大跨度閘門雙液壓缸啟閉機的同步控制方法

王興隆，姚 麗，馮慶志，邢春雨

(豐滿發(fā)電廠，吉林吉林132108)

豐滿大壩位于吉林省第二松花江干流中游，總庫容110×108 m3，屬寒冷地區(qū)，冬夏極限溫差可達70℃。大壩溢洪道泄洪設(shè)備有11扇潛孔平面工作閘門，外形尺寸為13.40 m×6.50 m(寬×高)，設(shè)計水頭14 m，重71.65 t，屬大跨度鋼閘門。雙液壓缸驅(qū)動的閘門，常常由于雙缸偏載(包括閘門自重偏心)、外物卡組(包括摩擦阻力)、液壓系統(tǒng)管路不對稱、液壓系統(tǒng)內(nèi)部缺陷等原因，使閘門兩端液壓缸活塞桿行程不能保持同步或同步偏差大，從而造成閘門兩端啟閉速度不同而傾斜，嚴(yán)重影響水閘的正常運行，甚至造成事故［1］?？梢姡l門雙液壓缸能否同步運行，是閘門自動控制的關(guān)鍵技術(shù)。液壓啟閉機除液壓站設(shè)備安裝在站房內(nèi)，其他設(shè)備均布置在環(huán)境較為惡劣的室外露天環(huán)境，盡管閘門具有運行時數(shù)少、冬季不運行的特點，但仍要求閘門2個吊點同步精度起升。由于豐滿大壩溢流閘門露天工作環(huán)境較為惡劣，不僅濕度大、塵沙多，而且溫差大、受外界干擾大，對閘門同步控制設(shè)備影響也較大。本文介紹一種采用設(shè)備、油液等物理量相同設(shè)置的速度粗調(diào)和主油路電磁閥旁通泄油糾偏的位置精調(diào)同步控制方法，實現(xiàn)了閘門雙液壓缸啟閉機的同步閉環(huán)控制，同步控制精度較好，工作性能較為可靠。

1 同步控制

1.1 同步控制方法的確定

液壓啟閉機的同步控制，是指液壓系統(tǒng)通過采用同步控制回路來保證兩個或多個執(zhí)行元件在運動中以相同或接近相同的位移或速度運動，也可以按一定的速比運動，也就是說各液壓缸的相對或相互位置在每一個瞬間應(yīng)保持固定不變［2］。閘門雙液壓缸啟閉機的同步控制裝置一般由流速控制閥、壓力控制閥、橋式整流閥、泄油控制閥(或電液比例閥、伺服閥等)、開度檢測(反饋)裝置、輸油管路、PLC系統(tǒng)等組成?？v觀閘門雙液壓機的同步控制方法，主要有電磁換向閥旁通泄油糾偏方案、電液比例流量閥方案和電液伺服閥方案［3］。豐滿大壩溢流閘門的改造中，在兼顧可靠性和經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，最終確定選用可靠性高、適應(yīng)能力強、應(yīng)用范圍廣泛的以液壓缸主油路電磁閥旁通泄油糾偏(位置精調(diào))為主和以閥、管、油壓等同參數(shù)設(shè)置(速度粗調(diào))為輔的同步控制策略。

1.2 同步控制的方法

豐滿大壩溢流閘門雙液壓缸啟閉機工作原理如圖1所示(液壓站部分未示)。啟門時，液壓站向主油管路供17.7 MPa的油液，電磁閥YV3.1得電，壓力油的一路經(jīng)YV3.1直接控制打開缸旁閥組的液控單向閥，另一路經(jīng)由壓力插件、方向插件、橋式整流閥、缸旁閥組進入有桿腔推動活塞起升閘門，同時無桿腔油液經(jīng)回油減壓插件流回液壓站。落門時，液壓站向主油管路供給2.9 MPa的油液，電磁閥YV3.1、YV4.1得電，壓力油的一路經(jīng)YV3.1打開缸旁閥組的液控單向閥，另一路經(jīng)由壓力插件、方向插件、橋式整流閥、缸旁閥組進入有桿腔推動活塞，配合閘門自重落門，同時無桿腔油液經(jīng)回油減壓插件流回液壓站。閘門左側(cè)較高時，泄油電磁閥YV5.1動作泄掉部分油液，待超差恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)時，電磁閥回到常位停止糾偏，反之亦然。1.2.1 速度同步(速度粗調(diào))

