底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門開度的高程測量與自動(dòng)控制

周依風(fēng)

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底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門開度的高程測量與自動(dòng)控制

周依風(fēng)

摘要通過對(duì)底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門開度的高程測量與自動(dòng)控制方法的研究，導(dǎo)出了拉繩位移傳感器和角位移傳感器與閘門高程的函數(shù)關(guān)系，介紹了拉繩位移傳感器測量值與高程換算的PLC程度設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞底橫軸翻轉(zhuǎn)式閘門拉繩位移傳感器開度測量

底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門是一種新型的液壓驅(qū)動(dòng)式閘門。由于其結(jié)構(gòu)緊湊、啟閉靈活、開度可調(diào)、設(shè)備隱蔽、景觀優(yōu)美等特點(diǎn)，因而近年來在水利工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門通過開度的控制，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)溢過閘門頂部的過水流量。就閘門的操作而言，閘門的開度控制理應(yīng)以高程來度量。然而，目前由于缺少能直接測量閘門頂部高程的有效方法，現(xiàn)有的底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門控制系統(tǒng)通常通過拉繩位移傳感器測量啟閉機(jī)油缸活塞桿行程來間接顯示閘門的開度。而拉繩位移傳感器的信號(hào)輸出與閘門頂部的高程呈非線性函數(shù)關(guān)系，換算比較復(fù)雜。因此，閘門開度的高程通常仍借助水尺人工控制，操作極為不便，且很難實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

本文就底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門開度高程的測量與自動(dòng)控制方法進(jìn)行研究，根據(jù)其啟閉機(jī)械模型分析，導(dǎo)出拉繩位移傳感器和角位移傳感器與閘門高程的函數(shù)關(guān)系；介紹拉繩位移傳感器測量值與高程換算的PLC（可編程序控制器）程序設(shè)計(jì)方法，以供相關(guān)技術(shù)人員參考。

1　底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門開度高程的測量

底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門主要由門體，固定在門體底部的底橫軸、曲柄拐臂、液壓驅(qū)動(dòng)裝置以及液壓鎖定裝置等組成。其啟閉機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。O點(diǎn)為底橫軸旋轉(zhuǎn)中心，A點(diǎn)為油缸支點(diǎn)和擺動(dòng)中心，B點(diǎn)為油缸活塞桿最大行程位置，也是閘門全關(guān)時(shí)拐臂的位置，C點(diǎn)為油缸活塞桿最小行程位置，也是閘門全開時(shí)拐臂的位置。BC之間的弧為活塞桿頂端運(yùn)行軌跡，EF之間的弧為閘門頂部運(yùn)行軌跡。

圖1　底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)圖

底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門開度的高程測量目前有兩種比較實(shí)用的間接測量方法，一是采用拉繩位移傳感器測量液壓啟閉機(jī)油缸活塞桿行程。二是采用角位移傳感器測量底橫軸旋轉(zhuǎn)角度。拉繩位移傳感器測量方式計(jì)算閘門高程較為復(fù)雜，但安裝方便、結(jié)構(gòu)直觀；因此，目前被廣泛采用。角位移傳感器測量方式較為直接，計(jì)算開度的高程相對(duì)簡單，但安裝困難、安裝精度要求高，實(shí)際應(yīng)用極少。這兩種傳感器的測量值均需經(jīng)過適當(dāng)?shù)膿Q算后獲得閘門頂部高程。

1.1拉繩位移傳感器測量值與閘門高程函數(shù)的推導(dǎo)

如圖2所示，h為閘門某一開度的高程（設(shè)底橫軸旋轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)的高程為0）；H為閘門高度；Ha為門體不包括半圓型門頂?shù)母叨龋沪臑殚T體的厚度；R為啟閉機(jī)拐臂旋轉(zhuǎn)半徑；A為油缸擺動(dòng)中心至拐臂旋轉(zhuǎn)中心的距離；L為油缸缸筒的長度；ΔL為油缸活塞桿的行程；θ為拐臂及門體旋轉(zhuǎn)角度；1為閘門水平位置時(shí)拐臂的位置；2為閘門高程為h時(shí)拐臂的位置；3為閘門垂直位置時(shí)拐臂的位置；4為閘門的水平位置；5為閘門高程為h的位置；6為閘門垂直的位置；α為油缸支點(diǎn)P、底橫軸旋轉(zhuǎn)中心O與活塞桿最小行程1點(diǎn)之間的夾角。

圖2　底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門高程計(jì)算示意圖

當(dāng)活塞桿由最小行程伸長至2位置時(shí)，拐臂由1點(diǎn)運(yùn)行至2點(diǎn)，門體由4點(diǎn)運(yùn)行至5點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為θ。由圖2可知

