船閘液壓啟閉機(jī)同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

倪 莉

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200063)

船閘液壓啟閉機(jī)是一種利用液體的壓力將能量傳遞，并控制船閘開啟和關(guān)閉的啟閉裝置。當(dāng)前液壓啟閉機(jī)的技術(shù)發(fā)展十分迅速，在大、中型水利工程中的弧形鋼閘門、平面閘門等各個類型的閘門中被廣泛運(yùn)用。傳統(tǒng)船閘液壓啟閉機(jī)采用的是雙吊點(diǎn)液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)[1-3]。通過多年的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)系統(tǒng)在啟閉船閘的過程中，若雙缸同步之間的誤差較大，會造成船閘門卡阻、側(cè)水封磨損、閘門漏水以及閘門凹槽軌道出現(xiàn)變形等問題，嚴(yán)重影響船閘液壓啟閉機(jī)的正常運(yùn)行，甚至?xí)l(fā)災(zāi)難性事故。因此，從安全性的角度考慮，船閘液壓啟閉機(jī)的同步控制，是船閘液壓啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)中最重要的性能要求。雖然當(dāng)前船閘液壓啟閉機(jī)在我國的水利工程中得到了廣泛應(yīng)用，但與其他發(fā)達(dá)國家相比，船閘液壓啟閉機(jī)同步控制系統(tǒng)的研究仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。因此，為了進(jìn)一步保證船閘安全可靠運(yùn)行，本文開展對船閘液壓啟閉機(jī)同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。

1 船閘液壓啟閉機(jī)同步控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在船閘液壓啟閉機(jī)同步控制中，需要用位置測量傳感器來檢測兩側(cè)啟閉機(jī)的油缸狀態(tài)，以此判斷兩側(cè)行程，通過系統(tǒng)元器件的邏輯判斷，執(zhí)行控制信號，使兩側(cè)閘門同步運(yùn)行。在啟閉機(jī)開啟或關(guān)閉時，都會有時滯現(xiàn)象，在發(fā)現(xiàn)時滯后，如果馬上對閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，則難以把握時間，容易再次造成時滯，因此，應(yīng)設(shè)置檢測區(qū)間，若如果檢測后發(fā)現(xiàn)時滯程度在區(qū)間范圍內(nèi)，不影響兩側(cè)的同步性，則不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果檢測表明時滯程度超出區(qū)間范圍，則應(yīng)對應(yīng)調(diào)節(jié)，以有效避免超調(diào)現(xiàn)象。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

作為閘門總控制的重要組成部分，要想實(shí)現(xiàn)閘門同步控制，應(yīng)以可編程邏輯控制器作為閘門的控制主機(jī)?？删幊踢壿嬁刂破鞫嘤糜诠I(yè)大型設(shè)備控制，能夠適應(yīng)高溫、低溫、高濕度、強(qiáng)電磁干擾等復(fù)雜環(huán)境，且集成度高，可靠性更強(qiáng)，另外可編程邏輯控制器具有較強(qiáng)的邏輯控制功能，能夠通過計(jì)算閘門開度、油缸行程等數(shù)據(jù)，對閘門啟閉進(jìn)行邏輯控制，可以說其自成一個硬件，無須過多的設(shè)計(jì)，可編程邏輯控制器內(nèi)部包括主機(jī)、存儲模塊、輸入模塊、輸出模塊即可。硬件設(shè)計(jì)越簡單越不易出現(xiàn)故障，更具有實(shí)用性，也利于后期的系統(tǒng)維護(hù)與檢修，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.2 傳感器選擇

在閘門同步控制中，傳感器起著重要作用，傳感器的精度、性能，直接影響著閘門同步控制系統(tǒng)的控制效果。因此，對于傳感器的選擇應(yīng)綜合考慮，進(jìn)行選取。常用的傳感器有自整角機(jī)、線繞式電位器、光電式軸角編碼器三種。

自整角機(jī)同時具備接收和發(fā)送兩種測量裝置，自整角機(jī)的優(yōu)勢在于可以實(shí)現(xiàn)行程差的直接測量，但對于測量后的信號輸出，則需要經(jīng)過整流和放大處理，并經(jīng)過模擬電路板等一系列復(fù)雜的硬件回路才能夠?qū)崿F(xiàn)，這就在一定程度上增大了誤差，使輸出的測量值出現(xiàn)偏差，另外其與可編程邏輯控制器連接時，需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，可以說測量值采集準(zhǔn)確、直接，但輸出過程過于復(fù)雜，易出現(xiàn)錯誤。線繞式電位器具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，但難以實(shí)現(xiàn)同步測量。因此電位器的線性度難以保持統(tǒng)一狀態(tài)，在測量過程中會出現(xiàn)誤差。對于同步精度要求較高的閘門來說，線繞式電位器的測量精度難以符合要求，另外電位器在輸出測量信號時，也需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，且線繞式電位器容易因外界環(huán)境和使用時間出現(xiàn)不同程度的損耗，也在無形中增加了成本，因此線繞式電位器多應(yīng)用于對精度、同步性要求不高的閘門控制。光電式軸角編碼器能夠適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，且不易因正常使用出現(xiàn)故障，測量數(shù)據(jù)精度能夠滿足閘門同步控制的需求，更為重要的是，光電式軸角編碼器輸出的信號為脈沖量信號，可以直接傳輸給可編程邏輯控制器，不需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在一定程度上節(jié)約了成本。綜上本系統(tǒng)傳感器選用光電式軸角編碼器。

