張凌霄

（江蘇潤(rùn)州建設(shè)有限公司，江蘇 鹽城 224400）

0 引言

在水利工程中，河道利用節(jié)制閘閘門的啟閉，調(diào)節(jié)上游水位和下泄流量，以滿足向下一級(jí)河道分水或控制、截?cái)嗨鞯男枰?。閘門的開啟和關(guān)閉是由液壓?jiǎn)㈤]機(jī)實(shí)現(xiàn)的，主要依靠液體的壓力傳遞能量。大中型節(jié)制閘閘門廣泛運(yùn)用雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在運(yùn)作時(shí)，雙缸往往存在同步誤差，如果誤差較大，則會(huì)造成軌道變形、卡死、側(cè)水封磨損等安全事故[1]。因此實(shí)現(xiàn)雙缸同步是雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)急需克服的一個(gè)問(wèn)題。

形成同步誤差的原因主要有以下 2 類：1）雙缸偏載。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)運(yùn)行時(shí)，閘門上下運(yùn)動(dòng)時(shí)受力因素很多，如軌道間的摩擦力、水下的浮力及摩擦力、淤泥深度及有無(wú)垃圾等，其變化也是非線性的，這些載荷的變化也造成雙缸負(fù)載不均，形成偏載。載荷大的一端的液壓缸運(yùn)動(dòng)速度會(huì)偏慢，即造成雙缸同步誤差。2）雙缸液壓系統(tǒng)不對(duì)稱[2]。節(jié)制閘閘門兩側(cè)安裝的橋墩不一樣，安裝時(shí)也存在一定的誤差，導(dǎo)致雙缸運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦力不一樣，摩擦力大的液壓缸運(yùn)動(dòng)會(huì)偏慢，導(dǎo)致雙缸同步誤差。

液壓系統(tǒng)的同步控制主要有以下 2 種方式：1）開環(huán)同步控制。主要依靠液壓元件本身的精度保證同步驅(qū)動(dòng)，不對(duì)輸出進(jìn)行檢測(cè)及反饋，因此精度不高，只能用在精度要求不高的場(chǎng)合。2）閉環(huán)同步控制?？梢詫?duì)輸出信號(hào)進(jìn)行分析反饋，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，因此可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)同步驅(qū)動(dòng)。閉環(huán)同步控制系統(tǒng)一般用在精度要求較高的場(chǎng)合，本液壓系統(tǒng)的同步控制方案精度要求高，因此采用閉環(huán)同步控制，將兩側(cè)液壓缸的行程數(shù)據(jù)反饋給可編程控制器PLC，設(shè)計(jì)一個(gè)以 PLC 為核心的閘門自動(dòng)糾偏系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱 PLC 糾偏系統(tǒng)），從而達(dá)到閘門的水平啟閉。

1 PLC 糾偏系統(tǒng)的組成

PLC 采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)完成邏輯、順序、算術(shù)運(yùn)算，以及計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等操作指令，并能通過(guò)數(shù)字或模擬式的輸入或輸出控制各種生產(chǎn)活動(dòng)。PLC 能代替常規(guī)的電流和電壓信號(hào)及中間繼電器實(shí)現(xiàn)自鎖、互鎖、順序、延時(shí)等控制[3]。利用PLC 計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)，可達(dá)到控制閘門的啟閉速度。

在大多數(shù)以雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉的閘門中，PLC 糾偏系統(tǒng)主要由行程數(shù)據(jù)檢測(cè)裝置、PLC 控制程序和液壓糾偏回路構(gòu)成，具體組成如圖 1 所示。圖 1 中，p1，p2分別為右側(cè)和左側(cè)液壓缸壓力；PSY為電源模塊；CPU 為處理器模塊；DEY 為模擬量輸入模塊；AEY 為開關(guān)量輸入模塊；DSY 為開關(guān)量輸出模塊。

圖 1 PLC 糾偏系統(tǒng)的組成

由于閘門是否執(zhí)行自動(dòng)糾偏指令主要是由行程檢測(cè)裝置的兩側(cè)液壓缸運(yùn)行過(guò)程中的行程數(shù)據(jù)決定的，所以行程檢測(cè)裝置是自動(dòng)糾偏系統(tǒng)的基礎(chǔ)。液壓缸行程檢測(cè)裝置主要檢測(cè)兩側(cè)液壓缸的同步性，其穩(wěn)定性、可靠性、精度對(duì)自動(dòng)糾偏系統(tǒng)有著決定性的作用，也直接關(guān)系啟閉機(jī)的運(yùn)行精度。

行程檢測(cè)裝置將行程數(shù)據(jù)反饋給 PLC，PLC 控制程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后，與系統(tǒng)設(shè)定的偏差值進(jìn)行比較，如果超過(guò)偏差值，則發(fā)出糾偏指令[4]。

