小浪底水利樞紐孔板洞工作門雙門同步精確控制優化探討

許清遠++胡可++韋仕龍++楊淇帆++谷源泉

摘 要：小浪底水利樞紐孔板洞偏心鉸弧形工作門作為泄洪排沙系統的重要組成部分，其同步啟閉控制要求很高，而現有啟閉系統受結構本體、行程測量系統以及液壓系統的影響，雙門同步運動難以精確實現。本文通過對現有技術進行分析，得出通過采用先進行程測量系統和增設泵站旁路糾偏系統，可以有效增加控制精度和糾偏反饋精度，為雙門同步啟閉的解決提供思路，也為類似工程問題的解決提供借鑒。

關鍵詞：小浪底水利樞紐 孔板洞 同步啟閉 行程測量 旁路糾偏

中圖分類號：TV34 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（c）-0037-02

小浪底水利樞紐位于河南省洛陽市孟津縣與濟源市之間，控制流域面積69.4萬km2，占黃河流域面積的92.3%，以防洪、防凌、減淤為主，兼顧供水、灌溉和發電。泄洪排沙系統由3條孔板洞、3條排沙洞、3條明流洞、6條發電洞及正常溢洪道組成。

孔板洞的工作門和配套的液壓啟閉設備是泄洪排沙系統的關鍵設備，其孔洞形式特殊，工作門為雙門結構，泄洪運用時要求兩扇工作門實現同步啟閉，但其設備設計、制造于1999年，受當時技術條件的限制，設備的運行情況不是很理想，雙門難以精確同步，本文通過對其不同步原因進行分析，研究并提出同步精確控制的改造方案。

1 系統構成

孔板洞的每個洞室均并排設置有A、B兩扇偏心鉸弧形工作閘門，每個閘門分別配備了一套獨立的液壓啟閉設備和泵站控制系統；兩個閘門由一套電氣系統進行控制。每個閘門設置有主、副兩個啟閉機，主機控制啟升和下降，副機控制前移和后撤。

在設計上，要求A、B兩扇閘門同時開啟，啟閉過程中同步偏差小不大于300mm。實際運行中，發現通過電氣控制和液壓系統的調控，可以實現兩扇門的同時開啟，但在啟閉過程中同步要求難以精確實現，存在較大的過程偏差。

2 雙門不同步原因分析

（1）液壓系統。閘門的受力情況復雜，偏心鉸與副機為半剛性連接，系統未設置全自動同步伺服控制系統，僅僅依靠手動調節液壓閥組控制流量進而影響啟閉速度，但手動調節反饋較慢，同步反應慢，當單個閘門運行出現阻力時，更會影響啟閉速度，難以迅速反饋。

（2）行程測量裝置的缺陷?，F階段，閘門啟閉的開度測量通過IFM旋轉編碼器數據采集和主令控制器機械限位控制，能夠直觀反饋開度數據，但不具備數據處理功能。同時由于在制造安裝上的誤差，兩個編碼器的采集也存在數值上的偏差，難以精確保證雙門的實際開度值完全同步，甚至在運行過程中會加大測量偏差。

（3）閘門運行阻力。根據文獻[1][2]可知，偏心鉸弧門受力情況復雜，特別在雙門不同步的運行條件下，兩個閘門還受高水頭和孔板消能環等因素的影響，受力情況相差更大，導致運行阻力偏差進一步增大，在沒有自動調節手段的情況下，同步偏差也隨之擴大。

3 液壓同步控制技術簡介

隨著技術的迅速發展，液壓啟閉機的精確測量技術在同步控制方面取得了較大的進步，近些年國內外在光電脈沖傳感器、磁致位移傳感器等領域的研究都實現了重大突破，為精確同步控制技術的發展奠定了基礎[1]。

目前來說，水利行業液壓油缸普遍采用的同步系統主要有3種形式。

（1）伺服變量泵的同步回路。兩個啟閉機由各自油泵供油，一臺是定量泵，另一臺是伺服變量泵；變量泵的額定流量比定量泵的大，以留有調整余量。啟閉機工作時，變量泵對定量泵進行補油控制，使變量泵的排油隨定量泵發生相應的變化，反饋調節來滿足油缸的同步要求。

