戴會冉

（水利部海河水利委員會引灤工程管理局大黑汀水庫管理處，河北 遷西064300）

1 引言

大黑汀水利樞紐工程位于河北省遷西縣城北5 km灤河干流上，距上游潘家口水庫35 km，是開發(fā)灤河的大型骨干工程之一。主壩為低寬縫式混凝土重力壩，屬二級水工建筑物，壩頂高程138.8 m壩長1354.50 m，泄洪主要應(yīng)用露頂式弧形閘門，工程共設(shè)28孔溢流閘閘門，最大壩高52.80 m，總庫容3.37億m3。溢流壩在汛期泄洪和向灤河下游供水發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，運用傾角傳感器，提高了弧形閘門開高檢測的準(zhǔn)確性，提高了水庫調(diào)度精度。

2 問題提出

目前，弧形閘開高檢測全部由安裝于現(xiàn)地的28個閘位開度荷重儀提供開高的輸入信號，由于開高傳感器采取了在減速機傳動軸上同軸連接的方式，因此開高檢測環(huán)節(jié)不可避免的存在如下問題：

（1）由于鋼絲繩在閘門全關(guān)后，大都處于松弛狀態(tài)，當(dāng)再次提升閘門時，卷揚機首先要完成的動作就是先將松弛的這段鋼絲繩拉緊，然后才會去真正地提升閘門。

（2）鋼絲繩本身的慣性因素影響也會導(dǎo)致開高測量存在誤差。因為鋼絲繩因閘門自重的作用，閘門上升與下降終了往往存在一定的運動慣性。在閘門開啟過程中，停機信號發(fā)出后，上升慣性引起的閘門位移很小，而在閘門關(guān)閉時下降慣性引起的閘門位移相對較大。

（3）受自身彈性變形的影響，當(dāng)鋼絲繩受載時會發(fā)生彈性伸長，彈性形變導(dǎo)致的位移會導(dǎo)致開高傳感器接收到脈沖信號，誤認為此時閘門已經(jīng)開始啟閉。

（4）實際安裝的開高傳感器限位開關(guān)輸出與內(nèi)部接收到的脈沖數(shù)直接相關(guān)，并不能反映真實的閘門極限位置。

為此，為方便工程的管理，為現(xiàn)代化的水利調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)，有必要有針對性的對這種現(xiàn)狀予以消除或徹底解決。

3 改進思路

隨著單片機產(chǎn)品普及以及運算能力的提高，運用單片機技術(shù)加傾角傳感器芯片，可以很方便地測量出閘門支臂旋轉(zhuǎn)的角度，進而計算出閘門開高。圖1所示為弧形閘門實際安裝圖，弧形門旋臂（圓心）安裝海拔高程為128.5 m，弧形閘門下沿（閘門底部）高程為121.41 m?；⌒伍T實際安裝圖可以用圖2（28孔溢洪壩弧形閘門安裝等效圖）表示。

4 弧門旋轉(zhuǎn)角度與開高的關(guān)系

由閘門安裝的等效圖（圖2）可以看出，A點水平線與弧門底端半徑之間的夾角如圖3所示，當(dāng)弧形閘門支臂旋轉(zhuǎn)α角時B、C兩點升高至B'和C'，閘門的實際開高為：

圖1 28孔溢洪壩弧形閘門安裝示意圖

圖2 28孔溢洪壩弧形閘門安裝等效圖

由公式（1）（2）（3）可以得出弧形閘門開高（用H表示）與支臂旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系如下：

進而推出：

5 支臂旋轉(zhuǎn)角度α的測量

弧形閘設(shè)計最大開高12.1 m，旋轉(zhuǎn)支臂15 m，依公式（4）計算如下：

考慮到日常運行過程中閘門調(diào)節(jié)一般為厘米級，當(dāng)閘門調(diào)節(jié)最小值為1 cm時對應(yīng)的α值：

據(jù)此，我們所選的傳感器芯片最大測量范圍應(yīng)大于47.72°，分辨率小于0.02°。綜合考慮芯片測量參數(shù)，實際應(yīng)用電路以及性價比等，可以選擇芬蘭VTI公司生產(chǎn)的SCA-103 T系列產(chǎn)品，它是基于3 D-MEMS的高精度雙軸（或單軸）傾角傳感器芯片，它提供了水平測量儀表級的性能。它的弱溫度依賴性、高分辨率、低噪聲和健全的傳感元件設(shè)計非常適合大黑汀大壩弧形閘的運行環(huán)境和旋轉(zhuǎn)支臂的角度測量，傳感元件內(nèi)部增加的阻尼設(shè)計使得傳感器本身對于高頻振動不靈敏，可以有效濾掉由于水流沖擊對支臂造成的振動。該芯片的測量范圍為±30°（總量程 60°，分辨率 0.001°，完全能夠滿足大黑汀大壩弧形門的開啟精度。

從SCA-103 T功能框圖（圖4）可以看出，該傳感器芯片由傳感器元件和A/D轉(zhuǎn)換、SPI通信等元件組成。傳感器元件在完成數(shù)據(jù)采集后，經(jīng)過內(nèi)部數(shù)據(jù)校準(zhǔn)與調(diào)節(jié)過濾后輸出給外部設(shè)備（比如單片機）進行進一步數(shù)據(jù)處理。其中輸出有2種方式：①直接模擬量輸出，②通過SPI接口以同步串行通信的方式輸出。

