船闸液压缸磁致伸缩位移传感器故障排查

在船闸液压系统中，磁致伸缩位移传感器的精准检测至关重要。然而，当传感器发生故障时，如何快速诊断并采取有效措施，保障船闸的正常运行，成为技术人员面临的挑战。

　　液压缸是将液压能转换成活塞往复运动机械能的执行元件，在工程、农业、机床设备、矿山冶金、石油化工、交通运输、轻工等行业中得到广泛应用。在需要对液压缸 进行精确控制的场合，就需使用各种位移传感器对活塞位置进行精确测量，以实现相关控制功能。液压缸行程有外置式和内置式两种测量方法。通常，外置行程测量的液压缸维护方便、检修容易，但占用空间大、易损坏；而内置行程测量的液压缸虽然维护检修不便，但具有占用空间小、不怕外力冲击、对安装环境没有特殊要求、受外界环 境干扰小、不易损等优点，因此，近年来在液压控制系统中得到广泛应用。

随着磁性科学和传感技术的发展，研制出磁致伸缩位移传感器。该传感器以其高精度及可靠性得到用户的高度认可，也被广泛用于液压缸的行程检测。本文以善后河枢纽船闸液压系统为例，介绍带 RF 系列磁致伸缩位移传感器液压缸的液压系统的组成和工作原理，以及该传感器的故障处理。

　　1 船闸机电系统组成

　　1.1 液压启闭机组成

　　善后河枢纽船闸于 2019 年建成投用，闸、阀门启闭机采用直推式液压机型，闸门启闭机布置在上下闸首边墩的空箱内，阀门启闭机布置在二层机房内，每个闸首一侧的闸门和阀门启闭机共用一台泵站，泵站内部阀件采用 PARKER 公司产品。闸、阀门电机为 ABB 三相变频电机，功率分别为 15、11kW。 闸、阀门油泵均为 PARKER 恒压变量柱塞泵，排量分别为 32ml/r 和 46ml/r。 闸、阀门油缸均带博尔森磁致伸缩位移传感器，油缸内径为 250mm， 活塞杆外径为 180mm， 最大行程为 4200mm （工作行程：闸门为 4100mm；阀门为 4000mm）。MTS 位移传感器为 RFM4270MD601A01 型，其长度为 4270mm，供电电压为 24VDC， 输出信号为 4～20mA 模拟量，接口形式为 6 针航空插头（公母配套）。

　　1.2 启闭机控制系统

　　根据直推式液压机型、人字闸门运行方式以及输水系统灌、泄水要求，闸、阀门启闭机以变速方式运行。启闭机控制系统由上位机及 2 套施耐德 PLC 组成，实现对上、下闸首 闸，阀门等机械设备的控制。每套 PLC 系统由一个主站和一 个远程站组成，其中主站采用 Schneider TSX Quantum 系列 PLC， 远程站采用 Schneider TSX Quantum 系列 RIO， 两者通 过专用电缆相连。控制系统的网络结构如图 1 所示。

　　在闸门启闭机液压控制系统中，由 ATV71HD15N4 变频器控制电机频率改变电机和油泵的转速来实现无级变速，频率范围为 18～50Hz。在启闭机启、闭过程中，变频器先以低频 18Hz 运行，并通过位移传感器实时检测油缸活塞杆运行位置；在闸门运行到某位置（总行程的 10%，可调整）后，便开始逐步升至工频运行；待闸门运行到另一设定位置（总行程 90%，可调整）后，再由高频逐步降至低频运行直至终点。正常情况下，闸门启、闭时间控制在 3min 以内。在运行过程中，博尔森磁致伸缩位移传感器实时检测油缸活塞杆行程情况，并通过组态软件在工控机上显示，以方便操作人员观测闸门运行状况。

　　在阀门启闭机液压控制系统中，由 ATV71HD15N4 变频器控制电机频率改变电机和油泵的转速来实现无级变速。阀门开启时，电机先以 0.7m/min 的速度（频率为 21Hz）运行 1min；随后 2min，运行速度从 0.7m/min 缓升至 1.5m/min；再以 1.5m/min 速度运行到位。强制关闭阀门时，电机以 1.84m/min（可调）的速度运行。阀门平水关闭时，采用差动回路。通过油缸内安装的博尔森磁致伸缩位移传感器，操作员可随时观察阀门运行情况。

