启闭闸门开度的测量与控制

水利建设与管理・２００６年第１０期　工蠢叠理４５　姚立军　（漳州市九龙江河道防洪排涝管理处　３６３０００）　【摘要】本文论述了启闭闸门开度的测量原理，对闸门开度测量与控制中输出轴的转动及其方向的检测、计数、显　示、限位控制、开度控制中的惯性调整、量化单位确定、全可编程系数转换电路及其调整等问题进行了阐述。并讨论了　系统测量误差，对实际应用效果作了分析。　【关键词】　防洪排涝工程　闸门开度　数字显示　控制技术　启闭闸门的开度是防洪排涝工程运行管理中最基本的　控制指标之一。现有工程中广泛使用的闸门启闭机一般设有　直接的开度指示，个别工程采用的辅助机械开度指示、限位　装置结构复杂，并需改动部分机件或增Ｄｎ－－－次变速机构，体　字显示的开度值；当计数与预置值相等时，比较电路发出控　制信号完成限位控制。信息流程见图１。　积大、精度低、造价高、运行维护不便，闸门启闭多凭操作者　大概目测，误差大、准确把握闸门开度困难，并可能出现超欠　行程开关，影响过闸水流流态和启闭设备的安全运输，为确　保工程设备安全可靠地运行．必须提高启闭闸门开度的控制　水平。因此，笔者对常用启闭机械进行了比较研究，在闸门开　度数字显示、开度的控制及其应用于闸门启闭机械的系统集　散、分组控制作了一些探索。　图１闸门开度测控信息流程　１测量原理　通常卷扬式闸门启闭机通过减速电机或齿轮减速降低　转速，以增大出力扭矩。输出轴每转动一周，与闸门位移的距　２闸门开度的测量及其控制　２．１输出轴的转动及其方向的检测　霍尔传感器是一种磁敏开关。当一定强度的磁场接近它　时，它就输出一个开关电平信号，在转动轴表面安装一块或　两块高磁通密度的磁钢（信号源），在非旋转的机体上安装两　离保持稳定的对应关系。只要能精确测定输出轴的转动圈　数，并能判定转向，便可知闸门开度。　根据这一关系，在输出轴上安装信号源随轴转动，静止　的传感器便发出转动脉冲信号．其旋转方向借助二路互相错　个对于磁钢而言在旋转方向上错开一定距离的霍尔传感器。　当轴转动磁钢先后掠过两个传感器时。两传感器便产生有一　定相位的脉冲信号．相位的超前或滞后决定了转动轴的旋转　方向。检测电路原理见图２。　开的传感器接收信号的时差来判定。该脉冲信号通过接口电　路、方向判定、信号转换、计数、驱动显示处理，便可转化为数　图２机轴转动及方向检测电路　维普资讯 http://www.cqvip.com

电路中，Ｆｌ：Ａ、Ｆｌ：Ｂ、Ｆｌ：Ｃ为非门，Ｙｌ：Ａ、Ｙｌ：Ｂ、Ｙｌ：Ｃ为与非　门，Ｄ　为Ｄ型触发器，Ｎ，、Ｎ：为光电耦合器，当磁钢先后接近　传感器Ａ、Ｂ（检测位置）时，传感器Ａ、Ｂ先后导通，Ｎ　、Ｎ：光　电耦合器先后应导通，Ｆ　：Ａ、Ｆ　：Ｂ先后输出高电平，同样当磁　钢先后离开传感器Ａ、Ｂ时Ｆ　：Ａ、Ｆ　：Ｂ先后输出低电平，波型　分析见图３。　光Ｂ盾Ａ　Ｆ－Ａ　．　广＿１　ｎ　Ｆｉ：Ｂ　．．厂＿］　厂＿］　Ｑ　］　Ｑ　．厂———一　Ｙ　Ｃ　．－－Ｊ］＿＿＿几ＴＰ触发脉冲　Ｆｌ：Ｃ　—］　Ｕ／Ｄ　减法控制电平　图３关键点波形分析　当Ａ先于Ｂ时，ＦＩ：Ａ使Ｄ型触发器Ｄ靖＝ｌ，Ｆ　：Ｂ的脉冲　前沿使０＝１、ｑ＝ｏ，使与门Ｙ　：Ａ打开，Ｆ　：Ｃ＝ｌ输出计数电路中　所需的加法电平，Ｙ，：ｃ输出的触发脉冲使系数转换电路工作　并产生计数电路所需的计数脉冲进行加法计数，当Ｂ先于Ａ　时，Ｆ，：Ａ使Ｄ型触发器Ｄ端－－０，Ｆ，：Ｂ的脉冲前沿使ｑ－－－ｏ，ｑ＝ｌ，　使与门Ｙ　：Ｂ打开，Ｆ，：Ｃ＝Ｏ输出计器中所需的减法电平，Ｙ　：Ｃ　输出的触发脉冲使系数转换电路工作并产生计数电路所需　的计数脉冲，进行减法计数。可见，当磁钢先后掠过Ａ、Ｂ时，　Ｆ　：Ｃ输出了加减电平即转动方向，Ｙ　Ｃ输出了系数转换电路　所需的触发脉冲即转动位置脉冲。　２．２计数、显示　闸门开度显示部分选用计数、译码、驱动、显示四合一组　模块ＣＬ４０１以简化制作。当需进行闸门开度限位时，应将计　数器与译码、驱动、显示分开（见图４）。　图４计数显示路　计数器可采用译码驱动（采用４５　１０、４５　１　１），显示器采用　ＬＥＤ数码管。　