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一种高精度的液压闸门纠偏处理方法及其装置

一种高精度的液压闸门纠偏处理方法及其装置

北江大堤全堤范围内现装有自动化控制闸门的水闸10座,其中西南水闸和芦苞水闸为泄洪闸,排灌涵闸8座,分别为骑背岭灌溉涵、乐排河水闸、黄布灌溉涵、石岩庙涵、红岗引水闸、狮山水闸、黄塘进水闸、北基涵闸。

这些涵闸历史上由于技术条件限制,设计比较老化。为提高闸门控制的可靠性和自动化水平,满足北江大堤水利信息化建设和管理的要求,本次北江大堤改造工程作为现代水利设施的工程来规划、建设。在水利信息化方面其规划、设计立足于高起点、高标准,综合利用自动化控制、图像监视和计算机网络、通信技术,建立先进的自动化监视和控制系统,以提高涵闸的安全性、可靠性,充分发挥工程效益,促进工程管理的科学化、现代化。

1 泄洪闸自动监控系统

北江大堤西南水闸和芦苞水闸为泄洪闸,连接西南、芦苞两涌,与飞来峡水利枢纽、琶江天然滞洪区一起是构成广州市和珠江三角洲地区防洪体系的核心建筑物。

1.1泄洪闸控制系统中的重点技术分析——开度读取

北江大堤管理局范围内现装有自动化控制闸门的水闸10座,其中泄洪闸2座、排灌水闸8座。目前已完成了西南水闸和芦苞水闸2座泄洪闸的闸门监控系统建设,排灌水闸中已完成骑背岭灌溉涵、乐排河水闸、黄布灌溉涵、石岩庙涵、红岗引水闸、狮山水闸、黄塘进水闸、北基涵闸门等8座闸门监控系统。

泄洪闸液压系统中,液压缸采用CERAMAX,传感器采用高精度CIMSMKII位移传感器,与之接口读取位移值的PLC模块是GEFANUC的APU300高速计数模块,这种配合据我们所知是史无前例的。

(1)CIMS MKII位移传感器

CIMS MKII位移传感器带有磁阻元件的传感器装在油缸头部的不锈钢外壳中,其中也包含磁敏二极管(SMD)技术的全部电子设备。各传感元件和电子设备的保护级别为IP68,直至10巴。电源电压是24V DC,输出是增量的正交的RS-422特性的信号。CIMS MKII 位移传感器的4个磁阻元件构成两个一半的惠斯登(Wheatston)电桥,用来检测交变的磁场。这种交变磁场产生在永久磁铁和绝缘的CERAMAX○R活塞杆涂层下面的带沟槽的活塞杆之间。传感元件由高频正弦信号激励。由活塞杆位移信息调制输出信号。这两种输出信号连同参考的激励信号变换为增量的A和B计数脉冲。作为必要的内部电压,供给位移系统的24V DC电源具有宽的容限,由于它是在板式稳压转换器/调节器上。输出是正文编码器输出,连同增量的A和B脉冲,同时把A和B脉冲变换成EIA RS-422标准化格式。RS-422格式对电磁干扰(EMI)极不敏感,它的传输长度高达900M的位移信息的能力。RS-422规定差动数据传输,它取消基底移位和噪音信号的影响,它们会在传输线路上引起普通形式的电压。

(2)APU300高速计数模块

APU300高速计数器用于工业控制直接处理80 K 的脉冲信号包括:

涡轮流量仪

仪器检验

材料处理

简单运动控制

速度测量

过程控制

这种模块能迅速处理高速输入的数据单独或用CPU 控制输出并能实现下列三种计数方式中的任一种:

A 型:4 个独立脉冲计数器

B 型:两个A Quad B 计数器

C 型:一个复合计数器该计数器用两个

此种模块的输入特性是RS-232。

(3)RS-422、RS232和RS-485接口特性

RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准,最初都是由电子工业协会(EIA)制订并发布的,RS-232在1962年发布,命名为EIA-232-E,作为工业标准,以保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422由RS-232发展而来,它是为弥补RS-232之不足而提出的。为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点,RS-422定义了一种平衡通信接口,将传输速率提高到10Mb/s,传输距离延长到4000英尺(速率低于100kb/s时),并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范,被命名为TIA/EIA-422-A 标准。为扩展应用范围,EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准,增加了多点、双向通信能力,即允许多个发送器连接到同一条总线上,同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性,扩展了总线共模范围,后命名为TIA/EIA-485-A标准。由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀,所以在通讯工业领域,仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。

RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定,而不涉及接插件、电缆或协议,在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。因此在视频界的应用,许多厂家都建立了一套高层通信协议,或公开或厂家独家使用。如录像机厂家中的Sony与松下对录像机的RS-422控制协议是有差异的,视频服务器上的控制协议则更多了,如Louth、Odetis协议是公开的,而ProLINK则是基于Profile上的。

(4)接口分析

CIMS MKII传感器为增量式编码器,这种编码器是通过光电发射和接收器件读取陶瓷活塞杆上有环形通、暗的刻线,获得四组正弦波信号组合成A,A/,B,B/四个正弦波相差90度相位差(相对于一个周波为360度),将A/和B/信号反向叠加在A、B两相上,可增强稳定信号。由于A、B两相相差90度,可通过比较A相在前还是B相在前,以判别编码器的正转与反转。编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率,芦苞水闸增量式编码器的分辨率为1024脉冲/厘米,输出信号为5V的方波,连接至GE9030PLC的APU300高速计数模块。实际连接中我们发现8套传感器只有4套能够读取数据,而其余4套则无法读取数据,分析其原因,我们发现CIMS MKII RS-422(差分)输出无法输入到APU300高速计数的RS-232(单端)接口,这就需要我们在信号输入到APU300高速计数模块之前将RS-422特性信号转变成RS-232特性信号,为此我们设计了如下电路图,制成了叫做转换盒的东西,如下图:

输出至PLC

一种高精度的液压闸门纠偏处理方法及其装置

编码器输入

一种高精度的液压闸门纠偏处理方法及其装置

GND

BOUT

GND AOUT

B

B'A'

A

0VDC

+24VDC 反相模块整形模块R

R R R

R R

0VDC

+5VDC +5VDC 反相模块整形模块开关电源

图6-19 转换盒电路图

增加了转换盒后,所有传感器的数据均可读上来了,但是经过反复实验后,我们发现

闸门在启闭过程中存在累计误差,闸门从全关到全开误差达到30公分。根据我们初步分析,造成测量不准的可能原因主要有以下二个:

1)由于机械间隙累计误差;

2)传输电缆不合格,信号衰减。

针对以上原因,我们用示波器对开度误差较严重的2#闸门进行波型分析,首先对2#闸

门右油缸编码器的原始波形进行采样,我们发现A 相或B 相高电平有尖锋,然后对隔离盒输出端的波形也进行采样,仍然有尖锋,说明确实存在干扰问题,我们在编码器输入端加终端电阻尝试补偿,再次采样波形,结果尖锋取消,经过隔离盒后波形接近方波,但数据仍然不准,由于此类编码器A 、B 两相相差90度,通过比较A 相在前还是B 相在前,以判别编码器的正转与反转,所以我们用示波器同时采样A 相和B 相脉冲,发现闸门一直上升或者下降时,B 脉冲有时做顺向(前向)脉冲,有时做逆向(后向)脉冲,这是导致计数不准的原因,我们对1#闸门、3#闸门编码器都进行了波形采样发现都有类似的情况。产生计数不准有可能是机械安装造成,即安装过程中,编码器和活塞杆没有帖紧,之间有机械间隙,这样控制系统将检测不到机械间隙所应有的脉冲数,也就是说控制系统会丢失脉冲,计数自然而然不准。但是我们看了厂家的出厂测试报告,并检查了传感器的安装情况,认为机械安装应该不存在问题,为了进一步证实,我们用一米电缆直接接到传感器上用示波器观察,发现A 相或B 相波形很稳定,至此可以初步断定是电缆选型问题。

