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基于磁致伸縮位移傳感器設(shè)計了海安船閘的閘門控制系統(tǒng)。通過位移傳感器實時反饋閘門的運行狀態(tài)，并設(shè)計了控制算法測量原理及閘門運行控制。

1、傳感器測量原理

磁致伸縮位移傳感器的機(jī)構(gòu)包括一條磁致伸縮感應(yīng)原件，通常稱為“波導(dǎo)管”，一個永久磁鐵。當(dāng)電脈沖由傳感器電子頭浸入波導(dǎo)管時，便會沿著波導(dǎo)管的徑向方向產(chǎn)生一個磁場。當(dāng)電脈沖產(chǎn)生的磁場與永久磁鐵的磁場相交的瞬間，波導(dǎo)管將由于磁致伸縮效應(yīng)生成一個應(yīng)變脈沖。根據(jù)Widemanm效應(yīng)，金屬隨其瞬間變形產(chǎn)生波導(dǎo)扭曲，在波導(dǎo)管中形成一個磁致旋轉(zhuǎn)波。他在波導(dǎo)管中的傳播速度為v=√G/ρ式中，G為波導(dǎo)管的剪切彈性模量，ρ為波導(dǎo)管的密度。對于一定的波導(dǎo)管來說，G與ρ恒定，所以傳播速度也恒定。當(dāng)旋轉(zhuǎn)波沿著波導(dǎo)管經(jīng)過傳感器電子頭時，將被檢測出來。由于電磁波的速度很快，傳播時間可以忽略不計，只需要根據(jù)發(fā)射電脈沖與監(jiān)測到的旋轉(zhuǎn)波的時間差就可以計算永久磁鐵與傳感器電子頭之間的位移：s=vt式中s表示測量位移，即活動浮子到傳感器頭部的距離，v是機(jī)械波在介質(zhì)中的傳播速度，t表示發(fā)射電脈沖與監(jiān)測到的返回電脈沖的時間差。

海安船閘的閘門為三角閘門結(jié)構(gòu)，兩側(cè)閘門分別繞各自的門軸旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)閘門的開啟與關(guān)閉。為了實現(xiàn)對閘門運行狀態(tài)的實時監(jiān)測與控制，采用磁致伸縮位移傳感器，將磁致伸縮位移傳感器安裝在閘門油缸內(nèi)。傳感器電子頭固定在油缸端蓋上，活動浮子（磁環(huán)）an裝在油缸活塞上；隨著油缸活塞一起運動。其中，s是磁致伸縮傳感器電子頭到活動浮子的距離，根據(jù)傳感器的測量數(shù)據(jù)，由式計算。

在閘門的運行過程中，需要知道閘門正在開啟，正在關(guān)閉，已經(jīng)完全開啟或已經(jīng)完全關(guān)閉。在程序設(shè)計中使用傳感器的側(cè)臉該距離來判斷閘門狀態(tài)：①當(dāng)s=sp時，閘門完全開啟；②當(dāng)s-sc時，閘門完全關(guān)閉；③當(dāng)sp＜s＜sc且ds/dt＞0，閘門正在關(guān)閉；④當(dāng)sp＜s＜sc且ds/dt＜0，閘門正在開啟。其中sp表示閘門完全開啟時，傳感器的測量位移，sc對應(yīng)著閘門關(guān)閉時測量位移。在閘門的運行過程中，傳感器的測量位移s的最大值是sc，最小值是sp。為了便于在程序的界面顯示閘門的運行狀態(tài)，用百分?jǐn)?shù)來表示閘門的關(guān)閉程度k；k=s/（sc-sp）*100%

