呂 睦，張希鵬，張超偉，曹瑞森

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局天津分局，天津300393）

1 工程概況

南水北調(diào)中線工程天津干線起點(diǎn)為西黑山分水口（位于保定市徐水區(qū)西黑山村西北），西黑山分水口屬于南水北調(diào)中線工程西黑山管理處轄段，工程總長(zhǎng)度15.2 km，南水北調(diào)在這里被一分為二，一路繼續(xù)向北，向北京供水；另一條延南水北調(diào)中線天津干線，直至天津市外環(huán)河，全長(zhǎng)155.352 km。

西黑山分水閘是天津干線的入口，也是天津干線唯一的節(jié)制閘，肩負(fù)著整個(gè)天津干線流量調(diào)節(jié)的重任，西黑山分水閘一旦出現(xiàn)故障，勢(shì)必會(huì)影響天津供水，尤其是進(jìn)入冰期后，如遇冰凍災(zāi)害，易在分水閘前產(chǎn)生冰塞，后果不堪設(shè)想。為保證西黑山分水閘的穩(wěn)定運(yùn)行，在西黑山分水閘上游右岸約50 m處設(shè)置排冰閘，在冰期輸水期間，一旦遇到冰凍災(zāi)害，可開(kāi)啟排冰閘將水面浮冰排入排冰池，最大限度的減少浮冰在分水閘前的淤積，減小搶險(xiǎn)壓力。

西黑山排冰閘為單孔閘門(mén)，采用一扇平板工作閘門(mén)，閘門(mén)孔口尺寸為2.5 m×4 m，啟閉設(shè)備采用QPPY-2×100/2×50-2.6 m 型液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，平板工作閘門(mén)采用雙缸（固定式液壓缸）啟閉，液壓缸垂直布置在平板工作閘門(mén)兩側(cè)，在排冰操作時(shí)，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)雙缸同步運(yùn)行，開(kāi)啟平板閘門(mén)進(jìn)行排冰。

2 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)控制原理

2.1 閘門(mén)開(kāi)啟

空載啟動(dòng)液壓泵電機(jī)組，延時(shí)10 s左右（液壓系統(tǒng)加載），電磁換向閥31 2 YV通電，壓力油經(jīng)電磁換向閥31后（P口到A口）分兩路經(jīng)比例流量閥32（旁路調(diào)速閥28關(guān)閉）、液控單向閥39后進(jìn)入左右液壓缸有桿腔，在有桿腔壓力油的作用下，液壓缸活塞向上動(dòng)作，使得液壓缸無(wú)桿腔油液經(jīng)單向順序閥26、電磁換向閥31（B口到T口）流回油箱。當(dāng)閘門(mén)開(kāi)啟到設(shè)定的開(kāi)度值時(shí)，PLC會(huì)發(fā)出指令將電磁換向閥31 2 YV斷電（斷電后電磁閥31將回到中位）、液壓泵電機(jī)組會(huì)按PLC指令卸載停泵，在失去壓力油的情況下液壓缸活塞停止動(dòng)作，由于液控單向閥39的止回作用，將無(wú)桿腔的油液鎖定在固定狀態(tài)，從而使閘門(mén)開(kāi)度穩(wěn)定在設(shè)定值。

2.2 閘門(mén)關(guān)閉

空載啟動(dòng)液壓泵電機(jī)組，延時(shí)10 s左右（液壓系統(tǒng)加載），電磁閥3 YV通電，壓力油由電磁閥31 P口到B口后分為兩路，其中一路壓力油（控制液）打開(kāi)液控單向閥39，從而消除有桿腔油液的鎖定狀態(tài)，另一路壓力油經(jīng)單向順序閥26進(jìn)入無(wú)桿腔，在無(wú)桿腔壓力油的作用下，液壓缸活塞向下動(dòng)作，使得液壓缸有桿腔油液經(jīng)比例流量閥32（旁路調(diào)速閥28關(guān)閉）、電磁換向閥31（A口到T口）流回油箱。當(dāng)閘門(mén)關(guān)閉到設(shè)定的開(kāi)度值時(shí)，PLC會(huì)發(fā)出指令將電磁換向閥31 3 YV斷電（斷電后電磁閥31將回到中位）、液壓泵電機(jī)組卸載停泵，液壓泵停止運(yùn)行后，液壓缸無(wú)桿腔失去壓力油，同時(shí)打開(kāi)液控單向閥39的壓力油（控制液）被關(guān)閉，有桿腔的油液重新恢復(fù)鎖定狀態(tài)，從而使閘門(mén)開(kāi)度穩(wěn)定在設(shè)定值。