上式未考慮門體的厚度，如果計(jì)入門體的厚度，上式應(yīng)修正為

由余弦定理可得

式中，A、R、L、δ、Ha為啟閉機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)確定的已知量，通過式（3）可算得α角度值。式（4）中ΔL為活塞桿行程伸長量，為一變量，測出ΔL，就可算得β角度值，再由式（2）算得門體的高程。

1.2角位移傳感器測量值與閘門高程函數(shù)的推導(dǎo)采用角位移傳感器測量閘門高程時(shí)，角位移傳感器測量值與閘門高程的函數(shù)由下式計(jì)算。

式中θ——角位移傳感器測量值，其余符號(hào)同上。

2　底橫軸翻轉(zhuǎn)式閘門開度的自動(dòng)控制

根據(jù)底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門自動(dòng)控制要求，啟閉機(jī)的控制系統(tǒng)應(yīng)能通過傳感器測量閘門開度，并將其測量值換算成閘門高程，然后與閘門高程設(shè)定值相比較，將其偏差作為控制量，選擇適當(dāng)?shù)目刂扑惴?，?qū)動(dòng)啟閉機(jī)運(yùn)行，當(dāng)閘門達(dá)到設(shè)定高程后自動(dòng)停止運(yùn)行。圖3為控制原理框圖。

圖3　底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門自動(dòng)控制框圖

就底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門啟閉機(jī)控制系統(tǒng)而言，其執(zhí)行元件為油泵、油缸的換向電磁閥?？刂品绞酵ǔＳ袃煞N，一是三位式控制方式；二是PID控制方式。

三位式控制算法根據(jù)閘門實(shí)測高程與給定高程的偏差進(jìn)行位式運(yùn)算，輸出3個(gè)控制狀態(tài)，即活塞桿外伸、活塞桿回縮、活塞桿維持原位。活塞桿伸縮速度不加以控制?？刂扑惴ū容^簡單，閘門位置控制精度較低。

PID控制算法則根據(jù)閘門實(shí)測高程與給定高程的偏差采用比例、積分、微分（PID）運(yùn)算，輸出控制量，除控制活塞桿的運(yùn)行方向外，還通過調(diào)節(jié)缸筒的進(jìn)油速度控制活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度。調(diào)節(jié)缸筒進(jìn)油速度通常有兩種方式，一是對(duì)缸筒供油閥進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制，二是對(duì)油泵進(jìn)行變頻控制，調(diào)節(jié)油泵的供油量。PID控制算法復(fù)雜，但閘門位置控制精度高。

3　閘門高程換算的PLC程序設(shè)計(jì)

由上述分析可知，不論采用哪一種控制方式，底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門控制系統(tǒng)的首要任務(wù)是完成由開度的相對(duì)測量值換算為閘門高程。PLC作為現(xiàn)場智能控制器件，由于可靠性高、運(yùn)算能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊，在底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門控制系統(tǒng)中已是常規(guī)配置。角位移傳感器的高程運(yùn)算比較簡單，這里介紹拉繩位移傳感器測量值與閘門高程換算的PLC程序設(shè)計(jì)方法。

3.1基于浮點(diǎn)運(yùn)算指令的PLC程序設(shè)計(jì)

拉繩位移傳感器測量值與閘門高程函數(shù)較為復(fù)雜，如式（2）、（3）、（4）所示。由于常見中小型PLC具有正弦函數(shù)運(yùn)算指令而不具有反三角函數(shù)運(yùn)算指令，因此，必須對(duì)式（2）進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜呛瘮?shù)變換。

令M=cos α、N=cos β，由式（2）推導(dǎo)可得

通過上述三角函數(shù)變換，PLC不需要進(jìn)行反三角函數(shù)的運(yùn)算即可完成高程換算。在PLC程序設(shè)計(jì)中，完成上述的運(yùn)算使用浮點(diǎn)運(yùn)算指令更加方便。利用PLC的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、浮點(diǎn)數(shù)乘法、浮點(diǎn)數(shù)除法、浮點(diǎn)數(shù)平方根運(yùn)算指令，不難完成式（7）、（8）、（6）運(yùn)算的PLC程序設(shè)計(jì)。

3.2基于函數(shù)數(shù)值表檢索運(yùn)算的PLC程度設(shè)計(jì)

