CPMS-JD型液压油缸传感器故障分析及改进建议

覃俊展

（广西大藤峡实业管理有限公司，广西 桂平 530200）

0 引言

大藤峡水利枢纽工程位于广西壮族自治区桂平市，是国家172项节水供水重大水利工程的标志性工程，集防洪、航运、发电、水资源配置、灌溉等效益于一体，是珠江流域控制性水利枢纽。黔江汛期来水量变化较大，为保证枢纽汛期的安全，需频繁调节上下游水位，因此需要经常对泄水闸门进行启闭操作。

泄水闸门设在黔江主坝左、右厂房之间，自左岸厂房至右岸厂房依次布置左岸挡水建筑物、左岸泄水高孔1个、泄水低孔24个、右岸泄水高孔1个、右岸挡水建筑物。弧形闸门的启闭采用QHLY-2×6 300 kN-13.0 m双吊点后拉式双作用液压双缸启闭机[1]，泵站驱动方式为“两电机一个泵站控制一孔闸门”，可在动水中全程启闭或任意开度的局部开启。每根液压缸端部安装有嵌入式CPMS-JD型传感器（以下简称：传感器），该传感器达到毫米测量级别，能够准确判断液压缸行程，为可编程控制器（PLC）实现液压缸开度实时检测、自动纠偏、下滑回位、精准控制功能提供必备保证，同时也是“自动”“远控”运行模式的重要条件，是闸门启闭机自动控制的“眼睛”，其作用尤为重要。

1 传感器介绍

1.1 传感器原理

首先利用精密的数控机床在活塞杆母材表面加工出微小、均布的平底、平顶齿沟，以此作为行程检测的量度，然后以高压、高温火焰喷射特种陶瓷，行成耐磨、耐蚀的非导磁层，经研磨加工后作为活塞杆工作表面。当活塞杆运行时，安装在油缸头部并紧贴活塞杆表面的CPMS-JD传感器，可测得活塞杆上齿顶、齿底部位磁场波形变化的脉冲信号，并将该信号传输给电气控制装置进而转换成活塞行程的数字显示[2]。

传感器是江苏武进液压启闭机有限公司研发的第三代陶瓷活塞杆配套绝对型产品，其技术参数如表1所示。

表1 CPMS-JD型传感器技术参数

1.2 传感器主要特性

结构紧凑、体积小，外观最大尺寸仅为146 mm，用4颗M6×20带垫片的螺丝即可固定在液压缸的前端盖上，因此其安装检修非常方便；采用定制硬件逻辑，实现了传感器的高检测精度和高抗干扰性能，保证了开度检测及控制的精确性和设备运行的可靠性；输出信号为十六位格雷码；无论活塞杆是否移动，陶瓷杆的任意位置开度数值均是唯一的，上电后即可显示当前准确位置；分辨率0.5 mm，防护等级IP68，满足长期泡水要求；具有永久记忆功能，解决了传感器长期失电引起的数据丢失问题[3]。

2 传感器的电气回路

传感器由直流24 V电源模块供电，传感器将精准测量到的液压缸行程信号通过RGGP-20×0.14 mm2电缆传至液控柜的PLC模块内，再由PLC输入模块控制电液比例调速阀，实现油缸开度精准测量与双缸同步控制[4]。

传感器电气信号模型见图1。

图1 电气信号模型

3 故障现象

根据2020年3月~2021年12月启闭机故障统计分析，液压缸传感器开度数值跳跃或信号丢失故障多达12次，导致泄水闸门启闭机无法远程或自动操作，严重影响泄水闸门稳定运行。

4 原因分析

针对传感器开度数值跳跃、信号丢失的故障问题，维护人员从传感器包装、组成构件、安装工艺、环境等方面进行了分析。

4.1 运输包装存储方面

传感器出厂时放置在15 mm厚度的可发性聚苯乙烯加工成型的泡沫箱内，泡沫箱外还套有一个厚度5 mm纸箱，在堆叠高度为5层的负载挤压下，泡沫通过变形能有效起到缓冲、减震、吸能的作用，同时具有保温、隔热的功能。传感器发货时放置在电气控制盘柜内部，经由专用物流货车运输到施工现场。在整个运输包装过程中传感器都得到严密、全面的防护，有效杜绝因运输、包装存储引起传感器损坏。

4.2 组成构件

传感器由铝合金腔壳、前端盖、后端盖、测量元件、主板、电缆和防水接头组成。测量元件贴紧安装在前端盖上、主板固定在铝合金腔壳内、电缆线芯通过端子与主板针脚连接、防水接头套压在信号电缆与铝合金腔壳缝隙处起隔水密封作用，同时在铝合金腔壳内灌注透明的防水果冻胶，形成严密的IP68级防水体系。为验证传感器的防水性能，将多个传感器放入1 m深的水箱里浸泡1 h后再装入液压缸，通电后液压缸开度数值稳定、测量精度准确、传感器供电电压没有出现波动，证明传感器防水性能确实达到IP68等级，满足现场工作的要求。结合厂家提供的试验项目合格证书、实际使用反馈和简易模拟试验，传感器性能在不被外部环境破环下是完全满足现场使用需求的。

传感器信号传输采用RGGP-20×0.14 mm2电缆，长度为40 m左右，电缆转接端子箱配置轨道式螺钉式接线端子，在开启泄水闸门时，急速的水流通过流道时产生的水跃振动波会引起转接端子箱内接线端子共振松动，从而导致传感器信号跳跃或丢失。同时传感器信号传输电缆引出端有40 cm无护线铁管保护，当洪水淹没至传感器安装位置时，河道内的漂浮物在水流冲击下会碰撞到信号电缆，从而引发信号电缆断裂、破损。

