譚其志

（貴州省水利投資（集團(tuán)）有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng) 550081）

國(guó)內(nèi)、外輸水工程建設(shè)項(xiàng)目及灌區(qū)改造項(xiàng)目的自動(dòng)化、信息化建設(shè)中的輸水閘門監(jiān)測(cè)、控制均已納入信息換管理范圍,渠道閘門多在較偏遠(yuǎn)區(qū)域,受條件的影響,投入運(yùn)行后維護(hù)、檢修成本相對(duì)較高,渠道閘門安裝使用多為敞開式,根據(jù)多年現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)管理經(jīng)驗(yàn),采用自動(dòng)化控制后的運(yùn)行卡滯故障在閘門故障占比近80%,受條件所限,由自然條件引起的雜物型卡滯、氣象條件引起的密封面軟凍型卡滯等一般卡滯問(wèn)題占閘門卡滯問(wèn)題約80%,若采用一定的控制策略可解決此類卡滯問(wèn)題,可明顯降低水閘運(yùn)行的故障率,為信息化管控提供基礎(chǔ)支撐。

隨著直流永磁無(wú)刷電機(jī)的廣泛推廣使用,在有效解決偏遠(yuǎn)地區(qū)輸水閘門供電問(wèn)題的同時(shí),依據(jù)直流電機(jī)的控制特性,以直流永磁無(wú)刷電機(jī)的可調(diào)速調(diào)矩特性基本控制策略,在無(wú)需增加硬件設(shè)備配置情況下通過(guò)智能監(jiān)測(cè)和軟件設(shè)計(jì)可明顯降低一般性卡滯問(wèn)題。本文利用貴州省夾巖水利樞紐工程支渠工程中的風(fēng)光互補(bǔ)供電、直流永磁無(wú)刷電機(jī)啟閉機(jī)水閘測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,研究直流無(wú)刷驅(qū)動(dòng)閘門的調(diào)速測(cè)控系統(tǒng),主要包括：閘門的啟閉力距、啟閉機(jī)的力矩特性、直流電機(jī)的力矩特性,試驗(yàn)結(jié)果給出一種閘門運(yùn)行的典型力矩曲線、輸出轉(zhuǎn)速與力矩變化曲線、以實(shí)際輸出力矩為控制策略的閘門驅(qū)動(dòng)。

1 系統(tǒng)的組成

1.1 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)閘門啟閉機(jī)

永磁無(wú)刷直流電機(jī)是采用電子換向系統(tǒng)取代普通電機(jī)的機(jī)械換向的裝置的直流一體式電動(dòng)機(jī),主要組成包括同步電機(jī)的本體、電力電子的逆變單元、轉(zhuǎn)子運(yùn)行位置檢測(cè)單元和電子換向控制單元等。直流永磁無(wú)刷閘門電動(dòng)啟閉機(jī)主要由閘門啟閉機(jī)和采用直流永磁無(wú)刷電動(dòng)的電動(dòng)執(zhí)行器組成。

1.2 閘門啟閉機(jī)控制系統(tǒng)

在當(dāng)前水利工程中,對(duì)于閘門的啟閉機(jī)可以PLC來(lái)控制,也可以運(yùn)用單片機(jī)來(lái)控制,考慮到實(shí)際工程應(yīng)用項(xiàng)目中具有不同的監(jiān)測(cè)輸入、輸出信號(hào),為了更便于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、控制及系統(tǒng)的擴(kuò)展需要,本研究的方案中將啟閉機(jī)的控制和監(jiān)測(cè)統(tǒng)一采用SIMATIC S7-200 SMART控制器結(jié)合西門子SINAMICS 驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品及 SIMATIC 人機(jī)界面。

1.3 軟件通訊及監(jiān)控系統(tǒng)

整個(gè)控制系統(tǒng)采用RS485總線及4G/5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程組態(tài),達(dá)到更好的遠(yuǎn)程通訊控制目標(biāo)。

2 閘門的啟、閉門力計(jì)算方法

以平面鑄鐵閘門螺桿式啟閉機(jī)系為設(shè)計(jì)研究對(duì)象,以參考文獻(xiàn)資料為計(jì)算依據(jù),標(biāo)準(zhǔn)條件下動(dòng)水中啟閉的平面閘門啟門力（Fq）和平面閘門閉門力（Fb）計(jì)算公式如下[1]：