2 船閘液壓啟閉機(jī)同步控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 船閘液壓啟閉機(jī)閘門控制

本文系統(tǒng)中的船閘液壓啟閉機(jī)閘門控制功能主要是為泄水時船閘上升、停止在預(yù)設(shè)位置以及船閘下降等階段提供正常運(yùn)行保障。首先對泄水時船閘的閘門進(jìn)行控制，將系統(tǒng)初始化設(shè)置，并對系統(tǒng)中的各個液壓元件及繼電器的信號等進(jìn)行初始化設(shè)置。待完成初始化設(shè)置后，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況選擇不同船閘控制模式，即遠(yuǎn)程控制、手動控制和現(xiàn)地控制等[4-6]。在啟動控制之前，首先對船閘的啟閉數(shù)值進(jìn)行設(shè)定，保證啟動船閘的預(yù)設(shè)開度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于船閘的實(shí)際開度數(shù)值，在閉合船閘時的預(yù)設(shè)開度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于船閘的實(shí)際開度數(shù)值，在船閘開始啟動之前系統(tǒng)還需要保證系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中的液壓泵及液壓電動機(jī)處于正常的運(yùn)行狀態(tài)。本文系統(tǒng)中船閘液壓啟閉機(jī)閘門控制流程見圖2。

圖2 本文系統(tǒng)船閘液壓啟閉機(jī)閘門控制流程

在船閘閘門運(yùn)行的過程中，系統(tǒng)的整個閘門控制功能持續(xù)循環(huán)執(zhí)行，利用可編程邏輯控制器采集船閘液壓啟閉機(jī)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，例如電動機(jī)電流、液壓泵壓力、油箱溫度等數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)判斷船閘液壓啟閉機(jī)在運(yùn)行過程中是否出現(xiàn)了異常急?；蚬收蠁栴}，若閘門出現(xiàn)故障問題，則立即按下急停按鈕，若閘門在運(yùn)行時出現(xiàn)嚴(yán)重的故障問題，本文系統(tǒng)也能自動采取緊急停機(jī)措施。在本文系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，如果判斷出閘門出現(xiàn)了下滑情況，則系統(tǒng)自動進(jìn)行相應(yīng)的提升操作，若系統(tǒng)無法準(zhǔn)確對閘門進(jìn)行提升，則立即將系統(tǒng)停機(jī)，保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 閘門開度轉(zhuǎn)換計(jì)算

由于船閘閘門的開度與本文系統(tǒng)中的各類傳感器設(shè)備測量得到的數(shù)據(jù)之間屬于非線性函數(shù)關(guān)系，因此在對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程中會受到較多的影響因素干擾。因此，本文采用一種線性擬合的方法將船閘閘門的開度實(shí)際測量數(shù)據(jù)與傳感器設(shè)備測量得到數(shù)據(jù)的對應(yīng)弧線劃分為多個小段，并將每段之間看作是一條直線，提高本文系統(tǒng)對船閘閘門開度測量的準(zhǔn)確性。結(jié)合船閘的實(shí)際情況，將整個弧線劃分為x段，在每段中均將閘門開度的變化與測量數(shù)值看作是存在一定的線性關(guān)系。閘門開度轉(zhuǎn)換計(jì)算具體流程如下：

第一步：向本文系統(tǒng)中輸入左右兩側(cè)閘門的開度數(shù)據(jù)。

第二步：將第一步中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為閘門開度。

第三步：判斷信號采樣數(shù)據(jù)是否有效，根據(jù)檢測精度，將整個曲線劃分為x段，測量任意兩點(diǎn)之間的閘門開度，當(dāng)測量值在A1和A2區(qū)間，而對應(yīng)的通過全站儀測得的閘門整定值在B1和B2之間，則測量閘門開度在A1和A2之間的數(shù)值都通過比例關(guān)系轉(zhuǎn)換到全站儀測定的閘門整定數(shù)值之上。當(dāng)測量值a在A1

