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(zhǎng)、工程規(guī)模大、影響范圍廣等特點(diǎn)[1-2]。一般地，采用雙吊點(diǎn)啟閉機(jī)安裝水利工程閘門，但雙吊點(diǎn)同步誤差過大會(huì)導(dǎo)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(duì)啟閉機(jī)的正常運(yùn)行造成間接影響，甚至?xí)?dǎo)致安全事故的發(fā)生[3]。

將閘門啟閉機(jī)按照不同的控制方式可以劃分成現(xiàn)地、集中和手動(dòng)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(duì)閘門啟閉狀態(tài)的檢測(cè)，在泄水閘集控室內(nèi)實(shí)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(dòng)控制主要是以人工操作的方式，對(duì)閘門開度大小進(jìn)行手動(dòng)調(diào)控。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)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(duì)啟閉機(jī)同步性要求較高時(shí)這些方法大多存在同步誤差問題[5-8]。針對(duì)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(jì)同步控制雙吊點(diǎn)閘門啟閉機(jī)的實(shí)用方法。雙杠液壓和雙杠偏載不對(duì)稱為引起運(yùn)行過程中同步誤差的主要原因，因此為實(shí)現(xiàn)同步控制方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)有必要全面分析液壓雙吊點(diǎn)閘門啟閉機(jī)的同步誤差問題。

1 液壓雙吊點(diǎn)閘門啟閉機(jī)同步控制方法

雙吊點(diǎn)閘門啟閉機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)啟閉機(jī)狀態(tài)的調(diào)整、控制，圖1反映了實(shí)現(xiàn)同步控制的流程[9]。

圖1 雙吊點(diǎn)閘門啟閉機(jī)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(shí)現(xiàn)同步控制的關(guān)鍵，針對(duì)啟閉機(jī)左右吊點(diǎn)的移動(dòng)程度可利用相關(guān)硬件設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，若兩吊點(diǎn)保持相同的移動(dòng)程度，則認(rèn)為未產(chǎn)生同步控制誤差的問題，否則認(rèn)為兩側(cè)具有滯后的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并獲取同步運(yùn)動(dòng)的相位、超差大小等信息。在控制器中輸入同步誤差計(jì)算分析結(jié)果，通過控制單元調(diào)整控制器的運(yùn)行方式，由此實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理和邏輯計(jì)算，在此基礎(chǔ)上校正同步誤差，實(shí)現(xiàn)雙吊點(diǎn)閘門啟閉機(jī)的同步起吊控制[10]。

1.1 雙吊點(diǎn)閘門啟閉原理

為掌握雙吊點(diǎn)閘門啟閉機(jī)的工作原理和一般結(jié)構(gòu)有必要構(gòu)建同步數(shù)學(xué)模型。雙吊點(diǎn)閘門啟閉機(jī)的工作原理為：實(shí)際運(yùn)行控制過程中結(jié)合工程任務(wù)需要，下達(dá)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(jī)液壓油泵形成壓力，在缸內(nèi)帶動(dòng)液壓桿座反復(fù)的縮回和伸展運(yùn)動(dòng)，對(duì)閘門產(chǎn)生推拉作用并提供閘門升降操作所需的動(dòng)力；然后通過閘門與雙吊頭將啟閉機(jī)的液壓缸連接成整體，從而實(shí)現(xiàn)閘門的啟動(dòng)。

1.2 水利工程水位監(jiān)測(cè)

閘前水位決定了控制閘門啟閉機(jī)的明令，如果檢測(cè)出閘前水位超過安全水位線則啟閉機(jī)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(jī)需執(zhí)行降落操作，即閘門復(fù)位恢復(fù)其封閉狀態(tài)。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水閘水位變化情況是實(shí)現(xiàn)啟閉機(jī)控制目標(biāo)的重要條件，一般利用水位傳感器實(shí)現(xiàn)閘前水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

以傳感器中的敏感軟件作為水位實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中的分析基準(zhǔn)面，通過科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)金屬套管的長(zhǎng)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(jìn)一步導(dǎo)致其有效折射率的改變和傳感器中心反射波長(zhǎng)的便宜。為轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的配備重錘的浮子水位計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，可利用自收攬裝置實(shí)現(xiàn)傳感器的機(jī)械設(shè)計(jì)，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(diǎn)，帶動(dòng)碼盤的轉(zhuǎn)動(dòng)來采集水位。通過對(duì)波長(zhǎng)偏移量的測(cè)量和液壓值的精準(zhǔn)計(jì)算，利用變形與液壓之間的對(duì)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(zhǎng)期浸泡在水下，為保證水位監(jiān)測(cè)精度設(shè)計(jì)的水位傳感器材料要符合防水要求[11-13]。

1.3 閘門啟閉機(jī)載荷計(jì)算

一般地，雙吊點(diǎn)閘門啟閉機(jī)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(shí)際荷載與荷載間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 啟閉機(jī)荷載結(jié)構(gòu)