式中：Fq為平面閘門啟門力,t；Fb為平面閘門閉門力,t；nA為摩擦阻力的安全系數(shù)一般取1.3～1.5；Tzd為支承部分摩擦阻力,t；Tzs為止水單元摩擦阻力,t；nGq為計(jì)算閘門啟門力時(shí)門重的修正系數(shù)取1.2；G為閘門門體的自重,t；g為啟閉機(jī)構(gòu)運(yùn)行部件的自重,t；Wsp為水力作用在閘門上的動(dòng)水水頭壓力,t；nGb為閘門閉門力計(jì)算時(shí)門體重量系數(shù),一般取 0.8～0.9。

閘門啟閉的摩擦力計(jì)算：

（1）采用滑動(dòng)支承閘門機(jī)構(gòu)摩擦力的計(jì)算公式：Tz=fhPd

（2）對(duì)于采用滾動(dòng)支承機(jī)構(gòu)的平面閘門,摩擦力的計(jì)算公式：Tz=Pd/Rzc（fgr+fl）

以上兩式中：fh為采用滑動(dòng)支承的結(jié)構(gòu)摩擦系數(shù),鋼板一般取0.6和橡膠取0.6～0.8；Pd為作用在閘門上總動(dòng)水的水壓力；Rzc為滾輪的外半徑,cm；fg為滾動(dòng)軸與軸套的滾動(dòng)動(dòng)摩擦系數(shù)（銅或銅合金軸套對(duì)鋼軸為0.3,膠木或類膠木軸套對(duì)鋼軸為0.2）；r為軸的半徑,cm；fl為滾輪的滾動(dòng)摩擦系數(shù),一般取 0.1～0.2。

（3）閘門用于止水密封組件的密封阻力計(jì)算公式為：

式中：fzm為止水密封材料與止水密封座的摩擦系數(shù)（鋼板對(duì)鋼板密封為0.4,橡膠對(duì)鋼板密封為0.55～0.75（視材質(zhì)而取）,橡膠對(duì)鋼筋混凝土砼面密封為0.8；Pm為作用在止密封面上的壓力（單位t）,為側(cè)止水和頂止水及底止水的總長(zhǎng)度乘以用于止水密封的密封面平均寬度,再乘以作用在止水面的平均水頭得出。

3 實(shí)驗(yàn)分析

（1）在標(biāo)準(zhǔn)條件新下安裝鑄鐵閘門螺桿啟閉機(jī)采用交流啟閉機(jī)為試驗(yàn)測(cè)試,得到如圖1所示力矩變化曲線圖,從圖中可以看出：①在啟門過(guò)程中,啟門瞬間力矩達(dá)到最大,運(yùn)行后力矩符合理論計(jì)算,有較小的力矩跳動(dòng)變化現(xiàn)象。②在閉門過(guò)程中,開始運(yùn)行力矩有跳動(dòng),閉門過(guò)程中輸出力矩明顯較低,在閉門到位前輸出力矩達(dá)到最大值隨后閉門到位。

圖1 平面閘門啟、閉門過(guò)程中力矩變化曲線

（2）在圖1所在試驗(yàn)基礎(chǔ)上,采用直流永磁無(wú)刷電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī),以實(shí)際輸出扭矩為基準(zhǔn),結(jié)合直流電機(jī)特性進(jìn)行調(diào)速調(diào)矩控制。檢測(cè)閘門工作力矩變化的實(shí)際值,與設(shè)定值相比較進(jìn)行系統(tǒng)的響應(yīng),執(zhí)行調(diào)節(jié)輸出,進(jìn)行PID控制。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集得到如圖2所示特性曲線,從圖中可以看出：①在實(shí)際啟門力矩發(fā)生突變的情況下,系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,降低轉(zhuǎn)速輸出與實(shí)際所需力矩匹配力矩運(yùn)行,在實(shí)際力矩下降后運(yùn)行速度恢復(fù)額定值。②在水閘開運(yùn)行接近到位過(guò)程中力矩與運(yùn)行速度輸出有逐漸下降趨勢(shì),符合系統(tǒng)運(yùn)行特性。

