趙水汨，劉須朋，楊 模

（江蘇省泗陽閘站管理所，江蘇 宿遷 223800）

泗陽節(jié)制閘位于泗陽縣城主城區(qū)東2.5 km 中運河上，該閘具有防洪、灌溉等綜合功能。泗陽節(jié)制閘設(shè)計流量1 000 m3/s，7 孔弧形鋼閘門，配QH-2×225KN-10m 卷揚式啟閉機。在水利工程中，閘門是水工結(jié)構(gòu)的重要組成部分之一，它可以根據(jù)需要來關(guān)閉建筑物的孔口，也可以全部或部分打開孔口以調(diào)節(jié)上、下游水位和流量，弧形閘門是擋水面為圓柱體的部分弧形面的閘門。其支臂的支承鉸位于圓心，啟閉時閘門繞支承鉸轉(zhuǎn)動?；⌒伍l門由轉(zhuǎn)動門體、埋設(shè)構(gòu)件及啟閉設(shè)備3個部分組成。

1 技術(shù)改造緣由

閘門形式有平板直升閘門和弧形閘門，閘門啟閉過程為電動機→減速齒輪→卷筒→卷筒鋼絲繩→閘門吊點→提升或關(guān)閉閘門，編碼器與卷筒同軸。編碼器通過數(shù)據(jù)線到控制柜的閘門開度儀顯示器［1］。

閘門開啟高度（簡稱閘門開度）是指閘門底部止水指閘門底檻的垂直距離，在以往的直升閘門的啟閉機上，高度指示器為機械式，開度大小是通過啟閉機卷筒鋼絲繩上升下降位移長度的位移量來直接反映機械指示的，因為閘門的位移與開高下降均在同一方向，而對于弧形閘門，閘門行走位移是在一個弧線上，不能直接反映閘門的開高。開度儀指示器的開度值與實際值往往相去甚遠，從而無法正確控制下泄洪水流量。

泗陽節(jié)制閘弧形閘門的原有開度儀在控制柜上顯示，是通過測量閘門啟閉機卷筒的鋼絲繩行走長度來測量閘門開度的，原有的開度儀是按照平板直升門的原理來調(diào)整參數(shù)的，但泗陽節(jié)制閘閘門為弧形閘門。鋼絲繩的行走長度不是閘門的實際開高與下降，閘門開度與實際排水流量誤差大，因此，需要對弧形閘門的開度儀裝置進行技術(shù)改造［2］。

泗陽節(jié)制閘弧形閘門從關(guān)閉狀態(tài)（實線部分）到開啟狀態(tài)（虛線部分），見圖1。啟閉機鋼絲繩從豎直線L1變?yōu)樾崩€L2。閘門旋轉(zhuǎn)角度從0度變?yōu)棣两?，弧形閘門實際開高H=L1-L2cosα，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用弧形閘門標尺，相應(yīng)弧形標尺進行電子編碼測算的開度儀，值班人員根據(jù)弧形閘門編碼的開度儀開關(guān)閘門，下泄洪水，及時準確完成調(diào)度指令。

圖1 弧形閘門關(guān)閉與開啟（單位：m）

2 技術(shù)改造原理

泗陽節(jié)制閘弧形閘門是沿著弧形門槽繞著固定圓心旋轉(zhuǎn)，閘門的底部與閘門的頂部同時在門槽的弧線上旋轉(zhuǎn)，底部行走軌跡經(jīng)固定圓心旋轉(zhuǎn)后與頂部旋轉(zhuǎn)軌跡是重疊的，將閘門開度標尺的指針安裝在閘門的頂部，底部的行走軌跡制作成標尺，即能真實體現(xiàn)閘門的實際開高。根據(jù)閘門啟閉機卷筒鋼絲繩與弧形閘門開度之間的關(guān)系式，采用編碼器。按啟閉機卷筒鋼絲繩的位移距離輸出，編碼器對此信號進行處理，編碼器將信號或數(shù)據(jù)編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號。根據(jù)鋼絲繩位移距離長度的對應(yīng)弧形閘門的開度，推導出關(guān)系式。將開度值信號發(fā)送到控制柜的顯示器上，實現(xiàn)遠方集中控制［3］。

閘門開度標尺指示為閘門實際開高，由于弧長閘門開度對不同半徑和角度的閘門所對應(yīng)關(guān)系不同，通過CAD 的旋轉(zhuǎn)功能，將閘門底部實際標高位置（▽11.5 m）旋轉(zhuǎn)至將要安裝標尺的位置（▽18.5 m），即形成用于指示閘門開高的指示標尺。實際工作中，按CAD 圖制作弧形標尺，比例為1∶1，泗陽節(jié)制閘在正常設(shè)計水位下，弧形閘門的高度大部分在上游水位淹沒，在正常情況下，故弧形標尺安裝在高程▽18.5 m水位以上，見圖2。

圖2 閘門開度計算原理（單位：m）

泗陽節(jié)制閘弧形閘門：閘門底高程A點為▽11.50 m，鉸鏈O點高程為▽17.5 m，閘門頂B點高程為▽18.50 m，弧形閘門外側(cè)半徑為R8.50 m，內(nèi)側(cè)半徑為R8.30 m，閘門最大開高為4.0 m，現(xiàn)場直讀式指示標尺制作最大指示刻度為4.5 m。旋轉(zhuǎn)弧形閘門，閘門鉸鏈O點作為基準點，將整修圖形從閘門門底A點旋轉(zhuǎn)至閘門門頂B點，即形成將用于指示閘門垂直開高的現(xiàn)場直讀式指示標尺。O點為閘門鉸鏈點，高程為▽17.5 m，弧線AB為閘門外側(cè)弧線，A點為閘門門底，高程為▽11.5 m，B點為閘門門頂，高程為▽18.5 m，過O點畫一條水平線，與弧線AB相交與C點，過A點畫一條水平線AN，S點為現(xiàn)地直讀式指示標尺上端點（詳見現(xiàn)地直讀式指示標尺原理圖），D點為閘門開啟的任一位置（應(yīng)在規(guī)定的最高開啟高度之間，本例在4.0 m之間，應(yīng)在弧線AS之間），過D點畫一垂線分別與OC、AN相交與M點和N點，則MN為6 m，分別打開弧線AS、弧線AC，可查得其總角度分別為34.74°、44.90°，即∠AOS=34.74°、∠AOC=44.90°。

