在船閘液壓系統(tǒng)中，磁致伸縮位移傳感器的精準(zhǔn)檢測至關(guān)重要。然而，當(dāng)傳感器發(fā)生故障時，如何快速診斷并采取有效措施，保障船閘的正常運(yùn)行，成為技術(shù)人員面臨的挑戰(zhàn)。

液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)換成活塞往復(fù)運(yùn)動機(jī)械能的執(zhí)行元件，在工程、農(nóng)業(yè)、機(jī)床設(shè)備、礦山冶金、石油化工、交通運(yùn)輸、輕工等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在需要對液壓缸 進(jìn)行精確控制的場合，就需使用各種位移傳感器對活塞位置進(jìn)行精確測量，以實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制功能。液壓缸行程有外置式和內(nèi)置式兩種測量方法。通常，外置行程測量的液壓缸維護(hù)方便、檢修容易，但占用空間大、易損壞；而內(nèi)置行程測量的液壓缸雖然維護(hù)檢修不便，但具有占用空間小、不怕外力沖擊、對安裝環(huán)境沒有特殊要求、受外界環(huán) 境干擾小、不易損等優(yōu)點(diǎn)，因此，近年來在液壓控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

隨著磁性科學(xué)和傳感技術(shù)的發(fā)展，研制出磁致伸縮位移傳感器。該傳感器以其高精度及可靠性得到用戶的高度認(rèn)可，也被廣泛用于液壓缸的行程檢測。本文以善后河樞紐船閘液壓系統(tǒng)為例，介紹帶 RF 系列磁致伸縮位移傳感器液壓缸的液壓系統(tǒng)的組成和工作原理，以及該傳感器的故障處理。

1 船閘機(jī)電系統(tǒng)組成

1.1 液壓啟閉機(jī)組成

善后河樞紐船閘于 2019 年建成投用，閘、閥門啟閉機(jī)采用直推式液壓機(jī)型，閘門啟閉機(jī)布置在上下閘首邊墩的空箱內(nèi)，閥門啟閉機(jī)布置在二層機(jī)房內(nèi)，每個閘首一側(cè)的閘門和閥門啟閉機(jī)共用一臺泵站，泵站內(nèi)部閥件采用 PARKER 公司產(chǎn)品。閘、閥門電機(jī)為 ABB 三相變頻電機(jī)，功率分別為 15、11kW。 閘、閥門油泵均為 PARKER 恒壓變量柱塞泵，排量分別為 32ml/r 和 46ml/r。 閘、閥門油缸均帶博爾森磁致伸縮位移傳感器，油缸內(nèi)徑為 250mm， 活塞桿外徑為 180mm， 最大行程為 4200mm （工作行程：閘門為 4100mm；閥門為 4000mm）。MTS 位移傳感器為 RFM4270MD601A01 型，其長度為 4270mm，供電電壓為 24VDC， 輸出信號為 4～20mA 模擬量，接口形式為 6 針航空插頭（公母配套）。

1.2 啟閉機(jī)控制系統(tǒng)

根據(jù)直推式液壓機(jī)型、人字閘門運(yùn)行方式以及輸水系統(tǒng)灌、泄水要求，閘、閥門啟閉機(jī)以變速方式運(yùn)行。啟閉機(jī)控制系統(tǒng)由上位機(jī)及 2 套施耐德 PLC 組成，實(shí)現(xiàn)對上、下閘首 閘，閥門等機(jī)械設(shè)備的控制。每套 PLC 系統(tǒng)由一個主站和一 個遠(yuǎn)程站組成，其中主站采用 Schneider TSX Quantum 系列 PLC， 遠(yuǎn)程站采用 Schneider TSX Quantum 系列 RIO， 兩者通 過專用電纜相連?？刂葡到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

在閘門啟閉機(jī)液壓控制系統(tǒng)中，由 ATV71HD15N4 變頻器控制電機(jī)頻率改變電機(jī)和油泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)無級變速，頻率范圍為 18～50Hz。在啟閉機(jī)啟、閉過程中，變頻器先以低頻 18Hz 運(yùn)行，并通過位移傳感器實(shí)時檢測油缸活塞桿運(yùn)行位置；在閘門運(yùn)行到某位置（總行程的 10%，可調(diào)整）后，便開始逐步升至工頻運(yùn)行；待閘門運(yùn)行到另一設(shè)定位置（總行程 90%，可調(diào)整）后，再由高頻逐步降至低頻運(yùn)行直至終點(diǎn)。正常情況下，閘門啟、閉時間控制在 3min 以內(nèi)。在運(yùn)行過程中，博爾森磁致伸縮位移傳感器實(shí)時檢測油缸活塞桿行程情況，并通過組態(tài)軟件在工控機(jī)上顯示，以方便操作人員觀測閘門運(yùn)行狀況。

在閥門啟閉機(jī)液壓控制系統(tǒng)中，由 ATV71HD15N4 變頻器控制電機(jī)頻率改變電機(jī)和油泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)無級變速。閥門開啟時，電機(jī)先以 0.7m/min 的速度（頻率為 21Hz）運(yùn)行 1min；隨后 2min，運(yùn)行速度從 0.7m/min 緩升至 1.5m/min；再以 1.5m/min 速度運(yùn)行到位。強(qiáng)制關(guān)閉閥門時，電機(jī)以 1.84m/min（可調(diào)）的速度運(yùn)行。閥門平水關(guān)閉時，采用差動回路。通過油缸內(nèi)安裝的博爾森磁致伸縮位移傳感器，操作員可隨時觀察閥門運(yùn)行情況。