（2）電磁比例調速閥的同步回路。電磁比例調速閥控制技術，利用回路放大作用產生偏差信號，進而控制系統的比例調速閥，使一根啟閉機油缸隨同另一根油缸實現同步偏差調節運動。但比例調速閥要求油液有一定的流動方向，因此，在同步調節的過程中只能采用單向閥進行橋式整流。

其具體工作原理為：以閘門左側的油缸為基準，如出現偏差，閘門控制系統入，節閘門右側油缸比例調速閥的節流孔的大小控制進油量，進而來達到兩缸同步的目的。采用此比例伺服控制技術，其直接作用在液壓系統的主油路上，對液壓啟閉機的速度調節，反應敏捷，效果明顯。但其缺點為比例調速閥的加工精度要求極高，對液壓油的清潔度和品質要求較高。

（3）旁路糾偏的同步回路。在液壓同步伺服系統上，逐步引進了旁路糾偏技術，通過精確到行程測量系統進行開度測定，進而產生數據對比，若兩根啟閉機出現開度偏差，此時控制系統得到數據指令，控制電磁閥得電，影響旁通回路，進行速度調整。

旁路糾偏技術的關鍵在于采用高精度的行程檢測技術和數據采集系統，以換向閥來控制旁路泄油以實現回路的同步糾偏。

4 雙門同步優化方案

孔板洞兩個工作門是相互獨立的，兩個閘門各自獨立，其液壓控制系統也是完全獨立的，兩扇閘門啟閉采用同一回路糾偏技術難以實現，可以通過采用更新改造先進的油缸行程測量系統和增設比例調速閥伺服旁路糾偏系統，以實現兩個閘門同步控制的技術方案。

本文提出的對孔板洞雙門同步啟閉的改造可以通對液壓啟閉機的行程測量系統和液壓控制系統兩個方面進行改造，具體如下。

（1）行程測量系統。目前，陶瓷噴涂活塞桿以其抗磨損、耐腐蝕的優勢越來越得到廣泛應用，相應在活塞桿本體上開發了高精度的行程測量裝置，測量精度可達到±1mm，測量直接而精確，杜絕了環境對測量精度的影響。該傳感器配套專用開度控制儀，在數據計算和處理功能上，通過現場測量向開度儀輸入絕對正確的閘門開度數據。

憑借大修契機，對主、副機的活塞桿進行改造，在不影響強度的基礎上將其改制成陶瓷活塞桿結構。引進先進的GPMS傳感器以淘汰原有的IFM旋轉編碼器數據采集和主令控制器機械限位控制。新型的傳感器可以消除偏心鉸的同軸度偏差，并且減小活塞桿行程和閘門實際開度換算的誤差。

目前，大修后的啟閉機行程測量裝置精確得到了充分加強，通過電氣控制系統的實時糾偏作用，可以較為精確地進行實時控制，其性能能夠基本滿足同步控制全自動伺服系統的工作需要。

（2）增加比例調速閥伺服旁路糾偏系統。針對液壓泵站控制系統，在后期的改造中，可以在原有的兩套液壓泵站系統中增加一個比例調速閥伺服旁路糾偏系統，在回路中增設比例流量閥。通過電氣控制作用，依據啟閉過程同步偏差數據的大小，來隨時調節旁路泄油量，實時反饋以得到較高的同步精度。

5 結語

小浪底水利樞紐孔板洞工作門的雙門啟閉，其同步精確控制要求高，本文在對兩個閘門不同步啟閉原因進行分析的基礎上，探討不同步的原因。借鑒普通雙吊點閘門的同步控制方式，提出在設備升級改造時，采用更為先進和精確的行程測量系統，并在液壓回路中增設比例調速閥，來對控制系統進行實時反饋和糾偏。

通過前期改造，行程測量系統精確地得到了顯著提升，配合電氣控制系統的實時糾偏，可以較為精確地實現閘門的同步啟閉，同時本文也為雙門進一步的同步改進提供了方向。

參考文獻

[1] 黃海濤.液壓缸同步回路的設計與應用[J].流體傳動與控制，2006（5）：39-41.

[2] 唐紅海，王全洲，許滔.小浪底水利樞紐的初期運行[J].水利水電科技進展，2006，26（2）：56-58.

[3] 李振連，祁志峰，魏皓.小浪底2號孔板洞中閘室偏心鉸弧門流激振動原型觀測試驗研究[J].紅水河，2007，26（1）： 146-149.endprint