CN114935321A - 一种高精度启闭闸门开度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度启闭机闸门开度测量方法，包括：包括卷筒旋转编码器测量系统、滑轮转角测量系统。启闭机运行过程中，旋转编码器测量卷筒转角，通过转角计算钢丝绳收放长度，进而计算启闭机开度。因钢丝绳变形和卷筒缠绕不均，钢丝绳长度测量结果存在较大误差。为解决以上问题，增加滑轮转角测量系统，通过滑轮转角实时计算钢丝绳收放长度，对编码器测量结果进行校正。本发明在不改变原结构的基础上提高测量精度，系统可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及启闭机开度测量领域，尤其涉及一种高精度启闭闸门开度测量方法。
背景技术
闸门在水利工程十分重要，卷扬式启闭机最为常见。为了检测闸门开度，采用卷筒编码器测量卷筒旋转角度，结合卷筒缠绕直径，计算钢丝绳的收放长度，通过滑轮组传动比间接计算出闸门开度。钢丝绳在收放过程中，一方面钢丝绳因载荷产生较大变形，另一方面卷筒缠绕不均匀，两个因素引起钢丝绳收放实际长度产生较大的误差，导致启闭机开度测量不准。
例如闸门提升50m以上，整个钢丝绳长几百米，钢丝绳的伸缩误差很大，只用卷扬机测不准钢丝绳的长度。
发明内容
本发明为了解决上述技术难题，本发明提供一种高精度启闭机闸开度测量装置。
为了实现上述目的，本发明采用如下具体方案：一种高精度启闭闸门开度测量方法，所述闸门安装在闸口，闸口上侧设有高位平台，闸门上端面均匀安装有可转动的动滑轮，动滑轮被钢丝绳悬吊着，钢丝绳的一端锚固在高位平台上，而另一端缠绕固定在卷筒表面，卷筒旋转带动闸门相对闸口升降，转角传感器和无线中继收发模块置于动滑轮中，无线中继收发模块信号连接转角传感器，旋转编码器安装在驱动卷筒旋转的装置上，闸门开度即闸门升降的距离，通过以下步骤测量：
S01.在动滑轮未旋转时，旋转编码器将实时测量得到的卷筒增量转动角度
发给上位机，上位机使用公式
计算闸门的初始升降高度H0；
S02.当转角传感器开始旋转后，转角传感器每旋转周期转动角度
时，触发旋转编码器将实时测量得到的卷筒增量转动角度
发给上位机，然后使旋转编码器数值归零，计量新的卷筒增量转动角度
i表示转角传感器第i次向上位机发送数据；
S03.上位机使用公式
对每次收到旋转编码器发送的数据时的卷筒实时半径进行校正，旋转编码器使用校正后的卷筒实时半径Ri计算闸门升降高度，
同时根据校正的卷筒实时半径计算卷筒半径变化量，即卷筒实时半径Ri相对上一次的卷筒实时半径Ri-1的变化量，ΔRi＝Ri-Ri-1；
S04.上位机根据获得的所有卷筒半径变化量，拟合曲线，预测下一次动滑轮旋转周期转动角度
后的下一次卷筒实时半径Rz(i+1)，及卷筒增量转动角度
S05.当卷筒停止旋转时，上位机依据公式
矫正卷筒实时半径Ri+1＝R(i+1)y，然后停止继续矫正卷筒实时半径，再依据步骤S03纠正过后的数据
计算得出闸门开度
进一步地，所述钢丝绳绕过动滑轮下表面后再绕过可转动的定滑轮上表面，最后再缠绕连接到卷筒表面，所述转角传感器和无线中继收发模块一起内置于定滑轮中。
进一步地，所述钢丝绳绕过动滑轮下表面后再绕过可转动的定滑轮上表面，最后再缠绕连接到卷筒表面，所述动滑轮和定滑轮中均设有所述转角传感器和无线中继收发模块。
进一步地，所述周期转动角度
进一步地，当闸门高度在最高闸门高度的0％～20％和最高闸门高度的80％～100％范围内时，
当闸门高度在最高闸门高度的20％～80％时，
闸门高度为闸门升降高度和闸门初始高度的和。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明直接采用测量动滑轮旋转角度，计算经过滑轮的丝绳长度，对经过卷筒转角计算所得的钢丝绳长度进行校正，依据校正后的钢丝绳长度和滑轮传动比计算闸门长度，达到消除卷筒缠绕不均产生的误差。
2.动静滑轮都安装了转角传感器，有效的规避了当其中一个传感器损坏或者编码编码器导致数据测量出错的问题。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并于说明书一起用于解释本发明的原理；
图1是本发明测量闸门高度的设计图；
具体实施方法
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
