基于磁致伸缩位移传感器的船闸闸门控制系统

基于磁致伸缩位移传感器的船闸闸门控制系统
作者：陈明聪





       船闸是内核中应用最广的通航建筑物，能够保障船舶通过航道中有水位落差的河段。船舶的过闸必须经过闸门的开启与关闭过程，而在此过程中，能否对闸门进行有效而精确控制将直接关系到船闸的通行能力与运行安全。磁致伸缩位移传感器是利用磁致伸缩材料在电脉脉冲的吉利虾产生扭转波，根据波在介质中的传播速度与时间来计算位移。这种传感器具有精度高、量程大、可靠性高的特点，适用于船闸闸门这种高湿度、易腐蚀的环境。由于磁致伸缩位移传感器测量的是绝对位移，所以无需定期维护及标定，使用方便，而且无故障工作时间长。即使使用过程中电源中断也不影响测量结果，无需重新调整零位。基于磁致伸缩位移传感器设计了海安船闸的闸门控制系统。通过位移传感器实时反馈闸门的运行状态，并设计了控制算法测量原理及闸门运行控制。

2、传感器测量原理

       磁致伸缩位移传感器的机构包括一条磁致伸缩感应原件，通常称为“波导管”，一个永久磁铁。当电脉冲由传感器电子头浸入波导管时，便会沿着波导管的径向方向产生一个磁场。当电脉冲产生的磁场与永久磁铁的磁场相交的瞬间，波导管将由于磁致伸缩效应生成一个应变脉冲。根据Widemanm效应，金属随其瞬间变形产生波导扭曲，在波导管中形成一个磁致旋转波。他在波导管中的传播速度为v=√G/ρ式中，G为波导管的剪切弹性模量，ρ为波导管的密度。对于一定的波导管来说，G与ρ恒定，所以传播速度也恒定。当旋转波沿着波导管经过传感器电子头时，将被检测出来。由于电磁波的速度很快，传播时间可以忽略不计，只需要根据发射电脉冲与监测到的旋转波的时间差就可以计算永久磁铁与传感器电子头之间的位移：s=vt式中s表示测量位移，即活动浮子到传感器头部的距离，v是机械波在介质中的传播速度，t表示发射电脉冲与监测到的返回电脉冲的时间差。

       海安船闸的闸门为三角闸门结构，两侧闸门分别绕各自的门轴旋转实现闸门的开启与关闭。为了实现对闸门运行状态的实时监测与控制，采用磁致伸缩位移传感器，将磁致伸缩位移传感器安装在闸门油缸内。传感器电子头固定在油缸端盖上，活动浮子（磁环）an装在油缸活塞上；随着油缸活塞一起运动。其中，s是磁致伸缩传感器电子头到活动浮子的距离，根据传感器的测量数据，由式计算。

       在闸门的运行过程中，需要知道闸门正在开启，正在关闭，已经完全开启或已经完全关闭。在程序设计中使用传感器的侧脸该距离来判断闸门状态：

（1）当s=sp时，闸门完全开启；

（2）当s-sc时，闸门完全关闭；

（3）当sp＜s＜sc且ds/dt＞0，闸门正在关闭；

（4）当sp＜s＜sc且ds/dt＜0，闸门正在开启。

其中sp表示闸门完全开启时，传感器的测量位移，sc对应着闸门关闭时测量位移。在闸门的运行过程中，传感器的测量位移s的最大值是sc，最小值是sp。为了便于在程序的界面显示闸门的运行状态，用百分数来表示闸门的关闭程度k；k=s/（sc-sp）*100%

3、程序设计

       闸门运行控制系统基于PLC系统设计。

3.1闸门开度控制（已闸门开度为例）

       传感器位移输出信号以4-20mA电流信号的形式传递到PLC外端，通过施耐德PLC自行带有一个A/D转换器，将传感器位移输出的模拟信号转换成数字信号，进入PLC进行处理转换，模拟量转换模块（AI）中的7#通道用于左侧闸门开度。闸门开度对应的变量YM101_SF（INT型数据形式），要在组态画面上显示，需将INT型转换成REAL型数据形式：YM101_SF_DIS_1:=100.0*INT_TO_REAL(YM101_SF)/4095.0式中，YM101表示右侧闸门、SF表示开度反馈，设置PLC的AI通道为0-4095，将转换成上位机显示的闸门开度实时显示的实型显示值（0-100%）。在实际应用中利用PLC自带模块，只需要输入通道上、下限值，则模块会根据当前开度仪数值自动计算出当前位置的开度。

       由于闸门开度反馈值的精确度影响对后续的控制，为获得一个更加准确的数字，采用多次求和然后再求平均值的方法来减小误差。

闸门开度反馈

YM101_SF_DIS_4:=YM101_SF_DIS_3;

YM101_SF_DIS_3:=YM101_SF_DIS_2;

YM101_SF_DIS_2:=YM101_SF_DIS_1;

       变量之间的相互赋值，将得到右侧闸门4个开度值，并对得到的闸门开度个值进行求和平均。这样PLC就得到了闸门开度较为精确地反馈值。反馈值不但用于开度显示，还用于闸门的无级变速与同步控制。

3.2闸门变速、同步控制

       闸门的变速、同步控制，通过PLC对比例泵流量比例阀的电压控制，改变油泵的排油量，从而达到闸门启闭慢-快-慢变速与同步运行。闸门运行设计要求，再开始36s时间内速度从0升到2m/min，以2m/min匀速运行96s，速度再从2m/min讲到0.5m/min闸门运行到位，全称运行时间约为168.5s。

从闸门运行可以看出，闸门运行是一个慢-快-慢运行过程，在控制中，采取在曲线上取点（点取得越多就越精确，两个点间可以近似看做是一条直线），加速阶段取10个点（0-9），闸门开度为0-20%；匀速阶段取1个点（10），闸门开度为20~80%，减速阶段取10个点（11-20），闸门开度为80-100%。即：当加速过程（慢-快）至闸门开度20%，匀速运行至闸门开度80%后，浸入减速阶段（快-慢），闸门运行开度控制用装在闸门油缸内的磁致伸缩位移传感器来实现。在控制程序中每个点赋予其不同的电压值，控制比例泵的流量比例阀，油泵的排油量随控制电压的大小而变化（流量比例阀的控制电压为0-10V，赋值电压大小根据闸门运行速度与运行时间而定）。

4、结语

       采用磁致伸缩位移传感器测量海安船闸闸门的运行状态，并推导了由测量位移求解闸门开度的公式，基于PLC系统设计了控制程序，并兼容了一定的故障检测与容错能力。位移传感器的应用，能实现监测到闸门运行的全过程，并为闸门慢-快-慢运行提供了闸门开度控制节点；闸门运行开度实时显示，方便工作人员对闸门运行的监控，减轻工作人员的劳动强度；闸门慢-快-慢运行提供了闸门开度控制节点；闸门运行开度实时显示，方便工作人员对闸门运行的监控，减轻工作人员的劳动强度；闸门慢-块-慢运行的监控，减轻工作人员的劳动强度；闸门慢-快-慢运行的无极变度，闸门运行平滑无顿挫感；闸门同步运行，避免了扎门关到位时的错位现象，使闸门中缝、边缝止水效果更好。







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