閘門的起升是靠進出液壓缸的液壓油推動活塞桿來實現(xiàn)的，液壓缸有桿腔內(nèi)油液的增量決定了活塞桿伸長速度，即閘門起升速度。而液壓缸活塞缸伸縮運行速度，主要受進出有桿腔油液的速度、流量和壓力等3個物理參數(shù)決定。雙液壓缸啟閉機的同步粗調(diào)，是通過硬件設(shè)備的同型對稱布設(shè)、同參數(shù)設(shè)定等方式，使決定活塞桿運行的流速、流量和壓力等3個物理參數(shù)相同或相近，實現(xiàn)雙液壓缸啟閉機的初步同步運行。具體方法是:在液壓缸管路配置方面，液壓缸一次油管路均采用同規(guī)格參數(shù)不銹鋼管和橡膠高壓軟管，使兩液壓缸一次油管路的過流斷面相等，這樣能保證進出兩液壓缸有桿腔的流量基本相同，從而實現(xiàn)兩液壓缸的同流量同步運行;在液壓缸液壓油流速控制方面，在進出兩液壓缸有桿腔的管路上各接入同規(guī)格、同參數(shù)設(shè)置的橋式整流板、調(diào)速閥，使進出兩有桿腔的流速基本相同，從而實現(xiàn)兩液壓缸的同速同步運行;在液壓缸液壓油壓力控制上，兩液壓缸取同油源(啟門為17.7 MPa、落門為2.9 MPa)，能夠保證來油同壓，使進入有桿腔油壓保持相等，從而實現(xiàn)兩液壓缸的同壓同步運行。總之，通過調(diào)控兩液壓缸有桿腔壓力油的流速、流量和壓力等3個物理參數(shù)，實現(xiàn)了雙液壓缸啟閉機運行的同步粗調(diào)，使閘門兩邊梁同步起升精度達2%～5%。

圖1 雙液壓缸液壓系統(tǒng)工作原理圖

1.2.2 位置同步(位置精調(diào))

盡管速度粗調(diào)可以實現(xiàn)雙液壓缸啟閉機的粗略同步，但在實際運行中閘門仍存在一定程度的積累超差，當(dāng)超差超出偏差極限允許值時即不能保證閘門的安全運行，因此閘門雙液壓缸啟閉機必須具有運行中的位置同步功能。在實際應(yīng)用中雙液壓缸啟閉機還采取了有桿腔管路旁通泄油方案作為雙液壓缸的同步精調(diào)，實現(xiàn)兩液壓缸液壓桿伸長(閘門位置)“實時相同”。即在有桿腔進出油管路配置電磁換向閥旁通泄油，當(dāng)兩缸的位置偏差沒有超過允許偏差值(10 mm)時，電磁閥閥芯不動作，有桿腔油路不泄油;當(dāng)兩缸位置偏差超過10 mm時，則PLC控制位置較高液壓缸側(cè)電磁閥閥芯移位，暫時卸掉部分油量，使進入該液壓缸有桿腔的油量適當(dāng)減少，降低該缸活塞桿伸長，縮小兩缸位置偏差，直至超差小于10 mm時，電磁閥閥芯回到常位。概括起來就是當(dāng)閘門左右高度偏差大于某個允許數(shù)值的情況下自動啟動糾偏閥泄油，直到閘門開度偏差在正常范圍內(nèi)停止泄油［4］。閘門邊梁位置偏差，由始點設(shè)置在閘門左右兩邊梁頂上的反饋鋼絲繩、編碼器等開度檢測裝置檢測，可消除液壓缸與閘門鉸接的間隙誤差?？梢姡麄€同步控制系統(tǒng)可視為以位移量偏差為負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)［5］，其旁路泄油糾偏控制原理如圖2所示。

