李 勇

(大連市普蘭店區(qū)生態(tài)環(huán)境事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 大連 116200)

0 引 言

水利工程主要分為供水與排水、水力發(fā)電、農(nóng)田水利以及防洪工程等類型，水利工程與其它工程相比具有建設(shè)周期長、工程規(guī)模大、影響范圍廣等特點[1-2]。一般地，采用雙吊點啟閉機安裝水利工程閘門，但雙吊點同步誤差過大會導致門槽軌道變形、閘門漏水、側(cè)水封磨損、閘門卡阻等問題，對啟閉機的正常運行造成間接影響，甚至會導致安全事故的發(fā)生[3]。

將閘門啟閉機按照不同的控制方式可以劃分成現(xiàn)地、集中和手動三種控制方式[4]。其中，現(xiàn)地控制比較適用于集中控制失效和調(diào)試；集中控制是結(jié)合水力環(huán)境現(xiàn)狀，通過對閘門啟閉狀態(tài)的檢測，在泄水閘集控室內(nèi)實現(xiàn)閘門開度大小的調(diào)節(jié)，這是閘門控制中使用最為廣泛的控制方式；手動控制主要是以人工操作的方式，對閘門開度大小進行手動調(diào)控。目前，國內(nèi)外學者主要側(cè)重于利用Modbus方法、模糊理論、PLC技術(shù)等控制方法的研究，而對啟閉機同步性要求較高時這些方法大多存在同步誤差問題[5-8]。針對以上問題，以傳統(tǒng)控制方法為基礎(chǔ)全面分析形成同步誤差的原因，并結(jié)合分析成果優(yōu)化設(shè)計同步控制雙吊點閘門啟閉機的實用方法。雙杠液壓和雙杠偏載不對稱為引起運行過程中同步誤差的主要原因，因此為實現(xiàn)同步控制方法的優(yōu)化設(shè)計有必要全面分析液壓雙吊點閘門啟閉機的同步誤差問題。

1 液壓雙吊點閘門啟閉機同步控制方法

雙吊點閘門啟閉機轉(zhuǎn)動過程中，主軸轉(zhuǎn)角與主軸上安裝的碼盤讀數(shù)成正比，在不考慮鋼絲繩彈性變形量的條件下閘門開度與碼盤中顯示的數(shù)據(jù)存在函數(shù)關(guān)系，將其編寫成程序代碼可實現(xiàn)啟閉機狀態(tài)的調(diào)整、控制，圖1反映了實現(xiàn)同步控制的流程[9]。

圖1 雙吊點閘門啟閉機同步控制流程

由圖1可知，配合使用傳感器、控制期等硬件設(shè)備是實現(xiàn)同步控制的關(guān)鍵，針對啟閉機左右吊點的移動程度可利用相關(guān)硬件設(shè)備進行檢測，若兩吊點保持相同的移動程度，則認為未產(chǎn)生同步控制誤差的問題，否則認為兩側(cè)具有滯后的運動關(guān)系，并獲取同步運動的相位、超差大小等信息。在控制器中輸入同步誤差計算分析結(jié)果，通過控制單元調(diào)整控制器的運行方式，由此實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)學處理和邏輯計算，在此基礎(chǔ)上校正同步誤差，實現(xiàn)雙吊點閘門啟閉機的同步起吊控制[10]。

1.1 雙吊點閘門啟閉原理

為掌握雙吊點閘門啟閉機的工作原理和一般結(jié)構(gòu)有必要構(gòu)建同步數(shù)學模型。雙吊點閘門啟閉機的工作原理為：實際運行控制過程中結(jié)合工程任務(wù)需要，下達相應(yīng)的升、降指令，在油缸內(nèi)經(jīng)不同的液壓閥組啟閉機液壓油泵形成壓力，在缸內(nèi)帶動液壓桿座反復的縮回和伸展運動，對閘門產(chǎn)生推拉作用并提供閘門升降操作所需的動力；然后通過閘門與雙吊頭將啟閉機的液壓缸連接成整體，從而實現(xiàn)閘門的啟動。