閘門開度的標尺DN，從底部起N點▽0 m 到頂點D點▽4.5 m 之間的任一點都閘門的開度都符合上述公式［4］。

2.1 遠方遙測（電子閘位計）顯示裝置

設(shè)備配制：在閘門現(xiàn)地弧形閘門的直讀式指示標尺內(nèi)側(cè)裝設(shè)與標尺同心的弧形滑線變阻器，采用單片機制成電路板，變阻器的最小位置端、最大位置端及滑動端分別對應(yīng)現(xiàn)地直讀式指示標尺的最小位（0位），最大位（4.5 m）和閘門開度指針位，變阻器的最小位置端、最大位置端及滑動端作為輸入信號，經(jīng)電路處理，輸出4~20 mA 的直流電流，至數(shù)字表進行閘門開度顯示。根據(jù)滑線變阻器的工作原理，其電壓與其長度成正比，所以：

弧線AD長÷弧線AS=滑線變阻器滑動端與最小位置端壓差÷滑線變阻器最大位置端與最小位置端壓差。

根據(jù)三角函數(shù)公式計算為

2.2 電氣原理

電源部分見圖3，（1）24 V轉(zhuǎn)5 V：給外圍芯片和繼電器等器件供電；（2）3.3 V電源：給CPU處理器供電；（3）P1用于外接24 V供電電源，儀表面板有電源開關(guān)K1，用于開關(guān)開度儀。

圖3 電源部分電路

2.2.1 STM32微處理器部分

（1）由上電復位、時鐘、調(diào)試接口、模擬量輸入輸出、開關(guān)量輸入輸出及通訊顯示等電路組成，見圖4。（2）實現(xiàn)功能：一是對閘門位置電位器的輸入電壓進行轉(zhuǎn)換和檢測；二是檢測輸入信號，根據(jù)弧度和垂直開度公式進行換算后輸出相應(yīng)的電流信號（4~20 mA）供遠程儀表顯示，同時配有485 接口，采樣Modbus-RTU 協(xié)議，可與監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊和數(shù)據(jù)交換；三是顯示及設(shè)定，儀表配有一塊OLED彩色顯示屏，用于現(xiàn)場顯示閘門開度和上下限位的情況，通過五位搖桿按鈕對閘門參數(shù)及上下限報警進行設(shè)置和確認；四是限位保護，配有兩路繼電器輸出，根據(jù)設(shè)定的上下限參數(shù)和檢測的位置來輸出相應(yīng)的開關(guān)量信號。

圖4 STM32處理器部分電路

2.2.2 電位器電壓檢測電路

P5 接口接電位器的3 個接線端，閘門運行時帶動電位器的滑動端，把取樣電壓送給U1；U1芯片用于信號調(diào)理把輸入電壓（0~5 V）線性地轉(zhuǎn)換成微處理器AD轉(zhuǎn)換器的輸入（0~3.3 V）。

2.2.3 現(xiàn)場顯示和設(shè)定

（1）五位搖桿按鈕：具有上下左右4個方向和中間按鈕信號，分別用于輸入?yún)?shù)的光標移動和調(diào)整參數(shù)的增減及確認；（2）顯示采樣1 塊0.96 英寸的OLED 彩色顯示屏，用于現(xiàn)場顯示閘門開度和上下限位的情況，及參數(shù)設(shè)定顯示。

2.2.4 開關(guān)量輸出電路

兩路開關(guān)量輸出采用繼電器對應(yīng)上下限輸出，繼電器動作由設(shè)定的參數(shù)來決定；輸出方式：各一對常開和一對常閉無源接點供使用。

2.2.5 模擬量（4~20 mA）輸出電路

微處理器把換算后對應(yīng)的閘門開度從DACOUT輸出相應(yīng)電壓信號，U3 用于電壓和電流信號的轉(zhuǎn)換，P6是電流輸出端子供連接遠程儀表顯示。

2.2.6 RS485通訊電路

配有485 通訊接口-P4，采樣Modbus-RTU 協(xié)議，可與監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊和數(shù)據(jù)交換?？梢宰x取閘門開度，也可以進行閘門參數(shù)和上下限參數(shù)設(shè)置。

3 運行效果

經(jīng)過技術(shù)改造的弧形閘門開度儀在泗陽節(jié)制閘閘門啟閉上使用后，可在閘門現(xiàn)場機械式顯示讀取弧形閘門實際垂直開高，通過編碼器，經(jīng)安裝在閘門控制柜上的數(shù)顯表讀取閘門實際垂直開高，解決了弧形閘門垂直開高與顯示值誤差的問題，取得了較好效果。

4 結(jié) 論

泗陽節(jié)制閘啟閉機弧形閘門開度儀技術(shù)改造后，能保證閘門啟閉高度準確性，泵站下泄洪水準確性，發(fā)揮工程效益。可供同類型弧形閘門安裝、技術(shù)改造參考。