圖2 雙液壓缸旁路泄油糾偏控制原理框圖

電磁閥的得失電受PLC接收的開度傳感器的檢測數(shù)據(jù)信息控制。反饋裝置為閘門左右兩邊梁頂各設(shè)置的一套開度檢測裝置，由反饋鋼絲繩、彈性卷揚筒、多轉(zhuǎn)編碼器和GP－1312絕對型通用閘門開度儀等組成。反饋鋼絲繩一端固結(jié)在閘門上，通過小卷筒卷放鋼絲繩來映射閘門的開度，編碼器采用ROQ425絕對型多轉(zhuǎn)編碼器，測量精度范圍可達0.01～1 cm，能即時將兩液壓缸的開度信號傳送給開度儀。該開度儀可根據(jù)工程需要自行設(shè)定控制參數(shù)，如閘門開度、起調(diào)超差、極限超差、預(yù)定開度等，并具有可4～20 mA的并行數(shù)據(jù)輸出和開關(guān)量輸出功能。雙液壓缸啟閉機同步精調(diào)受PLC控制，當(dāng)兩液壓缸超差大于10 mm時，PLC控制相應(yīng)的電磁閥得電泄油;當(dāng)兩液壓缸的超差小于10 mm時，PLC控制電磁閥不得電不泄油;當(dāng)兩液壓缸的超差大于30 mm時，PLC控制油泵停運。這樣，通過實施位置同步精調(diào)使閘門兩邊梁的同步精度控制在0.5%以內(nèi)。

2 運行情況

豐滿大壩溢流閘門液壓啟閉機于2001年安裝完畢，在調(diào)試過程中，通過人為控制反饋鋼絲繩卷放來模擬設(shè)置超差故障，PLC控制裝置均自動控制停泵，鎖定閘門。閘門同步精度為0.15% ～0.46%(超差范圍10～30 mm)，能夠把兩液壓缸全行程高度偏差控制在不大于10 mm的范圍內(nèi)，提高了設(shè)備的安全性和控制的可靠性。在投運后連續(xù)11a的汛前提門試驗運行中，閘門液壓缸同步糾偏控制系統(tǒng)均未出現(xiàn)閘門超差運行的故障，運行狀況良好，系統(tǒng)運行可靠性高，為防汛調(diào)度安全提供了硬件保證［5］。

2010年，在豐滿大壩連續(xù)33 d的泄洪中，溢流閘門雙液壓缸啟閉機較好地承擔(dān)起頻繁起升閘門89次的泄洪重任，未發(fā)生閘門超差運行的故障。這說明以速度粗調(diào)和位置精調(diào)相結(jié)合的同步控制方法能夠保證雙液壓缸啟閉機同步運行，能適應(yīng)現(xiàn)場濕度大、灰塵多的較差環(huán)境，工作安全可靠。

3 結(jié)語

在水利工程中，通過采用以設(shè)備、油液等物理量相同設(shè)置(速度粗調(diào))和液壓缸主油路電磁閥旁通泄油(位置精調(diào))糾偏相結(jié)合的同步控制方法，較好地解決了大型閘門雙液壓缸啟閉機偏差不易可靠控制的難題。實際應(yīng)用驗證，采取該方法，閘門同步控制精度符合運行要求，而且工作性能良好、故障率低，提高了系統(tǒng)運行可靠性。

［1］ 秦雅嵐．雙缸液壓啟閉機閘門糾偏控制的電氣實現(xiàn)［J］．人民長江，2009，40(2):86 －87．

［2］ 姜繼海，宋錦春，高常識．液壓與氣壓傳動［M］．北京:高等教育出版社，2002．

［3］ 陳文偉，卞建，孫美玲，等．蘇州河河口水閘液壓啟閉機設(shè)計與同步控制［J］．水利水電科技進展，2007，27(1):8 －10．

［4］ 孫乃清，宋長松．紹興湯浦水庫溢洪道閘門計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造［J］．水電自動化與大壩監(jiān)測，2010，34(1):76 －78．

［5］ 馮劍濤，李忠學(xué)．可編程控制器在筒閥同步控制中的運用［J］．水電自動化與大壩監(jiān)測，2002，26(4):37－40．