液壓雙吊點閘門啟閉同步控制方法研究

金叢成 韓友春

(江蘇禹衡工程質(zhì)量檢測有限公司，江蘇 鹽城 224000)

水利工程分為防洪工程、農(nóng)田水利工程、水力發(fā)電工程以及供水和排水工程等，與其他工程相比，水利工程具有影響面廣、規(guī)模龐大、工期較長的特點。水利工程中安裝的閘門，啟閉一般采用雙吊點啟閉機實現(xiàn)，然而雙吊點同步誤差過大，會導致水利工程閘門的卡阻、側(cè)水封的磨損、閘門漏水以及門槽軌道的變形等缺陷，間接地影響啟閉機的正常工作，甚至會引起災難性的水利工程事故。

根據(jù)控制方式不同，可將閘門啟閉機控制分為手動控制、集中控制和現(xiàn)地控制三種方式，其中，集中控制是在泄水閘集控室內(nèi)，檢測閘門的啟閉狀態(tài)，并結(jié)合水力環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)節(jié)閘門的開度大小，這種控制方式是最常用的閘門控制方式之一，而現(xiàn)地控制是在調(diào)試和集中控制失效時采用的控制方式?，F(xiàn)階段國內(nèi)外通過長時間的研究得出的研究成果包括基于PLC的控制方法、基于模糊理論的控制方法以及基于Modbus的控制方法，然而當前閘門啟閉機控制方法對同步性的要求較高，上述傳統(tǒng)的控制方法存在嚴重的同步誤差問題。為了解決這一問題，在傳統(tǒng)控制方法基礎上，分析控制方法同步誤差的形成原因，并結(jié)合分析結(jié)果實現(xiàn)對雙吊點閘門啟閉機同步控制方法的優(yōu)化設計。在運行過程中產(chǎn)生同步誤差的原因分別為雙缸偏載和雙缸液壓的不對稱，因此，本文以解決液壓雙吊點閘門啟閉機控制方法的同步誤差為目的，實現(xiàn)對同步控制方法的優(yōu)化設計。

1 雙吊點閘門啟閉機同步控制方法設計

雙吊點閘門啟閉機主軸上安裝一個碼盤，當啟閉機轉(zhuǎn)動時，碼盤的讀數(shù)與主軸轉(zhuǎn)角成正比，在忽略鋼絲繩彈性變形量的情況下，碼盤中顯示的數(shù)據(jù)與閘門的開度之間存在一個函數(shù)關系。將該函數(shù)關系編寫成程序代碼，控制、調(diào)整啟閉機狀態(tài)。同步控制方法的實現(xiàn)原理見圖1。

圖1 雙吊點閘門啟閉機同步控制原理

從圖1可以看出，此次同步控制方法的實現(xiàn)需要借助控制器與傳感器等硬件設備的配合，并通過相關硬件設備檢測啟閉機左右兩吊點的移動程度，若兩吊點的移動程度一致可以確定控制過程中未出現(xiàn)同步誤差問題，否則可以認定兩側(cè)運動存在滯后關系，并能夠得出同步運動的超差大小、相位等信息。將同步誤差的分析與計算結(jié)果代入到控制器中，并調(diào)整控制器的控制方式，通過控制單元進行相關的邏輯和數(shù)學處理，便可以實現(xiàn)對雙吊點閘門啟閉機控制工作中同步誤差的校正，從而實現(xiàn)對閘門啟閉機同步起吊。

1.1 液壓雙吊點閘門啟閉原理

同步數(shù)學模型構(gòu)建的目的是了解雙吊點閘門啟閉機的一般結(jié)構(gòu)和工作原理。閘門實際控制運行中，根據(jù)工程任務需要下達閘門的升、降指令，啟閉機液壓油泵經(jīng)由不同的液壓閥組在油缸內(nèi)形成壓力，引起液壓桿在缸內(nèi)做反復的伸展和縮回運動，對閘門產(chǎn)生推拉作用，為閘門的升降操作提供動力。將啟閉機的液壓缸通過雙吊頭與閘門連接在一起，達到啟閉閘門的目的，這也就是雙吊點閘門啟閉機的工作原理。

1.2 監(jiān)測水利工程水位

液壓雙吊點閘門啟閉機的控制執(zhí)行命令由閘前水位來決定，若閘前水位超過了安全水位線，則需要進行開閘泄洪，即啟閉機需要執(zhí)行提升操作，若監(jiān)測出閘前水位處于安全區(qū)域，則閘門恢復封閉狀態(tài)，啟閉機執(zhí)行降落任務，并將閘門復位。由此可見，要實現(xiàn)對啟閉機的控制任務，首先需要監(jiān)測水閘實時水位變化情況。此次主要借助水位傳感器進行研究。設備的設計結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 水位傳感器結(jié)構(gòu)

