3/s。過閘泄洪量在5001100m3/s時，由省防總決定啟閉。過閘泄洪量在500m3/s以下時，由管理局決定，并通知相關(guān)部門。每次開關(guān)水閘，應(yīng)記錄閘內(nèi)外水位、過閘流量、泄流時間、泄洪總量和最大流量。水閘執(zhí)行分洪任務(wù)時，每天在8時、20時將閘內(nèi)外及過閘流量報告上級單位。引水及閘門反向擋潮運行工況待定。在不同泄流量時，要求水閘3孔閘門按不同開度全部對稱均勻開啟，三孔閘門開度差在任何時刻不大于50cm。集控層：正常情況下，在中控室對本系統(tǒng)的各個閘門進行遠方監(jiān)控，操作過程有事先提示。閘前后水位、閘門位置有實時反映，運行、故障信號能及時報警?，F(xiàn)地控制層：在設(shè)備投運初