在对存在数据跳跃、信号丢失问题的传感器检查时发现测量元件紧贴在前端盖板上，任何对前端盖的物理性撞击都有可能引发测量元件损伤导致测量失效，这点从厂家提供的产品说明书得到印证。

4.3 安装工艺

产品安装工艺要求明确规定：安装间隙0.2~0.5 mm。检查发现传感器前端盖出现摩擦刮痕的传感器都出现数据跳跃、丢失故障，说明传感器测量面与陶瓷杆表面存在摩擦。使用深度尺测量液压缸传感器安装孔深度为16.0 mm，传感器测量面突出部位为16.5 mm，也没有发现安装有调节间隙的垫片，验证了施工安装人员在安装过程中没有严格按照传感器说明书要求保证间隙0.2~0.5 mm，在闸门启闭过程中陶瓷杆与传感器测量面挤压摩擦发热导致测量元件损坏。

同时发现传感器信号电缆在转接端子箱处的线芯存在不同程度的氧化发黑或产生铜绿，容易造成线芯接触电阻过大或接触不良引起数据跳跃、丢失故障，这是安装工人在配线过程中忽略线芯镀锡处理工序遗留的隐患。

4.4 程序调试不到位

部分传感器在使用过程中会偶然出现某些区间行程开度数值不稳定，类似信号“被干扰”情况，通过排查传感器接线、安装间隙、端子松动和工作电源等可能存在的隐患点，均无发现问题。经过与厂家技术人员沟通得知：传感器使用后应进行程序适配，利用PC端软件获取液压缸全行程曲线参数并分析提取最优的曲线，使得传感器与液压缸运动曲线相匹配。

5 经验与对策

（1）强化与制造商沟通，提高传感器防护能力

结合工程地址所处河道汛期漂浮物密集、大型漂浮物多等特点，应该要求传感器制造商在设计时考虑在信号电缆外使用抗拉力强、耐磨、防水性好的钢丝编织软管保护，防止漂浮物碰撞导致信号电缆断裂、破损。

（2）优化元件选型，提高信号回路可靠性

在元件选型工作中，应充分考虑使用场合环境的影响，在震动的环境里转接端子箱不应使用螺钉式接线端子，应使用具有防松功能的弹簧式接线端子，降低接线端子松动导致开度数值跳跃、丢失故障。

（3）开展安装技术培训，抓好验收质量

传感器属于价格昂贵、高精密产品，对安装工艺要求高，安装前应开展专项技术培训，使安装人员明白安装注意事项和标准流程，严格按照注意事项和安装步骤作业，在安装间隙和信号电缆线芯镀锡等关键工序应有专业技术人员旁站监督，逐项复核逐项验收，降低安装错误引起的传感器损坏。

安装注意事项：①传感器虽然具有一定强度，但要避免损伤测量表面下的传感器单元，在搬运、安装过程中尽量避免碰撞和拉拽。②传感器内部有强磁体，从油缸安装孔上取下时，可能会因为对金属部件的吸引力而产生撞击，导致伤害测量表面。③安装固定过程中要保证正确的间隙（0.2~0.5 mm）。如果间隙过大，输出脉冲可能丢失甚至无输出信号。④安装过程中须采用标准防静电措施，防止人体静电给传感器内部电子元器件造成意想不到的损害。

安装具体步骤：①润滑传感器密封O型圈。②计算测量间隙数据，使用定制垫片调节间隙在0.2~0.5 mm范围内。③移除保护罩，小心将传感器安装至油缸安装孔位中。④用内六角扳手拧紧4颗固定螺丝，锁紧传感器。⑤使用电烙铁对信号电缆线芯进行镀锡保护并套上铜鼻子后压紧。⑥将信号电缆接地线与接地网可靠连接，增大接触面积。⑦将信号电缆穿入金属管或远离动力电缆布排。⑧通电测试，观察记录分析开度数值变化情况。必要时将传感器与液压缸进行程序适配，选用最优曲线。

（4）加强对设备检查维护，及时消缺隐患，提高传感器安全性和可靠性，降低故障发生率[5]

定期启动液压启闭机泵站启闭液压缸，检查传感器开度数值反馈情况，发现数值异常要及时组织维护人员查找原因。非汛期闸门启闭机启动，可在落下检修闸门情况下，进行闸门全开全关试验，检验启闭机传感器工作状态，确保在汛期防洪时能够正常使用。

定期观察传感器周围是否存在强磁物体，及时清理周围杂物，观察传感器表面是否受到了撞击损伤或者其他的硬物冲击等造成的变形。在汛期来临之前检查传感器固定螺丝，若有松动出现可影响测量间隙的变化。定期检查液压缸陶瓷杆表面陶瓷层是否存在脱落、鼓包等情况，如有需要及时联系制造商上门处理。

6 结语

CPMS-JD传感器在水利行业泄水闸门已广泛应用，属于成熟的产品。在安装过程中存在培训不到位、安装质量把关不严、保养维护跟不上等问题，往往容易导致使用过程中出现故障，可见对安装工人的技能培训、完善的施工管理、严密的验收制度是关乎设备正常使用的重要保证。泄水闸门传感器维护作业是高空作业、临水作业，该类型的作业成本高、时间长、风险大，妥善维护将降低企业设备维护费用。