拉繩位移傳感器測量值與閘門高程函數(shù)的PLC運(yùn)算可采用函數(shù)數(shù)值表檢索運(yùn)算的方法。

由式（2）可得

由余弦定理

利用式（9）、式（10），以高程h作為輸入，活塞桿行程ΔL為輸出，借助于EXCEL軟件或其它計(jì)算工具，可很方便地建立如表1的活塞桿行程與閘門高程函數(shù)數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。已知啟閉機(jī)活塞桿行程就可獲得閘門高程。

表1　閘門高程與啟閉機(jī)活塞桿行程函數(shù)數(shù)值表

表1中h0＞h1＞...＞hn、ΔL0＞ΔL1＞...＞ΔLn（以圖1為例）。

hn-1－h(huán)n為步距，通?？扇?、10、20...等（取決于測量與控制精度要求）。

在PLC程序設(shè)計(jì)中，通過讀取活塞桿行程測量值，利用PLC的區(qū)間比較指令檢索閘門高程。表1的活塞桿行程計(jì)算值事先嵌入到PLC程序中。當(dāng)測得的活塞桿行程值位于2個(gè)對(duì)應(yīng)的高程值之間時(shí)，將高程的較小值作為高程測量值。

函數(shù)數(shù)值表檢索運(yùn)算的PLC程序結(jié)構(gòu)簡單、直觀。但所用PLC的程序指令較多，且測量精度受制于步距的大小。以5 m高的閘門為例，如果步距取 20 mm （測量精度 20 mm，相對(duì)測量精度0.4%），則僅活塞桿行程換算為高程的比較指令需250條。步距越小，測量精度越高，程序指令越多，編程工作量越大。一般測量精度達(dá)到0.5%已可以滿足實(shí)際使用要求。

建立活塞桿行程與閘門高程函數(shù)數(shù)值表還可以采用實(shí)測的方法。以點(diǎn)動(dòng)步進(jìn)的方式開啟閘門，然后測量閘門高程，并讀取相對(duì)應(yīng)的活塞桿行程的測量值，運(yùn)用插值法，獲取活塞桿行程與閘門高程函數(shù)數(shù)值表。

4　底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門控制方式的討論

底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門體形龐大、帶水啟閉、動(dòng)作遲緩以及機(jī)械慣性等不利因素對(duì)高程控制精度的影響較大。特別是有可能出現(xiàn)在設(shè)定高程附近較小范圍內(nèi)不斷開啟與關(guān)閉，形成振蕩。為避免此種情況發(fā)生，在PLC程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)設(shè)置閘門的動(dòng)作死區(qū)。顯然動(dòng)作死區(qū)的設(shè)置必然影響閘門高程控制的精度。

閘門開啟與關(guān)閉的運(yùn)行速度對(duì)閘門高程控制精度同樣影響較大。降低運(yùn)行速度有利于提高閘門的控制精度，但受到閘門控制快速性要求限制。為提高閘門控制精度，盡可能采用較低的運(yùn)行速度。

三位式控制算法由于對(duì)閘門的運(yùn)行速度不加以控制，控制精度較低，采用改進(jìn)的三位式控制算法可提高閘門的控制精度。如在設(shè)定高程附近一定的范圍內(nèi)，采用步進(jìn)方式控制缸筒進(jìn)油閥逐漸逼近設(shè)定值。

PID控制算法的閘門高程控制精度較高，但PLC程序設(shè)計(jì)復(fù)雜。采用缸筒供油閥PWM控制方式時(shí)供油閥動(dòng)作頻繁，因此，驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作的元件應(yīng)采用無觸點(diǎn)開關(guān)。采用油泵電機(jī)變頻控制時(shí)，PID控制算法是較好的控制方式，但控制系統(tǒng)中需配置變頻器，設(shè)備投資大，運(yùn)行環(huán)境要求高，且維護(hù)復(fù)雜。

5　結(jié)語

實(shí)現(xiàn)底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門開度高程的測量和自動(dòng)控制，使操作人員能很方便地對(duì)閘門進(jìn)行控制。尤其是在具有上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)中，更是如此。此外，通過對(duì)流道上游水位的測量，運(yùn)用水力計(jì)算公式，可獲得底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門的過水流量，進(jìn)而對(duì)其過水流量進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，為水利工程（如水環(huán)境整治工程）的科學(xué)運(yùn)行、合理調(diào)度提供有效的技術(shù)手段；因此，高程測量與自動(dòng)控制是底橫軸翻轉(zhuǎn)式鋼閘門控制系統(tǒng)不可缺的技術(shù)性能。

中圖分類號(hào)TV663

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B

文章編號(hào)1007-6980（2016）01-0038-04

作者簡介

周依風(fēng)男高級(jí)工程師蘇州市水利建設(shè)監(jiān)理有限公司江蘇蘇州215100

收稿日期（2015-11-12）