圖2 降速增距控制的水閘啟門特性曲線

（3）在模擬門槽運(yùn)行中卡滯條件下進(jìn)行交流啟閉機(jī)控制和基于力矩變化調(diào)節(jié)控制條件下啟門特性分析對(duì)比試驗(yàn)得出圖3所示啟門特性曲線圖。從圖中可以看出：①采用交流電機(jī)控制系統(tǒng)在門槽卡之后,啟門瞬間力矩迅速增大,達(dá)到額定負(fù)載能力,3 s時(shí)報(bào)過(guò)力矩故障,系統(tǒng)停車。②采用直流電機(jī)力矩控制系統(tǒng)在門槽卡之后,啟門瞬間力矩增大,運(yùn)行速度降至額定約50%,輸出力矩隨著運(yùn)行速度降低增大,在額定輸出力矩約150%條件下低速運(yùn)行3 s后,閘門運(yùn)行過(guò)卡滯區(qū),隨著實(shí)際力矩降低系統(tǒng)恢復(fù)到額定速度運(yùn)行,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析基本一致,可在降速增距后排除卡滯故障。

圖3 卡滯條件下普通啟閉機(jī)與力矩調(diào)節(jié)啟閉機(jī)運(yùn)行特性曲線

4 結(jié)論

本文介紹了在水閘運(yùn)行過(guò)程中,采用直流永磁無(wú)刷驅(qū)動(dòng)方式,以PLC可編程控制為控制單元,應(yīng)對(duì)水閘安裝現(xiàn)場(chǎng)自然條件或設(shè)備運(yùn)行中的一般卡滯問(wèn)題,在分析平面鑄鐵閘門螺桿啟閉條件下的啟門力、閉門力特性基礎(chǔ)上,提出以實(shí)際檢測(cè)閘門運(yùn)行轉(zhuǎn)矩為基礎(chǔ),設(shè)定最大允許轉(zhuǎn)矩值,系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定的響應(yīng),執(zhí)行轉(zhuǎn)矩、速度調(diào)節(jié)輸出,根據(jù)理論分析結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

（1）水閘運(yùn)行過(guò)程中自然條件容易引起卡滯現(xiàn)現(xiàn)象,包括沉淀物引起的底層及密封面卡滯、渠道異物引起的運(yùn)行過(guò)程卡滯、密封面老化及門體密封面生銹引起的運(yùn)行過(guò)程中啟、閉門力矩明顯增加的卡滯故障等,以上所述現(xiàn)象占閘門運(yùn)行主要故障現(xiàn)象,占比較高,對(duì)管理維護(hù)及信息化管控存在明顯影響。

（2）水閘運(yùn)行自身主要運(yùn)行卡滯為密封面老化及銹蝕,閘門底部密封面及密封面轉(zhuǎn)角處最容易積物卡滯。長(zhǎng)時(shí)間閉門不到位會(huì)嚴(yán)重影響水閘的正常運(yùn)行,利用直流永磁無(wú)刷電機(jī)為驅(qū)動(dòng)的閘門啟閉機(jī)具備輸出力矩調(diào)節(jié)功能,以閘門的實(shí)際工作力矩為基準(zhǔn),進(jìn)行力矩調(diào)節(jié)輸出,可有效降低此類卡滯類故障。

（3）采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)條件下同等功率、轉(zhuǎn)速的直流永磁無(wú)刷電機(jī)作為閘門驅(qū)動(dòng)電機(jī),在同等條件下降低輸出轉(zhuǎn)速,同時(shí)提高輸出功率,利用電機(jī)特性采用特定的控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)輸出,可在額定輸出一定范圍內(nèi)輸出較大力矩。

受條件限制,這種控制方法暫時(shí)無(wú)法得到全面的普及,因此,用于解決閘門啟閉機(jī)在信息化管理過(guò)程中存在的降低故障率問(wèn)題,需進(jìn)一步深入探究,使其更好地為優(yōu)化管理而服務(wù)。