采用下式計(jì)算自重荷Q，即：Q=Mg，其中M為啟閉機(jī)所有結(jié)構(gòu)和雙吊點(diǎn)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(shí)存在的起升動(dòng)力效應(yīng)，實(shí)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(dòng)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(jī)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(jī)的驅(qū)動(dòng)加/減速動(dòng)載系數(shù)和加/減速度。

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

1.4 啟閉機(jī)實(shí)時(shí)開度確定

根據(jù)閘門啟閉機(jī)的荷載情況以及水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，計(jì)算確定啟閉機(jī)的開度值，即閘門當(dāng)前需要開放的程度D1；然后對(duì)啟閉機(jī)當(dāng)前的開度值D2進(jìn)行檢測(cè)，通過對(duì)比D1與D2的大小確定啟閉機(jī)開度調(diào)整值，應(yīng)遵循的調(diào)整原則如下：

(5)

啟閉機(jī)按照以下原則進(jìn)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(diǎn)閘門啟閉機(jī)同步控制

啟閉機(jī)同步控制器的設(shè)計(jì)與安裝，可以有效控制雙吊點(diǎn)閘門啟閉機(jī)同步控制誤差更好地實(shí)現(xiàn)同步控制，控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

可從運(yùn)行速度和運(yùn)行狀態(tài)兩個(gè)角度控制雙吊點(diǎn)閘門啟閉機(jī)，并進(jìn)一步將運(yùn)行狀態(tài)分為提升和下降狀態(tài)，在啟閉機(jī)運(yùn)行運(yùn)行過程中結(jié)合實(shí)時(shí)開度判斷結(jié)果，利用控制器實(shí)現(xiàn)持續(xù)測(cè)量和偏差計(jì)算。在左右差值超過20mm的條件下，自主上電校準(zhǔn)調(diào)整桿腔內(nèi)輸出、輸入油量，以實(shí)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(shí)現(xiàn)啟閉機(jī)運(yùn)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(dá)式為：

(6)

式中：V4、V3為減壓閥閥腔及主動(dòng)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(jìn)口、節(jié)流閥出口、調(diào)速閥出口的流量。

在設(shè)計(jì)安裝的控制器內(nèi)導(dǎo)入狀態(tài)和速度的控制程序，對(duì)雙吊點(diǎn)閘門啟閉機(jī)通過控制器作用實(shí)現(xiàn)同步控制。

2 實(shí)驗(yàn)分析

設(shè)測(cè)試指標(biāo)為同步誤差，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析雙同步控制方法的控制效果，并在實(shí)際水閘運(yùn)行管理中應(yīng)用設(shè)計(jì)的同步控制方法，從而更好地驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)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(dān)防洪排澇、農(nóng)田灌溉、交通航運(yùn)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(xiǎn)加固整治，加固后水閘共有四個(gè)分洪孔和一個(gè)通航孔，凈寬分別為12.0m和16.0m，總寬度72.8m[14-16]。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

該水閘工程涉及多個(gè)閘門，對(duì)閘門按從上游至下游的原則依次編號(hào)，并統(tǒng)計(jì)雙吊點(diǎn)閘門啟閉機(jī)的性能參數(shù)，如表1所示。

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

表1 啟閉機(jī)性能參數(shù)

表2 開度儀運(yùn)行數(shù)據(jù)及型號(hào)

2.3 初始與目標(biāo)數(shù)據(jù)設(shè)置

以實(shí)現(xiàn)雙吊點(diǎn)間同步偏差為零作為雙吊點(diǎn)閘門啟閉機(jī)同步控制的最終目標(biāo)，正式實(shí)驗(yàn)前需要先設(shè)定初始和目標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)過程中執(zhí)行2次閉門和2次啟門操作，并對(duì)未使用任何控制方法下的初始同步誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確紀(jì)錄；同理，紀(jì)錄其它操作下的同步偏差。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過設(shè)置文獻(xiàn)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(jì)方法形成對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在主控計(jì)算機(jī)或控制器中導(dǎo)入3種控制方法，將其應(yīng)用到實(shí)例工程獲得相應(yīng)的同步控制結(jié)果，如表3。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在開啟和關(guān)閉時(shí)雙吊點(diǎn)閘門左右兩缸位移波動(dòng)幅度逐漸下降，位移偏差趨于穩(wěn)定，研究表明設(shè)計(jì)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(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表3可知，采用文獻(xiàn)提出的PLC同步控制法、傳統(tǒng)控制方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)的控制方法，實(shí)驗(yàn)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(jì)的控制方法對(duì)雙吊點(diǎn)閘門啟閉機(jī)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(yùn)行過程中液壓雙吊點(diǎn)閘門啟閉機(jī)的同步偏差問題，為了提高同步啟閉精度以及實(shí)現(xiàn)保證雙吊點(diǎn)同步運(yùn)行，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)的控制方法。然而，在實(shí)際工作和優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)未考慮啟閉機(jī)運(yùn)行受外界環(huán)境的影響。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)的控制方法仍存在較小偏差，未來仍需進(jìn)一步優(yōu)化分析解決該微小偏差的方法。