　　2 故障现象

　　2023 年 6 月，在下游左岸闸门启闭过程中，其变频器一直低频（18Hz）运行，闸门运行较慢，导致左、右岸闸门运行不同步，每次开关时差近 3min（正常开关门需 3min，现在约需 6min），严重影响船闸的运行速度。同时，左、右岸闸门运行不同步，闸门关闭到位时极易产生错位，导致闸门在涨落水过程中抖动，给船闸运行带来重大安全隐患。因此，有必要查明故障原因并予以排除，使闸门尽快恢复正常运行。

　　3 故障分析及确认

　　导致变频器在工作过程中频率不变的故障原因有两个：变频器本身故障；变频器未收到变频信号。

　　为查明变频器是否有故障，首先对变频器的各项参数进行检查，并与其它三台变频器进行比较，结果未发现异常，因此变频器设置没有问题。接着，对变频器的接线进行检查，未发现线路有中断、松动、短路现象；对变频器各接线端子信号进行检测，信号正常。根据以上检查结果初步判断变频器正常。为了验证这一判断，将上下游左、 右岸的变频器进行调换，左岸故障仍存在，故可以确定变频器不存在故障，导致变频器在工作过程中频率不变的原因应是变频器未收到变频信号。

　　由于变频器变频触发信号来自博尔森磁致伸缩位移传感器的行程检测，因此在闸门运行过程中对传感器的输出信号进行检测，结果显示无信号输出。检查磁致伸缩位移传感器接线，未发现接线有破损、断线及短路等现象，24VDC 供电电源信号正常，但无 4～20mA 模拟量输出。在线调阅 PLC 控制程序，发现在闸门运行过程中检测不到闸门开度信号，因而无法产生变频信号。查看工作站计算机上的组态画面，发现下左闸门运行中的开度模拟显示尺度 不变，只在闸门开关到位后才跳变。综上可推定磁致伸缩位移传感器存在故障。为验证这一判断，调换下左、下右闸门油缸中的磁致伸缩传感器进行测试，下左闸门恢复正常运行，而下右闸门出现了上述故障现象。至此，已可确定故障由磁致伸缩位移传感器损坏引发。

　　4 故障处理

　　博尔森磁致伸缩传感器损坏，需对其进行更换，但是磁致伸缩传感器无备件且订货周期非常长。为保证在订货期间闸门的运行安全，先后采取了两种临时处理方法。

　　方法一：通过调整变频器的运行频率，实现两侧闸门运行同步。经过多次调整和测试，将左岸闸门变频器低频设置为 30Hz。实际运行情况表明，左岸闸门的恒速运行时间与右岸闸门的变速运行时间基本一致，保证了左、右 岸闸门的同步运行；但是开、关过程中，左岸闸门以匀速方式运行，开关到位时速度也不降，对液压系统冲击较大，且左、右闸门关到位时易产生撞击，不利于设备的运行安全。

　　方法二：通过调整 PLC 系统控制程序，实现两侧闸门的同步运行。由于 PLC 程序中各闸门变频器的变频触 发信号均为本闸门油缸中磁致伸缩位移传感器的位置信号（开度），因此考虑在程序中利用右岸闸门油缸中磁致伸缩位移传感器的位置信号来实现对左岸闸门变频器的控制。由于同一闸首的左、右岸闸门正常时均是同时启闭，因此利用一侧的闸门位置信号可实现对两侧闸 门运行的控制。基于此，对 PLC 中的控制程序进行了局部调整，利用右岸闸门油缸中磁致伸缩位移传感器的位置信号同时触发左、右岸变频器，并将左岸闸门变频器的低频和高频设置与右岸一致。调整后，下游两扇闸门变频器工作正常，闸门运行平稳，且实现了闸门的同步运行。

　　5 结束语

　　虽然博尔森磁致伸缩位移传感器不是船闸电气控制系统的核心元器件，但其性能的好坏直接关系到系统的运行安全。因此，随着磁致伸缩位移传感器在船闸中应用数量的增多，应不断加强对此类传感器结构、工作原理 的学习，以确保船闸电气控制系统的正常工作。