静磁栅位移传感器开度仪在紫坪铺水利枢纽工程的应用

2016-12-21崔涛，史垒

水电站设计 2016年4期

关键词：活塞杆闸门开度

崔涛，史垒

(四川省紫坪铺开发有限责任公司, 四川成都 610036)

静磁栅位移传感器开度仪在紫坪铺水利枢纽工程的应用

崔涛，史垒

(四川省紫坪铺开发有限责任公司, 四川成都 610036)

液压启闭机闸门开度装置常用油缸内置钢丝绳式旋转编码器，检修维护不便,增设静磁栅开度装置采用外置形式，既能精确反映行程且又维护方便，能与内置钢丝绳式开度装置互为备用，极大地增强了闸门运行过程中的可靠性和安全性。

闸门开度；静磁栅传感器； PLC；改良安装；运行

1 概述

紫坪铺水利枢纽是都江堰灌区和成都市的水源工程，以灌溉和供水为主，兼有防洪、发电、环境保护、旅游等综合效益。枢纽位于岷江上游河段下端，距都江堰市西北9 km，距成都市约60 km。枢纽为大(I)型水利枢纽工程，其永久主要建筑物按1 000年一遇洪水标准设计。主要建筑物包括混凝土面板堆石坝、引水发电系统、冲砂放空洞、1号泄洪排砂洞、2号泄洪排砂洞、溢洪道。最大坝高156 m，水库总库容11.12亿m3，电站总装机76万kW。工程于2006年底全部完建投入正常运行。

枢纽主要通过机组、冲砂放空洞、泄洪排砂洞进行泄洪和供水调节，根据紫坪铺工程汛期调度方案要求，当小于100年一遇洪水标准时，冲砂洞全开，一条泄洪洞局部开启，为了确保下游人民的生命财产安全，控制总泄量不超过2 393 m3/s，这就要求泄洪洞工作闸门需要精确调度。

2 工程应用

2.1 工程特点

枢纽泄洪排砂洞工作闸为潜孔闸门，门叶布置在高程808 m(底坎为高程800 m)，闸门现地控制屏布置在高程886.10 m，通过液压启闭机启闭闸门，闸门启闭开度是通过位于液压启闭机油缸内的内置式开度仪反映。开度仪为国内某厂制造的卷簧式开度仪，主要由钢丝绳、卷簧、编码器(PEPPERL+FUCHS的EAM63A4096/4096/B828TPX10S3PER多圈绝对式编码器)等组成，钢丝绳置于油缸活塞杆上，当活塞杆上下运动时拉动钢丝绳带动编码器旋转置数，优点是直观反映活塞杆运行轨迹，线性度好，但平时闸门多为全关挡水，卷簧一直处于拉伸状态，易于疲劳，如果在启闭机运行过程中发生卷簧断裂，编码器便不能同步监测活塞杆的位置移动，这在闸门启闭过程中是极其严重的安全隐患。经过多年运行，1号泄洪排砂洞工作门、冲砂放空洞工作门和3号进水口快速闸门开度仪均发生过钢丝卷簧断裂故障，导致闸门开度指示错乱，不能正常反映闸门状态，但经及时发现未发生安全事故。

为增强闸门运行可靠性和安全性，故新增设一套外置式闸门开度仪非常必要。

2.2 设备选型

经调研，市面上外置式开度仪主要有机械式、重锤式等形式，但结合紫坪铺工程特殊性，泄水过程伴随强大补气气流扰动，又考虑到从工作门至现地控制屏间近80 m的长距离对传感器信号传输的影响，最终选择静磁栅位移传感器开度仪。

2.3 工作原理及特点

静磁栅传感器是将高磁感强度稀土磁性材料定制成极性不同、宽度不一、间距不等的磁性条形码，安装到非磁性金属材料(例如铝合金、铜合金、不锈钢等)制成的磁栅源内，排布成表征连续直线绝对位移量的编码磁感应信息，提供给磁栅尺读取。

整个静磁栅位移传感器的磁栅源与磁栅尺平行安装，保持适当间隙无接触相对运动，磁栅源为无源工作，磁栅尺只需提供24 V直流电源即可准确输出位移量电信号。位移传感信号无需转换,系统精确度可达0.01 mm/m，最小指示值0.001 mm，使用范围为0～40℃，普通量程1～16 m，分辨率1 mm，位移信号通过RS485方式输出到显示器，显示器端也同时以4～20 mA电流模拟量传输至闸控PLC。因其安装精简维修方便，且具有防水、防振动、防撞击、防腐蚀等机械可靠性，可广泛适用于闸门位移检测。

2.4 工程应用

紫坪铺水利枢纽泄洪排砂洞开度为8 m，液压启闭机工作行程11.3 m，全行程11.6 m，选用CS1102-11600MM-N33/N20-42型静磁栅开度仪，主要由静磁栅尺、测量杆、传感器、接近开关和显示器组成。开度仪静磁栅尺为长1 230 mm，最大检测行程为11 600 mm，防护等级为IP68，分辨率为1 mm，由厚5 mm 铝合金型材制成腔体，下腔体为电子仓，上腔体为静磁栅源通槽，由抱箍式安装座固定安装在油缸上(见图1)，同时也用作测量杆分段支撑通道。测量杆为工业级不锈钢方管定制，长12 990 mm，前部装有万向关节轴承，利用抱箍与油缸活塞杆前部连接，工作时随着油缸活塞杆上下运动，也相对静磁栅尺上下移动。

图1 静磁栅位移传感器安装示意

因传感器安装处与控制柜显示器相隔距离较远，约达100 m，为减少信号衰减，采用RS485通讯方式传输，显示器端为主站，静磁栅尺为从站，通过屏蔽双芯通讯电缆传送给显示器，显示器同时输出一个4～20 mA电流信号到闸门监控系统PLC中AI模块，经写入程序将模拟量信号转换成闸门开度后同步在PLC触摸屏上显示(见图2)。

图2 静磁栅开度仪显示控制器接线

但是，在实际泄洪中，强大的补气气流造成开度仪测量杆剧烈扰动，导致开度仪抱箍损毁，测量杆从油缸脱落。经及时发现处理，未影响到正常泄洪。

发现此项缺陷后，经多次研讨，最终确定出适应于紫坪铺工程特殊性的“新型”开度仪和安装工艺(见图3、4)，将“改造后”的静磁栅测量杆通过高强度万向轴承连接在弧形闸门支臂侧面，静磁栅尺也通过万向轴承连接在门槽顶部廊道的角钢安装底座，测量杆的长度由原来的12 990 mm缩短至3 056 mm，大大减小了受风面与焊接处的承重。闸门启闭时连动测量杆，行程信号送至独立显示器，通过其内置程序进行弧度比例换算到闸门竖直方向位移，并以4～20 mA信号送至PLC。