2 故障現(xiàn)象

2023 年 6 月，在下游左岸閘門啟閉過程中，其變頻器一直低頻（18Hz）運(yùn)行，閘門運(yùn)行較慢，導(dǎo)致左、右岸閘門運(yùn)行不同步，每次開關(guān)時差近 3min（正常開關(guān)門需 3min，現(xiàn)在約需 6min），嚴(yán)重影響船閘的運(yùn)行速度。同時，左、右岸閘門運(yùn)行不同步，閘門關(guān)閉到位時極易產(chǎn)生錯位，導(dǎo)致閘門在漲落水過程中抖動，給船閘運(yùn)行帶來重大安全隱患。因此，有必要查明故障原因并予以排除，使閘門盡快恢復(fù)正常運(yùn)行。

3 故障分析及確認(rèn)

導(dǎo)致變頻器在工作過程中頻率不變的故障原因有兩個：變頻器本身故障；變頻器未收到變頻信號。

為查明變頻器是否有故障，首先對變頻器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢查，并與其它三臺變頻器進(jìn)行比較，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)異常，因此變頻器設(shè)置沒有問題。接著，對變頻器的接線進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)線路有中斷、松動、短路現(xiàn)象；對變頻器各接線端子信號進(jìn)行檢測，信號正常。根據(jù)以上檢查結(jié)果初步判斷變頻器正常。為了驗(yàn)證這一判斷，將上下游左、 右岸的變頻器進(jìn)行調(diào)換，左岸故障仍存在，故可以確定變頻器不存在故障，導(dǎo)致變頻器在工作過程中頻率不變的原因應(yīng)是變頻器未收到變頻信號。

由于變頻器變頻觸發(fā)信號來自博爾森磁致伸縮位移傳感器的行程檢測，因此在閘門運(yùn)行過程中對傳感器的輸出信號進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示無信號輸出。檢查磁致伸縮位移傳感器接線，未發(fā)現(xiàn)接線有破損、斷線及短路等現(xiàn)象，24VDC 供電電源信號正常，但無 4～20mA 模擬量輸出。在線調(diào)閱 PLC 控制程序，發(fā)現(xiàn)在閘門運(yùn)行過程中檢測不到閘門開度信號，因而無法產(chǎn)生變頻信號。查看工作站計(jì)算機(jī)上的組態(tài)畫面，發(fā)現(xiàn)下左閘門運(yùn)行中的開度模擬顯示尺度 不變，只在閘門開關(guān)到位后才跳變。綜上可推定磁致伸縮位移傳感器存在故障。為驗(yàn)證這一判斷，調(diào)換下左、下右閘門油缸中的磁致伸縮傳感器進(jìn)行測試，下左閘門恢復(fù)正常運(yùn)行，而下右閘門出現(xiàn)了上述故障現(xiàn)象。至此，已可確定故障由磁致伸縮位移傳感器損壞引發(fā)。

4 故障處理

博爾森磁致伸縮傳感器損壞，需對其進(jìn)行更換，但是磁致伸縮傳感器無備件且訂貨周期非常長。為保證在訂貨期間閘門的運(yùn)行安全，先后采取了兩種臨時處理方法。

方法一：通過調(diào)整變頻器的運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)閘門運(yùn)行同步。經(jīng)過多次調(diào)整和測試，將左岸閘門變頻器低頻設(shè)置為 30Hz。實(shí)際運(yùn)行情況表明，左岸閘門的恒速運(yùn)行時間與右岸閘門的變速運(yùn)行時間基本一致，保證了左、右 岸閘門的同步運(yùn)行；但是開、關(guān)過程中，左岸閘門以勻速方式運(yùn)行，開關(guān)到位時速度也不降，對液壓系統(tǒng)沖擊較大，且左、右閘門關(guān)到位時易產(chǎn)生撞擊，不利于設(shè)備的運(yùn)行安全。

方法二：通過調(diào)整 PLC 系統(tǒng)控制程序，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)閘門的同步運(yùn)行。由于 PLC 程序中各閘門變頻器的變頻觸 發(fā)信號均為本閘門油缸中磁致伸縮位移傳感器的位置信號（開度），因此考慮在程序中利用右岸閘門油缸中磁致伸縮位移傳感器的位置信號來實(shí)現(xiàn)對左岸閘門變頻器的控制。由于同一閘首的左、右岸閘門正常時均是同時啟閉，因此利用一側(cè)的閘門位置信號可實(shí)現(xiàn)對兩側(cè)閘 門運(yùn)行的控制?；诖?，對 PLC 中的控制程序進(jìn)行了局部調(diào)整，利用右岸閘門油缸中磁致伸縮位移傳感器的位置信號同時觸發(fā)左、右岸變頻器，并將左岸閘門變頻器的低頻和高頻設(shè)置與右岸一致。調(diào)整后，下游兩扇閘門變頻器工作正常，閘門運(yùn)行平穩(wěn)，且實(shí)現(xiàn)了閘門的同步運(yùn)行。

5 結(jié)束語

雖然博爾森磁致伸縮位移傳感器不是船閘電氣控制系統(tǒng)的核心元器件，但其性能的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的運(yùn)行安全。因此，隨著磁致伸縮位移傳感器在船閘中應(yīng)用數(shù)量的增多，應(yīng)不斷加強(qiáng)對此類傳感器結(jié)構(gòu)、工作原理 的學(xué)習(xí)，以確保船閘電氣控制系統(tǒng)的正常工作。

審核編輯 黃宇