2、程序設(shè)計

2.1 閘門開度控制（已閘門開度為例）

傳感器位移輸出信號以4-20mA電流信號的形式傳遞到PLC外端，通過施耐德PLC自行帶有一個A/D轉(zhuǎn)換器，將傳感器位移輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進(jìn)入PLC進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換，模擬量轉(zhuǎn)換模塊（AI）中的7#通道用于左側(cè)閘門開度。閘門開度對應(yīng)的變量YM101_SF（INT型數(shù)據(jù)形式），要在組態(tài)畫面上顯示，需將INT型轉(zhuǎn)換成REAL型數(shù)據(jù)形式：YM101_SF_DIS_1:=100.0*INT_TO_REAL(YM101_SF)/4095.0式中，YM101表示右側(cè)閘門、SF表示開度反饋，設(shè)置PLC的AI通道為0-4095，將轉(zhuǎn)換成上位機(jī)顯示的閘門開度實時顯示的實型顯示值（0-100%）。在實際應(yīng)用中利用PLC自帶模塊，只需要輸入通道上、下限值，則模塊會根據(jù)當(dāng)前開度儀數(shù)值自動計算出當(dāng)前位置的開度。

由于閘門開度反饋值的精確度影響對后續(xù)的控制，為獲得一個更加準(zhǔn)確的數(shù)字，采用多次求和然后再求平均值的方法來減小誤差。

閘門開度反饋：

YM101_SF_DIS_4:=YM101_SF_DIS_3；YM101_SF_DIS_3:=YM101_SF_DIS_2；YM101_SF_DIS_2:=YM101_SF_DIS_1。

變量之間的相互賦值，將得到右側(cè)閘門4個開度值，并對得到的閘門開度個值進(jìn)行求和平均。這樣PLC就得到了閘門開度較為精確地反饋值。反饋值不但用于開度顯示，還用于閘門的無級變速與同步控制。

2.2 閘門變速、同步控制

閘門的變速、同步控制，通過PLC對比例泵流量比例閥的電壓控制，改變油泵的排油量，從而達(dá)到閘門啟閉慢-快-慢變速與同步運行。閘門運行設(shè)計要求，再開始36s時間內(nèi)速度從0升到2m/min，以2m/min勻速運行96s，速度再從2m/min講到0.5m/min閘門運行到位，全稱運行時間約為168.5s。

從閘門運行可以看出，閘門運行是一個慢-快-慢運行過程，在控制中，采取在曲線上取點（點取得越多就越精確，兩個點間可以近似看做是一條直線），加速階段取10個點（0-9），閘門開度為0-20%；勻速階段取1個點（10），閘門開度為20～80%，減速階段取10個點（11～20），閘門開度為80～100%。即：當(dāng)加速過程（慢～快）至閘門開度20%，勻速運行至閘門開度80%后，浸入減速階段（快～慢），閘門運行開度控制用裝在閘門油缸內(nèi)的磁致伸縮位移傳感器來實現(xiàn)。在控制程序中每個點賦予其不同的電壓值，控制比例泵的流量比例閥，油泵的排油量隨控制電壓的大小而變化（流量比例閥的控制電壓為0～10V，賦值電壓大小根據(jù)閘門運行速度與運行時間而定）。

3、結(jié) 論

采用磁致伸縮位移傳感器測量海安船閘閘門的運行狀態(tài)，并推導(dǎo)了由測量位移求解閘門開度的公式，基于PLC系統(tǒng)設(shè)計了控制程序，并兼容了一定的故障檢測與容錯能力。位移傳感器的應(yīng)用，能實現(xiàn)監(jiān)測到閘門運行的全過程，并為閘門慢-快-慢運行提供了閘門開度控制節(jié)點；閘門運行開度實時顯示，方便工作人員對閘門運行的監(jiān)控，減輕工作人員的勞動強度；閘門慢-快-慢運行提供了閘門開度控制節(jié)點；閘門運行開度實時顯示，方便工作人員對閘門運行的監(jiān)控，減輕工作人員的勞動強度；閘門慢-塊-慢運行的監(jiān)控，減輕工作人員的勞動強度；閘門慢-快-慢運行的無極變度，閘門運行平滑無頓挫感；閘門同步運行，避免了扎門關(guān)到位時的錯位現(xiàn)象，使閘門中縫、邊縫止水效果更好。