3 閘門(mén)啟閉速度調(diào)節(jié)

閘門(mén)的啟閉速度是通過(guò)液壓系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的，速度的快慢取決于進(jìn)入液壓缸體壓力油的流量。西黑山排冰閘液壓系統(tǒng)配置了常規(guī)流量控制閥28和比例流量控制閥32這兩種控制閥來(lái)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，這兩種閥均是通過(guò)調(diào)節(jié)閥芯開(kāi)度來(lái)控制流量。

在手動(dòng)操作閘門(mén)啟閉時(shí)，通過(guò)常規(guī)流量閥來(lái)控制閘門(mén)啟閉速度。將球閥34.1、34.2、34.5、34.6關(guān)閉，34.3、34.4、34.7、34.8打開(kāi)，然后手動(dòng)調(diào)整兩個(gè)常規(guī)流量閥28.1、28.2的開(kāi)度，可在0～100%之間進(jìn)行調(diào)整，其開(kāi)度大小與閘門(mén)啟閉速度成正比。

在自動(dòng)操作閘門(mén)啟閉時(shí)，通過(guò)雙比例流量閥來(lái)控制閘門(mén)啟閉速度。雙比例流量閥控制時(shí)，將球閥34.3、34.4、34.7、34.8 關(guān)閉，球閥 34.1、34.2、34.5、34.6打開(kāi)，比例流量閥開(kāi)度要在PLC程序中設(shè)置調(diào)節(jié)范圍，可在0%～100%之間進(jìn)行設(shè)置，其開(kāi)度大小與閘門(mén)啟閉速度成正比。

4 雙缸同步調(diào)節(jié)

4.1 雙缸不同步原因

在液壓?jiǎn)㈤]機(jī)雙缸啟閉閘門(mén)時(shí)，雙缸運(yùn)行是否同步是閘門(mén)啟閉的核心問(wèn)題。雙缸不同步是指2個(gè)液壓缸動(dòng)作過(guò)程中活塞桿伸縮量不一致或者超出伸縮量標(biāo)準(zhǔn)誤差范圍，導(dǎo)致閘門(mén)出現(xiàn)異響、卡阻、震動(dòng)、水封受力不均勻致漏水甚至損壞，更有甚者出現(xiàn)啟閉機(jī)停止工作、閘門(mén)變形、油缸底座損壞等嚴(yán)重后果。

一般來(lái)說(shuō)，雙缸運(yùn)行不同步主要有以下幾個(gè)原因造成：

（1）兩側(cè)液壓缸所承受的外載荷不一樣。比如閘門(mén)啟閉過(guò)程中兩側(cè)導(dǎo)輪的摩擦力、水封摩擦阻力不同，導(dǎo)致兩側(cè)液壓缸動(dòng)作不同步，阻力大的液壓缸位移量就會(huì)小一些。

（2）兩側(cè)液壓缸所承受的內(nèi)載荷不一樣。比如每個(gè)液壓缸的活塞及其密封件與液壓缸桶之間、活塞桿與油缸端蓋密封之間的摩擦力不同，導(dǎo)致兩側(cè)液壓缸動(dòng)作不同步。

（3）兩側(cè)液壓缸在使用時(shí)間較長(zhǎng)后，活塞與液壓缸之間出現(xiàn)內(nèi)泄漏導(dǎo)致兩側(cè)液壓缸動(dòng)作不同步。

（4）兩側(cè)液壓缸輸油管路長(zhǎng)度不同，液壓油在液壓管內(nèi)的延程阻力也會(huì)不同，導(dǎo)致兩側(cè)液壓缸動(dòng)作不同步。

