数字型闸门开度控制仪的研制与应用

(如皋市焦港闸管理所，江苏 如皋 226500)

1 工程概况

如皋市焦港闸是2012年利用连申线扩大焦港河引江能力而扩建的水闸工程。焦港闸共有5孔，总净宽44m；最大引潮流量497 m3/s，排涝流量242 m3/s。焦港闸采用卷扬式启闭机，升卧式闸门，其中中孔净宽12m，闸门自重39.70t，边孔净宽均为8m，闸门净重26.50t。

2 闸门启闭运行控制情况

焦港闸闸门启闭自动化控制系统与水闸建设同步完工，2013年3月，正式投入运行。闸门开度控制分为开度数据采集和限位控制两个部分。开度数据采集是在启闭机上安装有开度数字传感器，将数据读入可编程逻辑控制器(PLC控制系统)，供上位机采集、显示。而闸门的位置控制是利用安装于启闭机上的3只行程开关来实现，3只行程开关分别控制闸门的上限、下限和搁门点。闸门启闭操作是由上位机向安装于现地控制柜内的PLC控制系统发出升、降指令，PLC控制系统根据闸门所处的上限、下限、搁门位置，发出电机正反转控制信号。

3 存在的主要问题

自动化控制系统经过一年多运行，存在以下问题：ⓐ开度数字传感器内置电池失效，导致闸门开度数据丢失，传感器上电清零，不能反映闸门开度真实情况；ⓑ启闭过程控制未实现数字化，依靠机械式行程限位开关，精度较差，经常会出现搁门位置不准，导致闸门搁置失灵搁不住、搁门器不能解锁、钢丝绳松驰脱移卷扬机滚筒等事故隐患；ⓒ常出现搁门器单侧解锁现象，导致闸门倾斜于门槽内的事故经常发生。上述故障导致闸门启闭存在重大安全隐患。

4 解决问题的策略

为了减少事故隐患，提高工程安全防范水平，减轻操作人员劳动强度，必须采取有效技术手段，来提高闸门启闭的安全性、可靠性。

闸门启闭过程：当闸门开启时，需先经过搁门器上升到一定高度，再下降闸门使其搁置到搁门器上，并使钢丝绳处于放松不受力状态。当需关闭闸门时，需先提升闸门使其完全脱离搁门器，再下降闸门，闸门关闭到位后闸门垂直停置于闸门槽内，使钢丝绳处于放松状态。升卧式闸门运行轨迹示意图如图1所示。

图1 升卧式闸门门运行轨迹示意图

整个闸门运行过程中需经历搁门前、搁门停机点、搁门到位点、搁门解锁位、上限位、下限位等闸门控制点位。要正确地控制好闸门启闭行程，实现闸门完美搁门，搁门器安全解锁，及上、下限精准停机，就必须控制好运行过程中的各个关键点。点多精度要求高，显然传统的行程限位开关不能满足控制要求。

为了确保升卧式闸门启闭控制运行可靠性，排除启闭隐患，必须提高闸门启闭开度控制精度。经过深入研究，在摆脱行程限位控制模式的基础上，研制一种集开度数据采集、显示、控制、通讯于一体的闸门开度控制仪，实现闸门运行过程实时显示和关键点精准控制。

5 数字型闸门开度控制仪研制方案

5.1 开度仪工作原理

通常情况下，升卧式闸门配备卷扬式启闭机，电机通过变速箱带动卷扬滚筒旋转，再通过钢丝绳拉动闸门启闭，电机的旋转与钢丝绳的长度成线性关系，间接反映闸门开度，在电机部位安装传感器检测电机运转状态，就能计算出闸门开度数据。闸门开度控制仪框架如图2所示。

图2 闸门开度控制仪框架

5.2 闸门开度控制仪构成

为确保闸门开度数据的实时性、控制的可靠性，开度控制仪选用先进可靠的STC单片机为控制核心，设置LED数码显示窗口，实时直观显示闸门开度数据和过程控制数据。同时，通过RS485端口，接收PLC数据查询，上传至上位计算机。电机运转时，开度仪对开度数据进行分析，根据预先设置的开度控制相关点数据发出相应的状态信号给PLC控制系统，PLC控制系统根据状态信号向电机控制接触器发出升降命令。闸门升、降到关键控制点时，开度仪发出信号，直接停止电机运转。

5.3 闸门开度控制仪参与启闭控制过程

升闸过程：当上位计算机发出开启闸门信号时，PLC控制系统控制电机上升，当闸门上升经过搁门器，至搁门器刚刚落下时，开度仪发出停机信号，电机停转，接着PLC控制系统发出下降命令，闸门开始下降，当闸门下降搁置到搁门器上，使钢丝绳处于不受力状态时，开度仪再次发出停机信号，电机停转，升闸操作过程结束。

闭闸过程：当上位计算机发出关闭闸门信号时，PLC控制系统首先控制电机上升(而不是下降)，闸门上升一定高度，搁门器解锁，开度仪发出停机信号，电机停转，接着PLC控制系统发出下降命令，闸门下降，直至关闭到位，开度仪再次发出停机信号，电机停转，结束闭闸过程。

5.4 闸门开度控制仪性能参数及应用范围

性能参数：显示、控制分辨率为1cm；测量控制范围-9.99～29.99m；控制精度±1cm；通讯方式RS485，采用Modbus通讯协议;通讯波特率可设置级，默认9600bps；通讯地址可设置为1-99；所有控制点参数均可设置；断电数据保持，数据异常提醒。

应用范围：凡是电机运转与闸门开度为线性关系的启闭机均可适用，包含各类卷扬式启闭机和螺杆式启闭机。对于液压式启闭机仅需更换传感器样式，主机通用。

6 闸门开度控制仪应用效果

闸门开度控制仪，自2015年初研制成功安装至焦港闸自动化控制系统中，实现了闸门开度各控制点的数字化，其与PLC控制系统和上位机，完全替代原系统开度传感器和机械式限位开关相结合的控制方式。闸门开度控制仪自正式投入运行至今已有两年多，运行十分可靠，控制精度高，完全满足升卧式闸门启闭全过程的精准控制要求。