第四步：計(jì)算得出閘門左右兩側(cè)的開度平均值。

第五步：判斷閘門開度數(shù)值所屬區(qū)間。

第六步：計(jì)算左側(cè)開度減去右側(cè)開度的絕對值，得出閘門左右兩側(cè)的開度差值，完成對船閘閘門開度轉(zhuǎn)換。

2.3 船閘同步糾偏控制

本文系統(tǒng)中的船閘同步糾偏控制功能主要是保證啟閉機(jī)在運(yùn)行過程中船閘兩側(cè)的同步，即運(yùn)行過程中的船閘閘門開度偏差始終保持在系統(tǒng)設(shè)定的規(guī)定誤差范圍內(nèi)。本文系統(tǒng)的船閘同步糾偏控制主要包括采集船閘閘門兩側(cè)開度信號，并將開度信號送入到可編程邏輯控制器中。開度的計(jì)算主要是根據(jù)閘門左右兩端累積十次運(yùn)行得到的開度平均值，由本文上述閘門開度轉(zhuǎn)換計(jì)算得出。當(dāng)計(jì)算結(jié)果小于最小糾偏值時，系統(tǒng)中的比例糾偏閥不反應(yīng)，若計(jì)算結(jié)果大于最小糾偏值，系統(tǒng)中的比例糾偏閥開始進(jìn)行糾偏操作。具體操作如下：

當(dāng)開度值計(jì)算結(jié)果的偏差超出本文系統(tǒng)預(yù)設(shè)的最小糾偏值時，可編程邏輯控制器輸出一個-5～+5V的控制信號，并發(fā)送到系統(tǒng)的比例糾偏閥中，當(dāng)比例糾偏閥得到相應(yīng)的控制信號時，對船閘兩側(cè)油缸的進(jìn)出油量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變船閘兩側(cè)的運(yùn)行速度，恢復(fù)兩缸形成的偏差到誤差允許范圍內(nèi)。在系統(tǒng)糾偏控制過程中，若船閘左側(cè)的行程明顯大于右側(cè)的行程，且差值超出允許范圍時，比例閥正向獲得電流，左缸在運(yùn)行過程中速度逐漸降低直到偏差消失；若船閘左側(cè)的行程明顯小于右側(cè)的行程，且差值超出允許范圍時，比例閥反向獲得電流，右缸的運(yùn)行速度逐漸靜止，直到偏差消失，保證船閘左右兩個閘門的上升開度保持一致，實(shí)現(xiàn)船閘液壓啟閉機(jī)的同步控制。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

利用仿真實(shí)驗(yàn)軟件設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)信息，得到兩個規(guī)模、運(yùn)行方式等條件完全相同的船閘，其中一個船閘利用傳統(tǒng)液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)對其左右兩側(cè)的閘門運(yùn)行進(jìn)行控制，另一個選用本文設(shè)計(jì)的液壓啟閉機(jī)同步控制系統(tǒng)對其左右兩側(cè)的閘門運(yùn)行進(jìn)行控制，分別設(shè)置對照組和實(shí)驗(yàn)組。在保證兩組各項(xiàng)硬件設(shè)備均無故障的情況下，對兩組系統(tǒng)中的軟件部分進(jìn)行仿真對比實(shí)驗(yàn)。

設(shè)置五組船閘的運(yùn)行參數(shù)，分別通過實(shí)驗(yàn)組和對照組對其進(jìn)行開啟和閉合控制。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過程中記錄閘門的運(yùn)行情況，并計(jì)算左側(cè)閘門與右側(cè)閘門之間的開度誤差。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，完成對比實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)開度誤差計(jì)算結(jié)果得出船閘五次運(yùn)行時閘門兩側(cè)開度最大差值，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄(見表1)。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

從表1可以看出，實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)控制的閘門兩側(cè)最大誤差均小于8mm，而對照組系統(tǒng)控制的閘門兩側(cè)最大誤差最小值超過了14mm，在實(shí)驗(yàn)過程中，對照組由于受到環(huán)境干擾因素影響嚴(yán)重，因此，在第3次控制時出現(xiàn)了糾偏異常情況，無法對閘門兩側(cè)的開度偏差進(jìn)行糾偏。通過對比實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的船閘液壓啟閉機(jī)閘門同步控制系統(tǒng)的控制精度更高，且不易受到外界環(huán)境干擾因素的影響，保證了船閘液壓啟閉機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，同時實(shí)現(xiàn)了對船閘兩側(cè)閘門的同步控制。

4 結(jié) 語

本文通過對船閘液壓啟閉機(jī)同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，初步實(shí)現(xiàn)了船閘兩側(cè)閘門的同步運(yùn)行。近年來電液比例技術(shù)的發(fā)展十分迅速，具備成本低、抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)勢，雖然存在流量非線性的問題，但只要在控制策略中采取一定的措施，即可有效提高同步精度，因此，液壓啟閉機(jī)同步控制系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。