由于数码管在全部点亮时电流较大，占整机电流的５０％　以上，在实际使用中并不需要所有的时间显示数据，在不进　行开关闸操作时，可将显示改为间歇显示，以减少整机功耗，　延长机器使用寿命。　２．３限位控制　限位控制是指闸门开启到某个指定开度而自动停运。通　过反复试验，确定采用数字比较电路，将计数器中的当前值　与预置器中的值以Ｃ１１１为单位在比较器中比较。当两者值相　等时，比较器输出停机电平，通过信号放大，驱动机组停机，　完成开度限位控制。采用数字比较电路的最大优点是，可以克　姚立军／启闭闸门开度的测量与控制　服常用限位模拟电路因温度变化而产生目标限位值左右漂　移的缺点，同时限位值直观，调整方便（见图５）。　掣—］＿预置器ｌ　Ｕ／Ｄ　…回控制电Ｌｓ　—ｔｚ　０米位——：电厂－．平Ｊ—ｌ　Ｉ毫米—位＿ｒ预一　置　图５开度限位控制及有限量惯性修正逻辑框图　２．４开度控制中的惯性调整　因闸门自重的作用，闸门上升与下降终了往往存在一定　的运动惯性。在闸门开启过程中，停机信号发出后，上升惯性　引起的闸门位移很小，而在闸门关闭时下降惯性引起的闸门　位移相对较大。如浦头排涝工程中的孚美水闸。开闸时的惯　性位移为１￣４ｍｎｉ．而在关闭时的惯性位移则达１０～１５ｅｍ，超　过了允许范围，有必要在控制系统中加以修正。虽然对于同　一台机．其惯性引起的位移基本稳定，但因开关时惯性不同，　如进行全范围的惯性修正，电路较为复杂。而进行有限量的惯　性修正——下降惯性调整则比较简单。其方法是只在关闸时　计数器中的值超前于预置器中的某个量值时才发出信号。当　以ｃｍ为基本比较单位时。最大惯性修正量（提前控制量）为　９ｍｍ，逻辑框图见图５。图中毫米位置是否起作用受Ｕ／Ｄ电平　控制。以保证只在关闸时修正。值得注意的是，当进行惯性量　修正时，其预置量必大于上升的惯性量。以孚美水闸为例，假　设关闸至ＺＯＯｍ时停止，未予惯性修正时，在ＺＯＯｍ时发出　停机控制。因惯性影响实际开度１．９８８ｍ，惯性引起的控制误　差为１２ｍｍ；￣将惯性修正量设定为９ｒａｍ，则提前至２．００９ｍ时　便发出停机信号，实际开度为１．９９７ｍ，控制精度明显提高。使　用时若将闸门关到底的最低位于机内设置“０．Ｏ０”位相对应，　无论是预定开度还是一关到底的情况，与惯性修正结合起来，　基本上可达到一次到位，减少操作中的人工干预程度。　２．５量化单位的确定　转动轴每转过一个检测位置，传感器便发出一个脉冲，　对应的闸门位移值称之为该机的量化单位　，量化单位　越　小。分辨率越高，因量化引起的绝对误差就越小。量化单位不　能过大也不宜过小，以控制在Ｏ．１～４ｍｍ之间为宜，当　值过　小时，需要较多的内部计数器才能保证有足够的测量精度。　通过调整轴上的信号发生器的个数或改变安装点（如高速的　转动轴上）以获得最合理的　值来改变系统的分辨率，调校　因量化引起的误差。　２．６全可编系数转换电路及其调整　全可编系数转换是准确进行数字显示与控制的关键。系　数转换就是将轴的转动位置转化为闸门的开度值，体现在电　维普资讯 http://www.cqvip.com

姚立军／启闭闸门开度的测量与控制　路上就是具体实现整个计量系统以量化单位进行计数步进。　系数转换电路每接收到传感器发出的一个脉冲，它就产生与　量化单位　值相当的计数脉冲，使计数器的每次加减值为一　定值　。可见当　值与　值完全相等时。则系统的相对误　差为最小，几乎为零。在实际处理时两者达到完全相等是不　可能的，系数转换电路只能以与ｘ值尽可能相近的　进行　转换。　传统系数转换处理方法是由原始资料计算轴转动一周　的相应ｘ值，再通过调整信号源数，有时还需要通过分频、倍　频等处理来达到计数电路对脉冲数的要求。这种方法最多只　能保证２位有效值．相对误差较大，同时对存在的误差几乎　无法调整。　根据系统转换的宗旨，设计了转换速度、转换系数均可　调整的全可编程电路，可以克服常规方法存在的缺点，使系　数的转换更简单、更直接，与量化单位更加接近（见逻辑框图　６），当每接收传感器发出一个转动脉冲时，方向判别电路便　输出一触发脉冲，转换控制逻辑单元置位，可控振荡器开始　输出振荡脉冲，它的一路直接输向显示计数器进行计数。