液壓糾偏回路主要有節(jié)流閥和電磁換向閥構(gòu)成，在 PLC 發(fā)出糾偏指令后，節(jié)流閥調(diào)節(jié)回油流量的大小，從而調(diào)節(jié)糾偏時(shí)的速度，防止糾偏過(guò)快或過(guò)慢造成閘門卡阻或卡死。電磁換向閥主要保證閘門運(yùn)行過(guò)程中的同步性，有效防止閘門卡阻。

2 PLC 糾偏系統(tǒng)的控制原理和實(shí)現(xiàn)

當(dāng)雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在啟閉過(guò)程中兩側(cè)液壓缸的偏差值超過(guò)偏差設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)糾偏控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)糾偏，直到偏差值恢復(fù)到允許范圍之內(nèi)，糾偏系統(tǒng)停止工作，閘門繼續(xù)正常運(yùn)行。

2.1 控制原理

閘門自動(dòng)糾偏控制系統(tǒng)由 PLC 控制節(jié)流閥注入液壓缸的油液流量，從而達(dá)到控制閘門啟閉速度的目的。行程檢測(cè)裝置內(nèi)的開度儀測(cè)量?jī)蓚?cè)液壓缸的行程數(shù)據(jù)并反饋給 PLC，PLC 計(jì)算兩液壓缸的行程數(shù)據(jù)偏差值，并與偏差設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)兩液壓缸行程數(shù)值大于偏差設(shè)定值時(shí)，PLC 就會(huì)發(fā)出糾偏指令給節(jié)流閥，調(diào)節(jié)注入液壓缸的油液流量，使得兩側(cè)液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)速率相一致，這樣閘門就會(huì)水平啟閉。

2.2 糾偏功能實(shí)現(xiàn)流程

PLC 對(duì)行程數(shù)據(jù)偏差值與偏差設(shè)定值進(jìn)行比較后發(fā)出糾偏指令，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)左右電磁閥，從而保證兩側(cè)液壓缸同步運(yùn)行[5]。

不同水域，水閘的安全運(yùn)行要求不同，根據(jù)不同的要求，自動(dòng)糾偏系統(tǒng)要預(yù)先設(shè)置 4 個(gè)不同的偏差設(shè)定值。系統(tǒng)中閘門左側(cè)的高度為 H1，右側(cè)的高度為 H2，則閘門兩側(cè)的高度偏差 ΔH = |H1- H2|，設(shè)置糾偏啟動(dòng)、結(jié)束時(shí)的偏差值分別為 15 和 5 mm，停閘糾偏和停機(jī)處理時(shí)的偏差值分別為 20 和 25 mm。

閘門開始運(yùn)行時(shí)，當(dāng)兩側(cè)閘門高度偏差達(dá)到糾偏啟動(dòng)偏差值 15 mm 時(shí)，監(jiān)控機(jī)構(gòu)發(fā)出指令使糾偏系統(tǒng)開始糾偏，使得在閘門運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，閘門兩側(cè)的高度偏差慢慢減??；當(dāng)偏差值小于糾偏結(jié)束偏差值 5 mm 時(shí)，糾偏系統(tǒng)停止工作。如果糾偏系統(tǒng)工作后，由于某些未知的原因，閘門兩側(cè)高度偏差不但沒(méi)有減小，反而越來(lái)越大，當(dāng)兩側(cè)偏差值達(dá)到停閘糾偏偏差值 20 mm 時(shí)，閘門停止運(yùn)行；保持糾偏系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，從而減小閘門兩側(cè)偏差值，直到偏差值小于停閘糾偏偏差值 20 mm 時(shí)，閘門重新開始運(yùn)行，并繼續(xù)糾偏；當(dāng)兩側(cè)偏差值小于糾偏結(jié)束偏差值 5 mm 時(shí)，糾偏系統(tǒng)停止工作。如果，停閘糾偏后，閘門兩側(cè)偏差值仍然繼續(xù)增大，當(dāng)偏差值增大到停機(jī)處理偏差值 25 mm 時(shí)，監(jiān)控機(jī)構(gòu)就會(huì)發(fā)出停機(jī)命令，同時(shí)發(fā)出警報(bào)，通知工作人員檢測(cè)維修。糾偏流程圖如圖 2 所示。

圖 2 糾偏流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

該雙缸液壓?jiǎn)㈤]機(jī)自運(yùn)營(yíng)以來(lái)，通過(guò) PLC 自動(dòng)糾偏系統(tǒng)的精確控制，一直穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)踐證明，將 PLC 運(yùn)用到水利節(jié)制閘同步控制中，有效解決了兩側(cè)液壓缸同步運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，比現(xiàn)有單液壓行程控制精度更高，且易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制。雙缸液壓?jiǎn)㈤]機(jī)自動(dòng)糾偏系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)代水電站“無(wú)人值班，少人值守”的運(yùn)行模式，更重要的是能夠?yàn)樗畮?kù)汛期提供穩(wěn)定的安全保障。但是，此同步控制方案的成本比單液壓控制方案的成本高，今后需研究成本較低、精度更高的控制方案，同時(shí)還需在自動(dòng)糾偏系統(tǒng)的抗干擾能力上繼續(xù)完善。