（5）兩側(cè)液壓缸分別使用獨(dú)立的流量控制閥組，會(huì)出現(xiàn)進(jìn)、回油流量的差別，從而影響兩側(cè)液壓缸的同步性。

4.2 雙缸不同步的糾偏

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)兩側(cè)液壓缸行程偏差時(shí)，就需要系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)兩側(cè)油缸有桿腔進(jìn)回油流量，對(duì)出現(xiàn)的偏差進(jìn)行糾正，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)液壓缸同步運(yùn)行。

手動(dòng)操作啟閉閘門(mén)時(shí)，只能在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)開(kāi)度儀觀察兩側(cè)油缸的開(kāi)度值，根據(jù)開(kāi)度值的變化手動(dòng)調(diào)節(jié)常規(guī)流量閥的開(kāi)度，使兩側(cè)油缸的開(kāi)度偏差值控制在合理范圍內(nèi)。手動(dòng)操作控制回路原理簡(jiǎn)單，故障率低，能夠保證閘門(mén)操作的有效性，但控制精度較低，受操作人員技能水平影響大，所以一般情況下，閘門(mén)操作多采用自動(dòng)操作模式，只有在自動(dòng)操作系統(tǒng)出現(xiàn)故障需要應(yīng)急處理時(shí)，才會(huì)采用手動(dòng)操作模式。

自動(dòng)操作啟閉閘門(mén)基本工作原理：液壓缸行程檢測(cè)系統(tǒng)全程連續(xù)檢測(cè)兩側(cè)液壓缸的開(kāi)度值，并將兩側(cè)液壓缸開(kāi)度值數(shù)據(jù)以模擬量的形式輸入PLC，PLC將模擬量數(shù)據(jù)換算并進(jìn)行差值計(jì)算，當(dāng)偏差值大于或等于PLC控制程序中設(shè)定的糾偏值時(shí)，PLC發(fā)出糾偏指令，比例流量閥開(kāi)始糾偏，直至偏差值降至PLC控制程序中設(shè)定的值后停止糾偏。

通過(guò)雙比例流量閥來(lái)控制閘門(mén)啟閉時(shí)，當(dāng)兩側(cè)液壓缸行程偏差值達(dá)到PLC控制程序中設(shè)定的糾偏值時(shí)，PLC會(huì)發(fā)出電信號(hào)至比例放大器，比例放大器將電信號(hào)比例變換后輸出至比例流量閥，其中一側(cè)比例流量閥開(kāi)度保持不變，另一側(cè)比例流量閥開(kāi)度減小或增加，調(diào)整液壓缸有桿腔進(jìn)出油流量，直到兩側(cè)液壓缸的行程偏差值小于PLC控制程序中設(shè)定的值后停止糾偏。

自動(dòng)操作模式下的糾偏方式，整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程精度高、反應(yīng)快、操作簡(jiǎn)單，是閘門(mén)啟閉的主要操作方式，在自動(dòng)操作過(guò)程中一旦控制程序或者比例流量閥出現(xiàn)異常且不能迅速排除故障時(shí)，要及時(shí)切換至手動(dòng)操作模式下，完成閘門(mén)啟閉操作。

5 操作出現(xiàn)的問(wèn)題及改造方案

5.1 操作出現(xiàn)的問(wèn)題

在自動(dòng)閉門(mén)操作時(shí)，出現(xiàn)了閘門(mén)全部關(guān)閉到位時(shí)（兩側(cè)液壓缸開(kāi)度儀數(shù)據(jù)顯示為0）閘控系統(tǒng)依然處于未到位的狀態(tài)（閘控系統(tǒng)開(kāi)度數(shù)據(jù)顯示為3～5 mm），閘控系統(tǒng)開(kāi)度數(shù)據(jù)與開(kāi)度儀開(kāi)度數(shù)據(jù)不一致，液壓系統(tǒng)不能正常停止且仍然在執(zhí)行閘門(mén)關(guān)閉操作，對(duì)液壓缸基礎(chǔ)造成沖擊。