(5)电缆分析

RS-422传输线一般使用纽绞双线,此种电缆具有宽广的抗干扰范围。传输线路中的损

耗是直流导线损耗、交流损耗(集肤效应)及电介质中漏损的复杂的综合。因此选择合适的电缆是非常重要的,这种电缆应由三对纽绞双线(0.25mm2)组成,每对双线被屏蔽和绝缘,三对双线由聚氯乙烯(PVC )包封。 当采用低损耗缆线时,最大脉冲/计数频率和最大电缆长度之间比较协调,采用纸质的聚氯乙烯(PVC )电缆,介质损耗系数能恶化100倍,并且缩短最大电缆长度。事实证明使用标准的RS-422电缆后,闸门开度的累计误差也消除了。

(6)总结

GEFANUC APU300高速计数模块的输入信号为RS-232特性,力士乐CIMS MKII 传感

器输出信号为RS-422特性,两者存在接口匹配的问题,需要设计转换盒进行信号转换。高精度传感器的传输电缆需按照通讯规范要求选型。

1.2西南水闸

(1)水闸概述

西南水闸分洪量为1100m3/s,100年闸前洪水位为11.13m,共布置3孔平面闸门,闸孔20.0m×3.5m(宽×高),每扇闸门配1台液压启闭机,3台液压启闭机各配置1座泵站,每座泵站配2台油泵(互为备用)。所有液压启闭机和液压泵站布置在闸室廊道内,地面高程为▽14.1m。

西南水闸主要技术参数如下:

形式:固定式双作用液压启闭机

启门力:2X1500 KN

闭门力:2X400 KN

最大行程: 4.8 m

工作行程: 4.6 m

启闭速度:0.5 m/min

液压缸内径:360 mm

活塞杆直径:200 mm

电动机功率:37 KW

(2)液压系统自动控制

近年来,液压启闭机在水利工程上得到了越来越广泛的应用,这是由于油缸内的油液具有缓冲和减振作用,适宜于控制工作闸门在高水头、不同开度下的无振安全运行;并可对闸门实施下压力,使闸门自重较轻,节约成本。液压启闭机采用的行程检测装置测量准确,可真实反映闸门启闭情况,并通过PLC可编程控制,实现闸门的自动化控制。行程检测装置采集的信号可传至远方集控室,为实现集中控制和远方自动化控制提供条件。本工程闸门运行条件为动水启闭,并有局部开启要求。闸门启闭过程中要求油缸运行平稳,无爬行、抖动等不良现象,并能使闸门可靠地停止在任何位置。液压系统在满足闸门运行要求的前提下,简单可靠且易于安装、维修,并有完善的监视、测量、控制和保护装置。

①油缸的超压保护

由于闸门上升是通过压力油对油缸有杆腔施加一定的压力进行的,活塞杆作为受压杆件其工作压力必须控制在设计范围内。为防止闸门在运行过程中被卡,油泵仍在供油,致使油缸下腔油压过高,采用了机械与电气相结合的双重保护措施,即当油压超过设定值时,油缸下腔的先导溢流阀进出油口接通,控制液压系统自动泄荷,保证活塞杆的压杆稳定。同时可通过压力继电器超压使启闭机停止运行。闸门关闭的极限保护则由开度仪与限位开关控制,溢流阀作为附加保护。这样可以确保设备在任何工况下运行安全可靠。

②油缸锁定

安装在油缸有杆腔油口的锁定阀,可使油缸在闸门全开或局部开启状态不受水流冲击的影响,长期可靠地停止在任何位置;该阀还起到将油缸与油管隔离的作用,防止油管破裂时油缸下腔油液流出造成意外关门的事故。锁定阀由液控单向阀与球阀组合而成。闸门上升或停止时油缸有杆腔油液不能排出,使油缸处于锁定状态,仅在下降时使其液控回路与压力油接通,施压打开单向阀,闸门才能下降。检修油缸时关闭球阀,防止油缸内油液外泄。