在實際水位監(jiān)測工作中以傳感器中的敏感元件為分析基準面，通過材料的合理選擇和結(jié)構(gòu)的合理設計使得下式成立：

L0α0=(L1+L2)α1

(1)

式中L0、L1和L2——傳感器中三個金屬套管的長度；

α0和αi——熱脹冷縮系數(shù)。

將設計的水位傳感器垂直放置到水利工程的水中，由于水的存在會使敏感元件發(fā)生形變，通過金屬管1將產(chǎn)生的形變量傳遞給應變傳感器光柵，從而改變其有效折射率，從而導致傳感器的中心反射波長發(fā)生偏移。傳感器的機械設計使用自收攬裝置，摒棄傳統(tǒng)浮子水位計配有重錘的結(jié)構(gòu)設計，水位傳感器采樣方式是根據(jù)浮子隨水位的變化，利用浮子、鋼絲繩和卷簧的作用力帶動碼盤的轉(zhuǎn)動進行水位采集。通過測量波長的偏移量即可以得出相應的液壓值，結(jié)合液壓與變形之間的對應關系，便可以的得出水位值，并通過傳感器設備傳輸?shù)街骺卦O備上。由于設計的水位傳感器需要長時間浸泡在水面以下，為了保證水位監(jiān)測結(jié)果的精度，傳感器主要構(gòu)成材料均為防水材料。水位傳感器性能參數(shù)按照表1中數(shù)據(jù)設置。

1.3 計算閘門啟閉機載荷

一般來講雙吊點閘門啟閉機所承受的荷載包括自身荷載、起升荷載、水平慣性荷載和外界環(huán)境荷載。荷載與實際荷載之間的關系如圖3所示。

圖3 閉機載荷結(jié)構(gòu)圖

圖3中Q為自重荷載，計算公式如下：

Q=Mg

(2)

式中M——雙吊點閘門、啟閉機所有結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量；

g——重力加速度。

圖3中FV為起升荷載，也就是起升質(zhì)量的重力，閘門在無約束的情況下被提升離開原位，存在一個起升動力效應，也就是起升荷載，該參數(shù)的計算公式如下

FV=n2Pq

(3)

其中

n2=n2min+χ2vq

(4)

式中n2——起升動載系數(shù)；

n2min——起升狀態(tài)級別的起升動載系數(shù)的最小值；

χ2、vq——按照起升狀態(tài)級別設定的系數(shù)和穩(wěn)定起升的速度;

Pq——額定起升荷載。

圖3中FG為水平慣性荷載，就是在水平面內(nèi)進行縱向或橫向操作時，啟閉機自身重量與閘門質(zhì)量的水平慣性力的綜合，其計算公式如下：

FG=φ1(Mq+Mc)a

(5)

式中Mq、Mc——額定起重量和閘門重量；

φ1——啟閉機驅(qū)動加/減速動載系數(shù)；

a——啟閉機的加/減速度。

另外外界環(huán)境因素包括風力、水力等，在計算過程中存在較大的不確定因素，在此次控制方法的分析中未予考慮。

1.4 確定啟閉機實時開度

結(jié)合實時水位監(jiān)測結(jié)果以及閘門啟閉機的荷載情況，可計算出當前閘門需要的開放程度，也就是啟閉機開度值，記為D1。接著檢測當前啟閉機的開度值，記為D2，判斷D1和D2的大小，從而確定啟閉機的開度調(diào)整值，開度調(diào)整值的確定過程如下：

(6)

當D1大于D2時，啟閉機執(zhí)行下降操作，若D1小于D2則啟閉機執(zhí)行提升操作，若D1與D2的值相等，則啟閉機不執(zhí)行任何操作。

1.5 實現(xiàn)雙吊點閘門啟閉機同步控制

設計并安裝啟閉機的同步控制器，并利用該設備實現(xiàn)對雙吊點閘門啟閉機的同步控制，并縮小同步控制誤差。圖4所示為安裝的控制器結(jié)構(gòu)。

圖4 雙吊點閘門啟閉機控制器結(jié)構(gòu)