圖4 SCA-100 T系列芯片功能框圖

為了對所測量的角度數(shù)據(jù)進一步處理和利用，采用SPI通信輸出的方式將數(shù)據(jù)傳輸給單片機（如STM32 F103系列），再用單片機把角度換算成閘門的實際開高以便對數(shù)據(jù)進一步開發(fā)利用。

在取得（閘門）實際開高數(shù)據(jù)后，可以根據(jù)閘門的控制要求進行進一步開發(fā)，組成一個完整的閘門測控系統(tǒng)。比如：根據(jù)水庫調(diào)度取得開高數(shù)據(jù)后再根據(jù)要求設(shè)定閘門的上、下限開高限制，或者根據(jù)上游水位及泄水量自動換算出開高并自動完成閘門升降操作等。

6 基于SCA-103 T設(shè)計閘門開高控制儀實現(xiàn)

（1）SCA-103 T簡介：SCA-103 T系列是以單晶硅材料制造的高精度單軸傾角傳感器，傳感器由3層硅片構(gòu)成，形成立體結(jié)構(gòu)，當(dāng)傾斜或者有加速度的時候，中間質(zhì)量片會傾斜向某一側(cè)，從而引起兩側(cè)電容變化，通過對該變化量的測量、計算，即可得到傾斜角度。SCA-103 T有兩個模擬量輸出和一個數(shù)字SPI接口以提供直接信號處理。在8 Hz帶寬情況下，模擬信號分辨率為0.001°，數(shù)字信號分辨率為0.009°/LSB，該產(chǎn)品內(nèi)部具有溫度測量和補償功能，采用12腳塑封SMD封裝。

（2）系統(tǒng)構(gòu)成：閘門開高控制儀主要由傾角傳感器和數(shù)據(jù)處理器以及數(shù)據(jù)傳輸模塊3部分組成，傾角傳感器對（閘門）旋轉(zhuǎn)支臂角度進行數(shù)據(jù)采集后傳輸給數(shù)據(jù)處理器進行數(shù)據(jù)處理并換算成標(biāo)準(zhǔn)開高值，然后再發(fā)送給數(shù)據(jù)傳輸模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊按照某一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約（485串口或以太網(wǎng)口）發(fā)送給相關(guān)的控制設(shè)備，同時以IIC模式把開高值傳送給開高顯示模塊用于現(xiàn)場開高顯示。整個系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 閘門開高控制儀系統(tǒng)框圖

（3）系統(tǒng)設(shè)計：數(shù)據(jù)處理器（MCU）對SCA-103 T傾角檢測有兩種方法，一種方法是SCA-103 T的兩個模擬輸出經(jīng)差動運算放大器放大后送入MCU的AD輸入端。另一種方法是MCU通過SPI接口直接讀取SCA-103 T內(nèi)部通道數(shù)據(jù)存儲器，該方法具有硬件電路相對簡單，編程簡便等優(yōu)點。本設(shè)計即采用此種方法。

（4）軟件設(shè)計：按照SPI通信協(xié)議要求，設(shè)定數(shù)據(jù)處理模塊MCU為主設(shè)備提供SPI時鐘，SCA-103 T作為從設(shè)備根據(jù)主設(shè)備提供的指令進行各種數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)在上電后首先執(zhí)行數(shù)據(jù)處理模塊MCU各端口初始化程序，然后再根據(jù)SCA-103 T芯片用戶手冊對傾角傳感器芯片進行初始化，輸入相應(yīng)指令完成對溫度及加速度通道的數(shù)據(jù)讀取。讀出的數(shù)據(jù)再通過SPI端口傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理MCU完成相應(yīng)運算。具體程序框圖如圖6。

圖6 軟件設(shè)計流程圖

7 實驗平臺及其測試情況

根據(jù)以上敘述，搭建硬件實驗平臺并編制軟件，經(jīng)測試和仿真，實際效果滿足運調(diào)度行管理需要，實際高度輸出偏差在0.5 cm以內(nèi)，精度完全滿足日常調(diào)度運行管理的需要，下一步我們將繼續(xù)完善軟件并將限位控制等集成到本硬件平臺上，逐步使該平臺不斷完善，并做成產(chǎn)品，投入到實際的生產(chǎn)中。

8 結(jié)束語

綜上所述，基于SCA-103 T實現(xiàn)高精度傾角檢測系統(tǒng)，非常適合溢洪道弧形閘門的開高測量，如果在硬件設(shè)計上加入壩前水位測量，在軟件設(shè)計中加入水位與開高及流量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，還可以很方便地輸入泄水量，由系統(tǒng)自身計算出閘門開高，不僅可以提高水庫調(diào)度泄水流量的精度，更可以極大地提高自動化程度。如果伴隨著配套產(chǎn)品的研發(fā)及應(yīng)用，傾角式閘門開高控制儀在弧形閘門測控上具有廣泛的應(yīng)用前景，勢必會為大黑汀水庫管理處創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟利益，提高水庫調(diào)度管理的現(xiàn)代化水平。