1.2 水利工程水位監(jiān)測

閘前水位決定了控制閘門啟閉機的明令，如果檢測出閘前水位超過安全水位線則啟閉機需要執(zhí)行提升操作，即開閘泄洪；如果閘前水位處于安全范圍則啟閉機需執(zhí)行降落操作，即閘門復位恢復其封閉狀態(tài)。因此，實時監(jiān)測水閘水位變化情況是實現(xiàn)啟閉機控制目標的重要條件，一般利用水位傳感器實現(xiàn)閘前水位的實時監(jiān)測。

以傳感器中的敏感軟件作為水位實際監(jiān)測工作中的分析基準面，通過科學的結(jié)構(gòu)設(shè)計和合理的材料選擇使其滿足以下條件：

L0α0=(L1+L2)α1

(1)

式中：α0、α為熱脹冷縮系數(shù)；L0、L1、L2為傳感器中三個金屬套管的長度，mm。

垂直將水位傳感器放置到閘前水體中，敏感元件受水的作用發(fā)生形變，應(yīng)變傳感器光柵通過金屬管1接受敏感元件的形變量，并進一步導致其有效折射率的改變和傳感器中心反射波長的便宜。為轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的配備重錘的浮子水位計結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，可利用自收攬裝置實現(xiàn)傳感器的機械設(shè)計，水位傳感器采樣主要是利用卷簧、鋼絲繩、浮子的作用力以及浮子隨水位變化的特點，帶動碼盤的轉(zhuǎn)動來采集水位。通過對波長偏移量的測量和液壓值的精準計算，利用變形與液壓之間的對應(yīng)關(guān)系即可確定相應(yīng)的水位值，最終將水位信息輸送至主控設(shè)備。由于長期浸泡在水下，為保證水位監(jiān)測精度設(shè)計的水位傳感器材料要符合防水要求[11-13]。

1.3 閘門啟閉機載荷計算

一般地，雙吊點閘門啟閉機承受的荷載有外界環(huán)境荷載、水平慣性荷載、起升荷載和自身荷載等，實際荷載與荷載間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 啟閉機荷載結(jié)構(gòu)

采用下式計算自重荷Q，即：Q=Mg，其中M為啟閉機所有結(jié)構(gòu)和雙吊點閘門的總質(zhì)量；g為重力加速度。

起升荷載FV為起升質(zhì)量的重力，在無約束的條件下閘門被提升離開原位時存在的起升動力效應(yīng)，實際上就是起升荷載FV，可利用下式確定FV參數(shù)值：

FV=n2pq

(2)

n2=n2min+x2vq

(3)

式中：n2、n2min為起升狀態(tài)下的動載系數(shù)及其最小值；vq、x2為穩(wěn)定起升速度和設(shè)定的起升狀態(tài)下的系數(shù)；pq為額定升起荷載。

水平慣性荷載FG是指橫線或縱向操作過程中，閘門和啟閉機自身重量的水平慣性力，利用下式確定：

FG=φ1(Mc+Mq)a

(4)

式中：Mc、Mq為閘門重量和額定起重量；φ1、a為啟閉機的驅(qū)動加/減速動載系數(shù)和加/減速度。

此外，計算過程中還存在水力、風力等外界環(huán)境不確定因素，在優(yōu)化設(shè)計該控制方法時均未予考慮。

1.4 啟閉機實時開度確定

根據(jù)閘門啟閉機的荷載情況以及水位實時監(jiān)測結(jié)果，計算確定啟閉機的開度值，即閘門當前需要開放的程度D1；然后對啟閉機當前的開度值D2進行檢測，通過對比D1與D2的大小確定啟閉機開度調(diào)整值，應(yīng)遵循的調(diào)整原則如下：

(5)

啟閉機按照以下原則進行操作，若D1>D2則執(zhí)行下降操作，若D1=D2則不執(zhí)行任何操作，若D1

1.5 雙吊點閘門啟閉機同步控制

啟閉機同步控制器的設(shè)計與安裝，可以有效控制雙吊點閘門啟閉機同步控制誤差更好地實現(xiàn)同步控制，控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