另　一中输向一个１２级的分频器。系数编程开关是一个１２比特　位的地址开关，编程范围为０～４０９５，如需有４位有效值时（厘　米后的位数，以下同），其对应的　值的编程范围为１，０００～　４．Ｏ００ｍｍ，当编程开关的值与分频器输出的值相等时，系数转　换结束，检测电路发出复位脉冲使转换控制逻辑单元复位，　可控振荡器停振：分频器复位等待下一个转换过程。这样系　统计数电路以　进行步进，完成系数转换。　转换结束（复位）　ｌ２比特　柬系　检数　测转　至疆单换　元结　转换速度调整Ｉ　ｌ计数脉冲输出（　ｃＰ）　图６　系数转换电路逻辑框图　需要指出的是。当　值在０．１～ｌｍｍ时编程开关需增加２　比特和２级分频器才能保证有４位有效值。　对系数转换电路调整时可根据理论计算的ｘ值及精度　要求来确定有效位。由有效位决定系数转换电路所需产生的　脉冲数。在系数转换电路中从１１Ｐ触发脉冲作用到出现结束　（复位）脉冲之间需要一定时间，称之为转换时间（或称转换　速度），这个时间必须小于两个１１Ｐ触发脉冲作用之间的时　间。否则将引起触发脉冲丢失，系数转换电路工作将出现混　乱。调整可控振荡器的频率可改变转换速度，保证系数转换　电路正常工作。　３系统测量误差　系统的总误差由测量误差和控制误差构成。从本系统的　４７　设计思路可以看出，测量误差来自两个方面：④量化误差：从　测量原理可知，对于一个确定的启闭系统来说，它有一个符　合实际的理想的量４￣－０－位ｘ值（即相对误差几乎为零），并且　全程线性，系统的误差只需一个测点转动不足一个检测位　置，无计数信号而形成的误差，即绝对误差　值，这是任何　一个量化系统的固有误差，在本系统中量化引起的绝对误差　为０．１－－－４ｍｍ，且随量化单位的减小而减小：⑥系数转换误差：　也是本系统的主要误差，由前面的讨论可知。系数转换相对　误差为（ｘ—ＶＣ）／Ｘ，转换电路产生的　值的有效位决定了系　统的极限精度。在实际应用中。当系数转换电路产生的脉冲　数能使　值有４位有效值时，也就是　值与ｘ值有４位有　效位相等时，则系统最大的相对误差仅为０．５％０，ｌＯｍ量程内　最大累计系数转换误差仅为５ｍｍ。　系统的控制误差主要是机械的惯性误差。本系统为不具　备制动刹车或机械自锁功能的启闭机械特别设计的惯性电　路，可以克服机械惯性９ｍｍ，需要时还可加大调整范围．从控　制角度进一步提高了控制水准。　现有的工程开度指示装置包括标尺法、机械传动、电动、　数字电压表法等，测量误差都在２０ｍｍ以上，有的反映迟钝，　精度低，有的则随着时间的延长有误差增加的可能，更不具　备惯性调整功能。本系统从测量和控制两方面大幅度地提高　了测控精度，同时尚可在定制系统时方便地配置与精度要求　相应的内部电路程式，具有一般测量装置无可比拟的优点。　４结语　ａ．由于本系统采用磁敏元件作为传感器，与传统的光　电、电位器等传感方式相比，信号失真小，传输距离远（可达　５００ｍ以上），无接触、无磨损，使用寿命长，在有毒、易燃易爆　环境中均可安全使用。　ｂ．本仪器完全能代替行程开关。显示闸门开度直观、准　确，机内带有操作功能，可以代替原有的机械操作系统，并且　互为备用、安装方便、通用性强。不仅运用于水闸、船闸工程　中各种减速以及任意转速卷扬式启闭机启闭量的控制，还可　用于其他多种高低速旋转体旋转量的测定，同时还可用于石　油化工生产中各种闸阀开度的测量与电动控制。　ｃ．本仪器测量精度高，仪器相对误差控制在０．５％０以下，　绝对误差小于９ｍｍ（１Ｏｍ量程时）。　ｄ．本仪器使用的多为通用数字逻辑电路，因而制作简　单，调试检修方便，在控制中可以对机械惯性引起的控制误　差进行有限量的调整，这是现有的非智能型控制仪器所不　及的。　ｅ．本仪器功能齐全，与同类仪器相比，智能化精度高，　可增设数据保存、数据通讯功能，利用二芯线实现多台成　组、集散控制，可与微机联网，作为高智能自动控制系数的　终端。ｃ＝ｊ