PLC 在水利節(jié)制閘同步控制中的應(yīng)用

張凌霄

（江蘇潤州建設(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，以滿足向下一級河道分水或控制、截斷水流的需要。閘門的開啟和關(guān)閉是由液壓啟閉機實現(xiàn)的，主要依靠液體的壓力傳遞能量。大中型節(jié)制閘閘門廣泛運用雙吊點液壓啟閉機，雙吊點液壓啟閉機在運作時，雙缸往往存在同步誤差，如果誤差較大，則會造成軌道變形、卡死、側(cè)水封磨損等安全事故[1]。因此實現(xiàn)雙缸同步是雙吊點液壓啟閉機急需克服的一個問題。

形成同步誤差的原因主要有以下 2 類：1）雙缸偏載。液壓啟閉機運行時，閘門上下運動時受力因素很多，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載不均，形成偏載。載荷大的一端的液壓缸運動速度會偏慢，即造成雙缸同步誤差。2）雙缸液壓系統(tǒng)不對稱[2]。節(jié)制閘閘門兩側(cè)安裝的橋墩不一樣，安裝時也存在一定的誤差，導致雙缸運動時摩擦力不一樣，摩擦力大的液壓缸運動會偏慢，導致雙缸同步誤差。

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，不對輸出進行檢測及反饋，因此精度不高，只能用在精度要求不高的場合。2）閉環(huán)同步控制。可以對輸出信號進行分析反饋，及時進行調(diào)整，因此可以實現(xiàn)精準同步驅(qū)動。閉環(huán)同步控制系統(tǒng)一般用在精度要求較高的場合，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)計一個以 PLC 為核心的閘門自動糾偏系統(tǒng)（以下簡稱 PLC 糾偏系統(tǒng)），從而達到閘門的水平啟閉。

1 PLC 糾偏系統(tǒng)的組成

PLC 采用可以編制程序的存儲器，用來完成邏輯、順序、算術(shù)運算，以及計時、計數(shù)等操作指令，并能通過數(shù)字或模擬式的輸入或輸出控制各種生產(chǎn)活動。PLC 能代替常規(guī)的電流和電壓信號及中間繼電器實現(xiàn)自鎖、互鎖、順序、延時等控制[3]。利用PLC 計算脈沖個數(shù)，可達到控制閘門的啟閉速度。

在大多數(shù)以雙吊點液壓啟閉機啟閉的閘門中，PLC 糾偏系統(tǒng)主要由行程數(shù)據(jù)檢測裝置、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)行自動糾偏指令主要是由行程檢測裝置的兩側(cè)液壓缸運行過程中的行程數(shù)據(jù)決定的，所以行程檢測裝置是自動糾偏系統(tǒng)的基礎(chǔ)。液壓缸行程檢測裝置主要檢測兩側(cè)液壓缸的同步性，其穩(wěn)定性、可靠性、精度對自動糾偏系統(tǒng)有著決定性的作用，也直接關(guān)系啟閉機的運行精度。

行程檢測裝置將行程數(shù)據(jù)反饋給 PLC，PLC 控制程序?qū)?shù)據(jù)進行計算后，與系統(tǒng)設(shè)定的偏差值進行比較，如果超過偏差值，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)糾偏時的速度，防止糾偏過快或過慢造成閘門卡阻或卡死。電磁換向閥主要保證閘門運行過程中的同步性，有效防止閘門卡阻。

2 PLC 糾偏系統(tǒng)的控制原理和實現(xiàn)

當雙吊點液壓啟閉機在啟閉過程中兩側(cè)液壓缸的偏差值超過偏差設(shè)定值時，自動糾偏控制系統(tǒng)會自動糾偏，直到偏差值恢復到允許范圍之內(nèi)，糾偏系統(tǒng)停止工作，閘門繼續(xù)正常運行。

2.1 控制原理

閘門自動糾偏控制系統(tǒng)由 PLC 控制節(jié)流閥注入液壓缸的油液流量，從而達到控制閘門啟閉速度的目的。行程檢測裝置內(nèi)的開度儀測量兩側(cè)液壓缸的行程數(shù)據(jù)并反饋給 PLC，PLC 計算兩液壓缸的行程數(shù)據(jù)偏差值，并與偏差設(shè)定值進行比較，當兩液壓缸行程數(shù)值大于偏差設(shè)定值時，PLC 就會發(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)液壓缸活塞桿的運動速率相一致，這樣閘門就會水平啟閉。

2.2 糾偏功能實現(xiàn)流程

PLC 對行程數(shù)據(jù)偏差值與偏差設(shè)定值進行比較后發(fā)出糾偏指令，通過自動調(diào)節(jié)左右電磁閥，從而保證兩側(cè)液壓缸同步運行[5]。

不同水域，水閘的安全運行要求不同，根據(jù)不同的要求，自動糾偏系統(tǒng)要預先設(shè)置 4 個不同的偏差設(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、結(jié)束時的偏差值分別為 15 和 5 mm，停閘糾偏和停機處理時的偏差值分別為 20 和 25 mm。

閘門開始運行時，當兩側(cè)閘門高度偏差達到糾偏啟動偏差值 15 mm 時，監(jiān)控機構(gòu)發(fā)出指令使糾偏系統(tǒng)開始糾偏，使得在閘門運動的同時，閘門兩側(cè)的高度偏差慢慢減??；當偏差值小于糾偏結(jié)束偏差值 5 mm 時，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)高度偏差不但沒有減小，反而越來越大，當兩側(cè)偏差值達到停閘糾偏偏差值 20 mm 時，閘門停止運行；保持糾偏系統(tǒng)繼續(xù)運行，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，閘門重新開始運行，并繼續(xù)糾偏；當兩側(cè)偏差值小于糾偏結(jié)束偏差值 5 mm 時，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，當偏差值增大到停機處理偏差值 25 mm 時，監(jiān)控機構(gòu)就會發(fā)出停機命令，同時發(fā)出警報，通知工作人員檢測維修。糾偏流程圖如圖 2 所示。

圖 2 糾偏流程圖

3 結(jié)語

該雙缸液壓啟閉機自運營以來，通過 PLC 自動糾偏系統(tǒng)的精確控制，一直穩(wěn)定運行。實踐證明，將 PLC 運用到水利節(jié)制閘同步控制中，有效解決了兩側(cè)液壓缸同步運動的問題，且結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，比現(xiàn)有單液壓行程控制精度更高，且易于實現(xiàn)計算機遠程控制。雙缸液壓啟閉機自動糾偏系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)代水電站“無人值班，少人值守”的運行模式，更重要的是能夠為水庫汛期提供穩(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，同時還需在自動糾偏系統(tǒng)的抗干擾能力上繼續(xù)完善。