以附图1来说明，动滑轮1可转动的均匀安装在大型闸门8的上端面，动滑轮2被钢丝绳5悬吊着，钢丝绳5的一端锚固在高位平台9上，而另一端缠绕固定在卷筒7表面，卷筒7旋转带动闸门8升降；转角传感器2置于动滑轮1中，可以时刻监测动滑轮1的旋转角度，本实施例中转角传感器2选择为WYT-3I3转角传感器，角度Z±360，分辨率0.005°/s0.1，无线中继收发模块信号连接转角传感器2，转角传感器2低功耗并且可以定点唤醒的LoRa无线中继收发模块，转角传感器2和无线中继收发模块一起内置于动滑轮1中。本实施例在无线中继收发模块采用A39C-T400A22S1a LoRa模块，5km参考距离，更低功耗，设置位于动滑轮1正下方时为绕z轴0度。本实施例选择内置LoRa芯片并且自带电池，使用LoRa标准将数据传给上位机，当闸门不需要开合或者长时间不运作时，可以时LoRa模块休眠，运作时即时唤醒，旋转编码器实时测量卷筒转角得到钢丝绳位移。
本实施例选择为E6B2-CWZ5G光电旋转编码器安装在卷轮机上，分辨率为1000HZ/圈计算卷轮机的旋转圈数，是改进前的方法来计算绳索位移量。
现有技术坝体闸门高度测量步骤如下：
闸门由钢丝绳牵引引起动滑轮运动，闸门未升降时闸门初始高度状态为h0；
设动滑轮半径为r，卷筒初始半径为R0；
实际升降高度h时，闸门实际高度为h1，此时，设动滑轮传感器旋转度数为
旋转编码器测得角度
旋转编码器计算得到的闸门升降高度为H；
现有技术中根据旋转编码器测量出的角度
计算闸门实际高度h1。
h1＝h0+H，但卷筒实时半径Ri随着钢丝绳缠绕的圈数变化而改变，并不准确，计算存在较大误差，而动滑轮的半径r不会改变；
现有技术中不依据转角传感器测量动滑轮的累计转动角度
来换算闸门升降的高度h，原因在于，闸门处于最低位时，钢丝绳松弛，此时卷筒旋转，但动滑轮不旋转，因此依据转角传感器测量动滑轮的累计转动角度
来换算闸门升降的高度h，存在较大误差。
且动滑轮安装在闸门上，需随闸门接触水面，动滑轮无法采用缆线的方式供电，只能依赖电池供电测量数据，动滑轮的角度测量用电池供电时，因为节电的原因，动滑轮的角度测量不能连续的测量。因此不能连续依赖动滑轮测量数据，计算闸门的升降高度。
本发明的坝体闸门高度测量步骤如下：
卷筒驱动闸门上升时：
在动滑轮未旋转时，旋转编码器将实时测量得到的卷筒增量转动角度
发给上位机，上位机使用公式
计算闸门的初始升降高度H0；
当转角传感器开始旋转后，转角传感器每旋转一圈或者四分之一圈时，触发旋转编码器将实时测量得到的卷筒增量转动角度
发给上位机，然后旋转编码器立刻数值归零，计量新的卷筒增量转动角度
i表示转角传感器第i次向上位机发送数据；动滑轮周期转动角度
上位机使用公式
对每次收到数据时的卷筒实时半径进行校正，旋转编码器使用校正后的卷筒实时半径Ri计算闸门升降高度，
同时根据校正的卷筒实时半径计算卷筒半径变化量，即卷筒实时半径Ri相对上一次的卷筒实时半径Ri-1的变化量，ΔRi＝Ri-Ri-1。
上位机根据获得的所有卷筒半径变化量，拟合曲线，预测下一次动滑轮旋转周期转动角度
后的下一次卷筒实时半径Rz(i+1)，及卷筒增量转动角度
当卷筒停止旋转时，上位机依据公式
矫正卷筒实时半径Ri+1＝R(i+1)y，然后停止继续矫正卷筒实时半径，再依据纠正过后的旋转编码器的数据
计算得出闸门开度
卷筒驱动闸门下降时：
动滑轮初始时同步于卷筒旋转，不打滑，转角传感器开始旋转后，转角传感器每旋转一圈或者四分之一圈时，触发旋转编码器将实时测量得到的卷筒增量转动角度
发给上位机，然后旋转编码器立刻数值归零，计量新的卷筒增量转动角度
i表示转角传感器第i次向上位机发送数据，
为负值；动滑轮周期转动角度
上位机使用公式
对每次收到数据时的卷筒实时半径进行校正，旋转编码器使用校正后的卷筒实时半径Ri计算闸门升降高度，
同时根据校正的卷筒实时半径计算卷筒半径变化量，即卷筒实时半径Ri相对上一次的卷筒实时半径Ri-1的变化量，ΔRi＝Ri-Ri-1。
上位机根据获得的所有卷筒半径变化量，拟合曲线，预测下一次动滑轮旋转周期转动角度
后的预测下一次卷筒实时半径Rz(i+1)，及卷筒增量转动角度
当卷筒停止旋转时，上位机依据公式
矫正卷筒实时半径Ri+1＝R(i+1)y，然后停止继续矫正卷筒实时半径，再依据纠正过后的旋转编码器的数据
计算得出闸门开度
因此当卷筒驱动闸门下降到最底部，钢丝绳松弛，动滑轮因为惯性自转，但卷筒不旋转时，则不继续矫正卷筒实时半径，停止继续更新闸门开度。
本实施例的上述检测方法，极端情况是动滑轮旋转一圈只能测量1次值，为了提高精度可以多测几次。例如：动滑轮旋转一圈50cm，那么每转1圈就发1次校正指令。举例：卷扬机在下放过程中通过编码器测量的结果是42cm，此时动滑轮刚好转1圈，钢丝绳的长度需要进行校正为50cm，只要动滑轮旋转1圈就进行一次校正。编码器记录每次的校正误差，在动滑轮因故障突然卡住不转动，或突然中断没有发送校正数据期间，也可以根据记录的误差趋势进行自校正。