原因分析：液壓缸行程檢測(cè)系統(tǒng)將檢測(cè)到的開(kāi)度數(shù)據(jù)輸入開(kāi)度儀，再由開(kāi)度儀將此數(shù)據(jù)以模擬量的形式傳輸給PLC，PLC再將數(shù)據(jù)換算成開(kāi)度值并以此為依據(jù)來(lái)控制整個(gè)液壓系統(tǒng)。由于模擬量數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟淮_定性，在PLC換算出的開(kāi)度值會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，導(dǎo)致開(kāi)度儀數(shù)據(jù)與閘控系統(tǒng)開(kāi)度數(shù)據(jù)不一致。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)閘門(mén)關(guān)閉到0位后，開(kāi)度儀顯示開(kāi)度為0，閘控系統(tǒng)顯示開(kāi)度為3～5 mm，由于液壓系統(tǒng)的控制是以閘控系統(tǒng)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)的，所以閘門(mén)全部關(guān)閉到0位時(shí)閘控及液壓系統(tǒng)依然處于運(yùn)行狀態(tài)。同理，在閘門(mén)閉門(mén)操作時(shí)，如果閘控系統(tǒng)開(kāi)度數(shù)據(jù)領(lǐng)先于開(kāi)度儀數(shù)據(jù)到0位，就會(huì)造成閘控及液壓系統(tǒng)停止運(yùn)行，閘門(mén)卻未關(guān)閉到位。

5.2 改造方案

改造思路：用通信數(shù)據(jù)傳輸模式來(lái)替代模擬量數(shù)據(jù)傳輸模式，保證閘控系統(tǒng)與開(kāi)度儀開(kāi)度數(shù)據(jù)的一致性和真實(shí)性。

改造過(guò)程：將原來(lái)的老式開(kāi)度儀更新為帶通信端口的新式開(kāi)度儀，在PLC上新增RS485通信模塊，同時(shí)更新PLC的CPU（由BMXCPU2020-2.1版本升級(jí)為2.7版本），以保證新增RS485通信模塊能夠正常運(yùn)行。最后對(duì)PLC控制程序中關(guān)于模擬量換算的程序段停止運(yùn)行，并在PLC控制程序中插入通信數(shù)據(jù)傳輸程序段，實(shí)現(xiàn)用通信數(shù)據(jù)傳輸模式來(lái)代替模擬量數(shù)據(jù)傳輸模式（見(jiàn)圖1）。

改造效果：改造后，開(kāi)度儀數(shù)據(jù)與閘控系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致性良好，消除了改造前液壓系統(tǒng)不能正常停止的安全隱患；數(shù)據(jù)采集精度也有了較大提高，從而提升了比例閥的糾偏效率和糾偏有效性，在閘門(mén)運(yùn)行過(guò)程中左右缸的偏差控制值（絕對(duì)值）由改造前的15 mm以內(nèi)下降至現(xiàn)在的4 mm以內(nèi)（見(jiàn)圖2），使得整個(gè)液壓系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中更為平穩(wěn)。

圖1 改造前后模塊變化

圖2 左右缸運(yùn)行過(guò)程偏差控制折線圖

6 處理結(jié)果與討論

（1）除了通過(guò)雙比例流量閥調(diào)節(jié)對(duì)各液壓缸的進(jìn)出流量動(dòng)態(tài)糾偏調(diào)節(jié)外，也可通過(guò)旁路電磁換向閥泄油來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)糾偏調(diào)節(jié)，使液壓缸的啟閉行程能較精確達(dá)到同步。

（2）兩側(cè)液壓缸糾偏過(guò)程的本質(zhì)就是平衡兩側(cè)液壓缸外載荷、保證閘門(mén)啟閉順暢的過(guò)程，為了進(jìn)一步提高液壓系統(tǒng)糾偏效率、保證兩側(cè)液壓缸同步精度、使液壓系統(tǒng)糾偏過(guò)程更為順暢，可在液壓站主油路上并聯(lián)一組皮囊式蓄能器。蓄能器有儲(chǔ)存能量、穩(wěn)定壓力、吸收液壓沖擊、減小液壓脈動(dòng)、降低噪聲、減少電耗等功能，對(duì)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有積極作用。

7 結(jié)語(yǔ)

西黑山排冰閘液壓?jiǎn)㈤]機(jī)中自糾偏液壓控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)兩側(cè)液壓缸的同步穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)閘控系統(tǒng)升級(jí)改造，很好地解決了開(kāi)度儀與閘控系統(tǒng)開(kāi)度數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題，保證了西黑山排冰閘的可靠運(yùn)行，為南水北調(diào)工程天津干線冬季輸水運(yùn)行保駕護(hù)航。