③闸门纠偏

闸门在启闭过程中CIMS MKII全程连续检测并通过PLC换算比较闸门左右开度差,当开度差超过设定启动纠偏值10mm时:启门时,(H左-H右)〈0或闭门时,(H左-H右)〉0,比例阀电磁铁S4通过比例加在纠偏方向阀内置放大器上差动输入电压得电进行绁油同步,直至达到停止纠偏值3mm时才停止泄油同步;启门时,(H左-H右)〉0或闭门时,(H 左-H右)〈0,比例阀电磁铁S3通过比例加在纠偏方向阀内置放大器上差动输入电压得电进

行绁油同步,直至达到停止纠偏值3mm时才停止泄油同步。

注:DE为差动输入,加在D,E上正的输入值(0~+10V)会使阀上P到A,B到T 导通,理解为S4得电即“闸门左纠偏”;加在D,E上正的输入值(0~-10V)会使阀上P 到B,A到T导通,理解为S3得电即“闸门右纠偏”。

(3)闸门自动监控系统

1)监控系统概述

西南水闸闸门自动监控系统监控范围包括3扇闸门的现地控制和远程控制,监视各扇闸门的工作状态、液压启闭机和泵站等参数。采用分层分布式结构,分为集控层和现地层。集控层与现地层通过100Mb的光纤以太网实现通信,拓扑结构为总线形结构。系统第一层集控层,中控室配置有互为备用的2台工作站、1台交换机、1台打印机、1台等离子电视;第二层现地控制层,每座液压启闭机和泵站设一套LCU控制屏和一套软启动屏独立控制,水闸液压启闭机室共设3套就地LCU屏和三套软启动屏。

闸门自动监控系统的各系统采用开放式的网络结构、TCP/IP协议,系统具有可扩展性、兼容性和可移植性,主要硬件设备(工作站、网络设备和PLC等)采用世界著名厂商产品,模块式,并提供标准通信物理接口。监控软件系统采用开放平台,积木式、组态式的监控软件和标准的、流行的接口软件和各种高级应用软件。

闸门自动控制系统由集控层的上位机输入闸门控制命令,经以太网将闸门的调度命令传递到各现地控制单元。由现地控制单元对各个闸门进行控制。

根据现场的情况,集中控制级采用两台主机兼操作员工作站同时运行,但任何时刻只有一台主用机有控制命令输出,另一台作为备用机不输出控制命令。当主用机发生故障时,自动切换至备用机,动作命令改由备用机发出。集中控制级主要实现显示、打印功能,报警功能,人机通信功能及系统自诊断功能。

在现地控制级主要实现现场数据的采集及处理和控制功能。每孔闸门设1套PLC,共3套PLC,3套闸门PLC采用以太网环网的形式和集控层连接,实现闸门数据、公用数据采集及处理和闸门、公用设备的控制功能。各闸门的现地控制装置接受集中控制级的命令,按集中控制级的要求,自动将本闸门启(升)、闭(降)到规定的开度,在脱离集中控制级的条件下,运行于现地控制方式时,现地还具有闸门给定开度、闸门实际开度、公用设备的有关参数和状态的显示,报警信号显示及音响信号,能手动将闸门启(升)、闭(降)到规定的开度。同时,各PLC之间也通过以太网环网交换数据,根据要求实现联动和闭锁。

本系统控制权分集中控制和现地控制二级,可以进行切换。集中控制指在操作员工作站上的操作,现地控制指在现地LCU单元上的操作。种控制方式之间有严格的闭锁措施。控制权在闸门LCU屏设置,优先顺序为“现地/远程”。控制权切换时,监控系统运行无扰动。

现地操作可分为手动方式和自动方式,手动方式是指通过操作按钮、开关等对闸门进行操作;自动方式是通过触摸屏进行参数设定,由PLC自动对闸门进行监控。

计算机监控系统的关键设备采用冗余配置。本系统的总体组成框图如下:

一种高精度的液压闸门纠偏处理方法及其装置

图6-20监控系统组成框图

2)监控系统配置说明

①集控层

一套以双计算机为核心,包括运行人员操作台、外围设备及不间断电源等组成的控制层设备。该设备布置距离西南水闸100m外的管理局大楼中控室,主要由计算机系统、运行人员操作台、交换机、逆变电源、GPS等设备组成

②现地控制层

现地控制层布置于西南水闸闸室廊道,设闸门LCU屏3套,闸门软启动屏3套。闸门的LCU屏的控制核心采用可编程控制器(PLC),通过接口设备接入计算机网络。闸门软启动柜把液压泵的电动机启动设备全部放入,屏内以智能化数字式电动机软启动器为主要执行件并配有主回路进线断路器、旁路接触器、电机热继电器、双电源切换装置于一体,双电源切换装置具有延时功能,与400V低压配电柜中的备用电源投入装置配合工作。

上下游水位计布置在离闸室20m外。

3)水闸控制要求

①西南水闸的运行制度:

当水闸闸前洪水位接近11.13m时,北江流域管理局请示省防总,作出水闸分洪1100m3/s的决定,控制最大过闸流量不超过1100m3/s。

过闸泄洪量在500~1100m3/s时,由省防总决定启闭。

过闸泄洪量在500m3/s以下时,由管理局决定,并通知相关部门。

每次开关水闸,应记录闸内外水位、过闸流量、泄流时间、泄洪总量和最大流量。水闸执行分洪任务时,每天在8时、20时将闸内外及过闸流量报告上级单位。

引水及闸门反向挡潮运行工况待定。

②在不同泄流量时,要求水闸3孔闸门按不同开度全部对称均匀开启,三孔闸门开度差在任何时刻不大于50cm。

③集控层:正常情况下,在中控室对本系统的各个闸门进行远方监控,操作过程有事先提示。闸前后水位、闸门位置有实时反映,运行、故障信号能及时报警。

④现地控制层:在设备投运初期,闸门检修期及集控层发生故障等情况下,能在现地控制单元对闸门进行自动/手动控制,并将控制信号传送到集控层以便监视,闸门位置及运行、故障信号能现地显示。

⑤集控层设闸门监控管理系统数据库,根据水情及洪水预报计算结果计算水闸的泄洪量及其它参数,并预留接口,可通过网络设备快速、准确地传输给北江流域管理局相关部门。

(4)监控系统功能

1)数据采集和处理:

①数字量(模拟量)采集:闸门的开度、电量、水位、油压、油温;

②状态量(开关量)采集:闸门上升或下降接触器状态、闸门行程开关

状态、动力电源、控制电源状态、润滑水电磁阀。

2)实时控制

①现地运行人员可以根据LCU屏的水位显示,闸门开度指示,用触摸屏

按钮及开关等对所控制的闸门进行下列操作:按设定开度自动人工操

作闸门上升、下降或停止;

②远程操作:LCU屏通过网络接收集控层的指令,自动完成闸门的开启

或关闭;

③控制优先级为现地操作优于远程操作。

3)信号显示

在闸门LCU屏的触摸屏上显示水位、闸门状态、液压机状态、电气机械状态、故障及有关操作电源等的信号灯。

4)数据远传

LCU屏通过接口及网络将有关信息送集控层。在信息采集层,由于实时工程信息采集系统需要对各个实时监控系统或监测系统进行数据采集和实时监视,所以对各类信息的采集周期如何选择需要认真考虑,既要保障数据的实时性,同时也要考虑到采集如此众多数据所能承受的压力。本项目拟根据不同系统的业务特点,采集周期可以不同或进行调整,以保障系统的数据准确、性能优化。

同时,考虑到实时工程信息采集系统的信息源来自不同的建设厂家承建的不同系统,其系统架构、数据库结构以及度量值和量纲都有可能不同,因此,拟采用采用异构数据库之间数据提取传输与加载技术(ETL)实现不同系统之间的数据交换和数据整合,为实现业务整合提供基础数据。