当闸门高度在最高闸门高度的0％～20％和最高闸门高度的80％～100％范围内时，采用转角传感器每旋转90度对旋转编码器纠正一次传给上位机；当闸门高度在最高闸门高度的20％～80％时，采用转角传感器每旋转360度对编码器纠正一次传给上位机。
实施例2
在实施例1的方案中，钢丝绳5绕过动滑轮下表面后再绕过定滑轮4上表面，在缠绕连接到卷筒表面，转角传感器2和无线中继收发模块一起内置于定滑轮1中，由于定滑轮在闸门位于最底部时不与钢丝绳发生松弛，可仅基于定滑轮半径和旋转角度按实施例1的方法也可测得升降高度，可对由编码器测得的数值进行初步粗略校正，可选择定滑转角编码器一周校正一次。进一步精确需要编码器测得的高度变化可以每次定滑轮转角传感器测的值作比较分析误差大小，若误差较大，及时提醒来定期检查维修等，即便是使用时间久远导致钢丝绳变细变长，或者定滑轮在安装时就导致与动滑轮之间钢丝绳拉长或者松散，本方法也依然适用，即便转角传感器损坏旋转编码器也可以实现闸门开度测量，也不影响工作进程，等待传感器检修即可。
或者当旋转编码器测量出卷筒旋转，但转角传感器测量出定滑轮未旋转时，上位机基于动滑轮半径和旋转角度按实施例1的方法测得升降高度，可对由编码器测得的数值进行初步粗略校正，可选择定滑转角编码器一周校正一次。
进一步讲，采用此设计方法由于动静滑轮都安装了转角传感器，有效的规避了当其中一个传感器损坏或者旋转编码器导致数据测量出错的问题，通过两次校正也使结果更加精确，整个装置结构简单造价便宜，并且该装置精确度高能精准的反馈闸门高度，能有效提升整体测量水平。
Claims (5)
1.一种高精度启闭闸门开度测量方法，所述闸门安装在闸口，闸口上侧设有高位平台，闸门上端面均匀安装有可转动的动滑轮，动滑轮被钢丝绳悬吊着，钢丝绳的一端锚固在高位平台上，而另一端缠绕固定在卷筒表面，卷筒旋转带动闸门相对闸口升降，其特征在于，转角传感器和无线中继收发模块置于动滑轮中，无线中继收发模块信号连接转角传感器，旋转编码器安装在驱动卷筒旋转的装置上，闸门开度即闸门升降的距离，通过以下步骤测量：
S01.在动滑轮未旋转时，旋转编码器将实时测量得到的卷筒增量转动角度
发给上位机，上位机使用公式
计算闸门的初始升降高度H0；
S02.当转角传感器开始旋转后，转角传感器每旋转周期转动角度
时，触发旋转编码器将实时测量得到的卷筒增量转动角度
发给上位机，然后使旋转编码器数值归零，计量新的卷筒增量转动角度
i表示转角传感器第i次向上位机发送数据；
S03.上位机使用公式
对每次收到旋转编码器发送的数据时的卷筒实时半径进行校正，旋转编码器使用校正后的卷筒实时半径Ri计算闸门升降高度，
同时根据校正的卷筒实时半径计算卷筒半径变化量，即卷筒实时半径Ri相对上一次的卷筒实时半径Ri-1的变化量，△Ri＝Ri-Ri-1；
S04.上位机根据获得的所有卷筒半径变化量，拟合曲线，预测下一次动滑轮旋转周期转动角度
后的下一次卷筒实时半径Rz(i+1)，及卷筒增量转动角度
S05.当卷筒停止旋转时，上位机依据公式
矫正卷筒实时半径Ri+1＝R(i+1)y，然后停止继续矫正卷筒实时半径，再依据步骤S03纠正过后的数据
计算得出闸门开度
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢丝绳绕过动滑轮下表面后再绕过可转动的定滑轮上表面，最后再缠绕连接到卷筒表面，所述转角传感器和无线中继收发模块一起内置于定滑轮中。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述钢丝绳绕过动滑轮下表面后再绕过可转动的定滑轮上表面，最后再缠绕连接到卷筒表面，所述动滑轮和定滑轮中均设有所述转角传感器和无线中继收发模块。
4.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，所述周期转动角度
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当闸门高度在最高闸门高度的0％～20％和最高闸门高度的80％～100％范围内时，
当闸门高度在最高闸门高度的20％～80％时，
闸门高度为闸门升降高度和闸门初始高度的和。
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