雙吊點閘門啟閉機的控制可從啟閉機運行狀態(tài)和運行速度兩個方面進行，其中，啟閉機運行狀態(tài)可以分為提升狀態(tài)和下降狀態(tài)，結(jié)合啟閉機實時開度的判斷結(jié)果，在啟閉機運行時每個吊點上的控制器將不間斷地測量其偏差。在左右差值不小于20mm的情況下，自主上電對有桿腔輸入、輸出油量進行校準調(diào)整，保證閘門兩側(cè)位置達到一致。而啟閉機運行速度主要通過調(diào)速閥中流量進行控制，調(diào)速閥中流量中的連續(xù)性控制方程可表示為

(7)

式中q3、q4和q5——在控制器作用下調(diào)速閥出口、節(jié)流閥出口和調(diào)速閥進口的流量；

V3、V4——調(diào)速閥出口到主動液壓缸有桿腔之間以及減壓閥閥腔之間的體積。

將速度以及狀態(tài)的控制程序?qū)朐O計并安裝的控制器中，在控制器的作用下實現(xiàn)對雙吊點閘門啟閉機的同步控制。

2 對比實驗分析

為測試雙吊點閘門啟閉機同步控制方法的控制效果，以設置雙吊點閘門啟閉機的同步誤差為測試指標進行對比實驗，并將設計的方法應用到實際的水閘運行管理中，保證實驗結(jié)果的可信度。

2.1 水閘工程概況

此次選擇江蘇省內(nèi)的鹽城市串場河伍佑閘進行實驗。該水閘為中型水閘，建設的主要目的是防洪排澇，同時兼有通航、灌溉的功能。該閘于2013年建設完成，在2018年經(jīng)歷一次加固，并與2019年年末完成。加固完成后的水閘包含一個通航孔和四個分洪孔，兩個類型的閘孔凈寬分別為16m和12m，水閘的總寬度為72.3m。

2.2 實驗對象

在整個水閘工程中包括多個閘門，按照上游、下游的順序?qū)﹂l門進行編號，統(tǒng)計各個閘門啟閉機的主要性能參數(shù)(見表1)。

表1 雙吊點閘門啟閉機主要性能參數(shù)

除表1中的啟閉機基本性能指標外，還需要對控制過程中所需要使用的設備進行配置。開度儀情況見表2。

表2 開度儀型號及運行數(shù)據(jù)

2.3 設置實驗初始數(shù)據(jù)與目標數(shù)據(jù)

實驗前首先需要設置雙吊點閘門啟閉機的初始數(shù)據(jù)與目標數(shù)據(jù)，在實驗中分別執(zhí)行2次啟門操作和2次閉門操作，并記錄未應用任何控制方法下的運行數(shù)據(jù)，也就是初始同步誤差數(shù)據(jù)。第1次啟門操作產(chǎn)生的同步誤差見圖5。

圖5 初始啟門同步偏差曲線

同理可以得出其他操作過程中產(chǎn)生的初始同步偏差。雙吊點閘門啟閉機同步控制的最終目的是實現(xiàn)雙吊點之間的同步偏差為零。

2.4 實驗對比結(jié)果分析

為了形成實驗對比，除了設計同步控制方法外，還設置了傳統(tǒng)的控制方法以及文獻[1]中提出的基于PLC的雙吊點液壓啟閉機同步控制方法作為實驗的兩種對比方法。將三種控制方法導入控制器或主控計算機中，并用到水利工程中，分別得出對應的同步控制結(jié)果。應用設計控制方法得出的開度曲線見圖6。

圖6 雙吊點閘門啟閉機同步控制結(jié)果

從圖6中可以看出，雙吊點閘門在開啟和關閉過程中左右兩缸位移偏差逐步趨于穩(wěn)定，波動幅度逐漸減小，由此證明設計控制方法的同步偏差控制效果較好。同理可以得出另兩種控制方法下的實驗結(jié)果，并得出最終的控制效果對比結(jié)果(見表3)。

表3 對比實驗結(jié)果

從表4可以看出，應用傳統(tǒng)控制方法以及文獻[1]提出的控制方法對應的平均同步誤差分別為2.0和1.0，而應用設計的控制方法能夠?qū)⑼秸`差控制在0.5以下，由此證明設計的水利工程雙吊點閘門啟閉機同步控制方法的控制效果和應用性能更佳。

3 結(jié) 語

此次控制方法研究，主要對液壓雙吊點閘門啟閉機在運行過程中存在的同步偏差情況進行了分析，并利用控制方法確保雙吊點同步運行，從而大大提高雙吊點閘門同步啟閉精度。然而在此次控制方法的設計與實現(xiàn)工作中，忽略了外界環(huán)境對啟閉機運行帶來的影響，從實驗結(jié)果中可看出，應用控制方法后還存在微小的偏差，因此，在未來的研究工作中需要針對這一問題進一步優(yōu)化與分析。