倪 莉

(上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200063)

船閘液壓啟閉機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。當前液壓啟閉機的技術(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用。傳統(tǒng)船閘液壓啟閉機采用的是雙吊點液壓啟閉機控制系統(tǒng)[1-3]。通過多年的實踐發(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，嚴重影響船閘液壓啟閉機的正常運行，甚至?xí)l(fā)災(zāi)難性事故。因此，從安全性的角度考慮，船閘液壓啟閉機的同步控制，是船閘液壓啟閉機液壓系統(tǒng)中最重要的性能要求。雖然當前船閘液壓啟閉機在我國的水利工程中得到了廣泛應(yīng)用，但與其他發(fā)達國家相比，船閘液壓啟閉機同步控制系統(tǒng)的研究仍然遠遠落后。因此，為了進一步保證船閘安全可靠運行，本文開展對船閘液壓啟閉機同步控制系統(tǒng)的設(shè)計研究。

1 船閘液壓啟閉機同步控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

在船閘液壓啟閉機同步控制中，需要用位置測量傳感器來檢測兩側(cè)啟閉機的油缸狀態(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)閘門同步運行。在啟閉機開啟或關(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

作為閘門總控制的重要組成部分，要想實現(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?？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、強電磁干擾等復(fù)雜環(huán)境，且集成度高，可靠性更強，另外可編程邏輯控制器具有較強的邏輯控制功能，能夠通過計算閘門開度、油缸行程等數(shù)據(jù)，對閘門啟閉進行邏輯控制，可以說其自成一個硬件，無須過多的設(shè)計，可編程邏輯控制器內(nèi)部包括主機、存儲模塊、輸入模塊、輸出模塊即可。硬件設(shè)計越簡單越不易出現(xiàn)故障，更具有實用性，也利于后期的系統(tǒng)維護與檢修，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，進行選取。常用的傳感器有自整角機、線繞式電位器、光電式軸角編碼器三種。

自整角機同時具備接收和發(fā)送兩種測量裝置，自整角機的優(yōu)勢在于可以實現(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，需要進行A/D轉(zhuǎn)換，可以說測量值采集準確、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，但難以實現(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 船閘液壓啟閉機同步控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 船閘液壓啟閉機閘門控制

本文系統(tǒng)中的船閘液壓啟閉機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行保障。首先對泄水時船閘的閘門進行控制，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行初始化設(shè)置。待完成初始化設(shè)置后，根據(jù)實際運行情況選擇不同船閘控制模式，即遠程控制、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)值進行設(shè)定，保證啟動船閘的預(yù)設(shè)開度值遠遠大于船閘的實際開度數(shù)值，在閉合船閘時的預(yù)設(shè)開度值遠遠小于船閘的實際開度數(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處于正常的運行狀態(tài)。本文系統(tǒng)中船閘液壓啟閉機閘門控制流程見圖2。

圖2 本文系統(tǒng)船閘液壓啟閉機閘門控制流程

在船閘閘門運行的過程中，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中的各項數(shù)據(jù)，例如電動機電流、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在運行過程中是否出現(xiàn)了異常急停或故障問題，若閘門出現(xiàn)故障問題，則立即按下急停按鈕，若閘門在運行時出現(xiàn)嚴重的故障問題，本文系統(tǒng)也能自動采取緊急停機措施。在本文系統(tǒng)實際運行過程中，如果判斷出閘門出現(xiàn)了下滑情況，則系統(tǒng)自動進行相應(yīng)的提升操作，若系統(tǒng)無法準確對閘門進行提升，則立即將系統(tǒng)停機，保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2.2 閘門開度轉(zhuǎn)換計算

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確性。結(jié)合船閘的實際情況，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，測量任意兩點之間的閘門開度，當測量值在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。當測量值a在A1

第四步：計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在運行過程中船閘兩側(cè)的同步，即運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。開度的計算主要是根據(jù)閘門左右兩端累積十次運行得到的開度平均值，由本文上述閘門開度轉(zhuǎn)換計算得出。當計算結(jié)果小于最小糾偏值時，系統(tǒng)中的比例糾偏閥不反應(yīng)，若計算結(jié)果大于最小糾偏值，系統(tǒng)中的比例糾偏閥開始進行糾偏操作。具體操作如下：

當開度值計算結(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)油缸的進出油量進行調(diào)節(jié)，從而改變船閘兩側(cè)的運行速度，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，實現(xiàn)船閘液壓啟閉機的同步控制。

3 實驗論證分析

3.1 實驗準備

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

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

3.2 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述實驗準備，完成對比實驗，并根據(jù)開度誤差計算結(jié)果得出船閘五次運行時閘門兩側(cè)開度最大差值，并將實驗結(jié)果進行記錄(見表1)。

表1 實驗結(jié)果對比

從表1可以看出，實驗組系統(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，在實驗過程中，對照組由于受到環(huán)境干擾因素影響嚴重，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)的開度偏差進行糾偏。通過對比實驗證明，本文設(shè)計的船閘液壓啟閉機閘門同步控制系統(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的安全、穩(wěn)定運行，同時實現(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同步控制系統(tǒng)的設(shè)計研究，初步實現(xiàn)了船閘兩側(cè)閘門的同步運行。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，液壓啟閉機同步控制系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。