可從運行速度和運行狀態(tài)兩個角度控制雙吊點閘門啟閉機，并進一步將運行狀態(tài)分為提升和下降狀態(tài)，在啟閉機運行運行過程中結(jié)合實時開度判斷結(jié)果，利用控制器實現(xiàn)持續(xù)測量和偏差計算。在左右差值超過20mm的條件下，自主上電校準調(diào)整桿腔內(nèi)輸出、輸入油量，以實現(xiàn)兩側(cè)位置的協(xié)調(diào)一致。通過調(diào)速閥中的流量實現(xiàn)啟閉機運行速度的控制，利用連續(xù)性控制方程反映調(diào)速閥中的流量，其表達式為：

(6)

式中：V4、V3為減壓閥閥腔及主動液壓缸有桿腔到調(diào)速閥出口之間的體積；q3、q3、q5為控制器作用下調(diào)速閥進口、節(jié)流閥出口、調(diào)速閥出口的流量。

在設(shè)計安裝的控制器內(nèi)導入狀態(tài)和速度的控制程序，對雙吊點閘門啟閉機通過控制器作用實現(xiàn)同步控制。

2 實驗分析

設(shè)測試指標為同步誤差，通過對比實驗分析雙同步控制方法的控制效果，并在實際水閘運行管理中應(yīng)用設(shè)計的同步控制方法，從而更好地驗證實驗結(jié)果的可靠性。

2.1 工程概況

以某水閘為例，該水閘主要承擔防洪排澇、農(nóng)田灌溉、交通航運等功能，屬于中型水閘。該閘建成于2012年，后經(jīng)2019年完成除險加固整治，加固后水閘共有四個分洪孔和一個通航孔，凈寬分別為12.0m和16.0m，總寬度72.8m[14-16]。

2.2 實驗分析

該水閘工程涉及多個閘門，對閘門按從上游至下游的原則依次編號，并統(tǒng)計雙吊點閘門啟閉機的性能參數(shù)，如表1所示。

啟閉機不僅要符合表1中的指標要求，在控制過程中還要配置相應(yīng)的設(shè)備，開度儀運行及其型號如表2所示。

表1 啟閉機性能參數(shù)

表2 開度儀運行數(shù)據(jù)及型號

2.3 初始與目標數(shù)據(jù)設(shè)置

以實現(xiàn)雙吊點間同步偏差為零作為雙吊點閘門啟閉機同步控制的最終目標，正式實驗前需要先設(shè)定初始和目標數(shù)據(jù)，實驗過程中執(zhí)行2次閉門和2次啟門操作，并對未使用任何控制方法下的初始同步誤差數(shù)據(jù)進行準確紀錄；同理，紀錄其它操作下的同步偏差。

2.4 實驗結(jié)果對比

通過設(shè)置文獻提出的PLC同步控制方法、傳統(tǒng)的控制方法和文中提出的優(yōu)化設(shè)計方法形成對比實驗，在主控計算機或控制器中導入3種控制方法，將其應(yīng)用到實例工程獲得相應(yīng)的同步控制結(jié)果，如表3。

表3 實驗結(jié)果對比

在開啟和關(guān)閉時雙吊點閘門左右兩缸位移波動幅度逐漸下降，位移偏差趨于穩(wěn)定，研究表明設(shè)計控制法具有更好的偏差控制效果。同理，可以獲取其它兩種方法的控制效果，全面對比實驗結(jié)果。由表3可知，采用文獻提出的PLC同步控制法、傳統(tǒng)控制方法和優(yōu)化設(shè)計的控制方法，實驗得到的同步誤差平均值分別2.1、1.0和0.5，可見優(yōu)化設(shè)計的控制方法對雙吊點閘門啟閉機同步控制的應(yīng)用性能和控制效果更好[17-18]。

3 結(jié) 論

文章主要分析了運行過程中液壓雙吊點閘門啟閉機的同步偏差問題，為了提高同步啟閉精度以及實現(xiàn)保證雙吊點同步運行，提出了優(yōu)化設(shè)計的控制方法。然而，在實際工作和優(yōu)化設(shè)計時未考慮啟閉機運行受外界環(huán)境的影響。通過實驗對比發(fā)現(xiàn)，在實際應(yīng)用時優(yōu)化設(shè)計的控制方法仍存在較小偏差，未來仍需進一步優(yōu)化分析解決該微小偏差的方法。