基于液壓弧形閘門的自動(dòng)控制程序優(yōu)化應(yīng)用

楊庚生

（中水三立數(shù)據(jù)技術(shù)股份有限公司 合肥 230031）

1 引言

某調(diào)水工程利于大型液壓弧形閘門進(jìn)行擋水，并控制調(diào)節(jié)渠道水位；因其全線站點(diǎn)多、控制精度和遠(yuǎn)程控制成功率要求高，因此為保證達(dá)到應(yīng)用需求，需對(duì)傳統(tǒng)液壓閘門控制流程進(jìn)行優(yōu)化，在達(dá)到業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)上滿足安全性要求。

2 自動(dòng)控制流程

閘門控制方式主要有現(xiàn)地手動(dòng)、現(xiàn)地自動(dòng)、遠(yuǎn)方控制方式三種：現(xiàn)地手動(dòng)，通過操作控制面板上按鈕，使用硬件回路直接控制閘門；現(xiàn)地自動(dòng)，主要通過觸摸屏下達(dá)命令到PLC 控制單元，對(duì)閘門進(jìn)行自動(dòng)控制；遠(yuǎn)方控制，主要通過遠(yuǎn)方調(diào)度系統(tǒng)下達(dá)命令到PLC 控制單元，對(duì)閘門進(jìn)行自動(dòng)控制。

閘門的基本自動(dòng)控制功能包括：定位、開啟、關(guān)閉和停止；通過定位控制，通過指令設(shè)定開度，下達(dá)到PLC，通過開閘或者關(guān)閘命令達(dá)到目標(biāo)位置，閘門自動(dòng)停止。閘門在運(yùn)行過程中可以主動(dòng)對(duì)閘門進(jìn)行停止，同時(shí)當(dāng)閘門運(yùn)行過程中有故障報(bào)警時(shí)，閘門自動(dòng)停止并輸出報(bào)警。當(dāng)前調(diào)水工程中使用的是雙吊點(diǎn)大型液壓弧形閘門，當(dāng)閘門運(yùn)行過程中如兩邊有偏差，并達(dá)到門限值時(shí)，閘門自動(dòng)糾偏，同步上升或者下降。

2.1 閘門定位

在滿足操作權(quán)限條件下，通過“定位”指令，設(shè)定目標(biāo)開度并確定確認(rèn)；此功能主要是目標(biāo)值的下發(fā)，為后面的操作控制指令服務(wù)。

在具體應(yīng)用“定位”功能還需注意以下幾點(diǎn)：（1）每次設(shè)定開度必須比當(dāng)前開度值大于或小于一定闕值，而此闕值的大小也體現(xiàn)出遠(yuǎn)程調(diào)度限值要求，在此調(diào)水工程中，該值設(shè)計(jì)為20mm；（2）設(shè)定的開度是以閘門從全關(guān)位置算起，即是絕對(duì)值，而非相對(duì)值；（3）通過軟件另反饋顯示已下達(dá)的設(shè)定目標(biāo)開度值，如相等，表示設(shè)定成功，否則設(shè)定開度不成功，自動(dòng)控制無法操作。

2.2 閘門開啟

當(dāng)需要對(duì)閘門進(jìn)行開啟時(shí)，需已執(zhí)行“定位”指令后，且設(shè)定開度需比當(dāng)前開度大，然后通過“開閘”指令，PLC 控制單元先啟動(dòng)油泵，等待幾秒鐘，打開系統(tǒng)閥建壓，再等待幾秒鐘，打開啟門閥，閘門自動(dòng)上升；閘門上升到達(dá)設(shè)定的目標(biāo)開度或者上限自動(dòng)停止。

具體應(yīng)用“閘門開啟”功能需注意：閘門開啟過程中如有異常或需要，可以通過“停止”指令，將閘門停止。

2.3 閘門關(guān)閉

當(dāng)需要對(duì)閘門進(jìn)行關(guān)閉時(shí)，需已執(zhí)行“定位”指令后，且設(shè)定開度比當(dāng)前開度小，然后通過“關(guān)閘”指令，PLC 控制單元先啟動(dòng)油泵，等待幾秒鐘，打開系統(tǒng)閥建壓，再等待幾秒鐘，打開閉門閥，閘門自動(dòng)下降；當(dāng)閘門下降到達(dá)設(shè)定的目標(biāo)開度或下限時(shí)自動(dòng)停止。

具體應(yīng)用“閘門關(guān)閉”功能需注意：閘門關(guān)閉過程中如有異常或需要，可以通過“停止”指令，將閘門停止。

2.4 閘門停止

在閘門上升或下降過程中，可以通過“停止”指令，關(guān)閉啟門閥或閉門閥，閘門自動(dòng)停止；等待幾秒，關(guān)閉系統(tǒng)閥，再等待幾秒，停止油泵。

3 控制流程優(yōu)化應(yīng)用

基本控制流程是閘門控制的基礎(chǔ)，為保證閘門在安全運(yùn)行的條件下，達(dá)到高控制精度和高控制成功率，通過對(duì)既有的基本控制功能和流程進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出和完善自動(dòng)控制流程：

3.1 過程狀態(tài)反饋

傳統(tǒng)的閘門控制過程狀態(tài)數(shù)據(jù)一般是通過PLC硬件模塊采集到的模件點(diǎn)，如：DI 點(diǎn)、AI 點(diǎn)數(shù)據(jù)等。因受成本設(shè)計(jì)或傳感器限制，其所反饋到后臺(tái)的狀態(tài)有限，只能基本滿足當(dāng)前需求，當(dāng)調(diào)水工程提出更高要求時(shí)，過程狀態(tài)反饋就有所缺失；通過分析自動(dòng)控制流程的結(jié)構(gòu)，將一些除模件點(diǎn)之外，增加自動(dòng)控制流程執(zhí)行過程中的一些內(nèi)部過程數(shù)據(jù)或另補(bǔ)充一些統(tǒng)計(jì)類數(shù)據(jù)反饋上傳，以加強(qiáng)遠(yuǎn)程調(diào)度后臺(tái)對(duì)控制指令執(zhí)行結(jié)果的了解，利于當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，可以容易進(jìn)行分析判斷，加快故障問題排查處理。

根據(jù)運(yùn)行管理的需要，過程狀態(tài)反饋分為：?jiǎn)?dòng)條件、指令處理反饋、流程執(zhí)行反饋。

（1）啟動(dòng)條件：為保證閘門自動(dòng)開啟和關(guān)閉流程的安全和正常執(zhí)行，系統(tǒng)在靜態(tài)條件下，各傳感器所檢測(cè)的結(jié)果是否滿足要求；當(dāng)滿足時(shí)，才允許后臺(tái)下發(fā)指令。為能及時(shí)和清晰對(duì)不滿足條件點(diǎn)進(jìn)行定位和分析，通常情況下會(huì)將這些條件進(jìn)行歸類，通過約定定義整形字節(jié)各比特位的含義，以提供不同的反饋狀態(tài)碼。

（2）指令處理反饋：對(duì)調(diào)度或觸摸屏下達(dá)的自動(dòng)控制指令接收、判斷和處理過程的記錄，并重點(diǎn)反饋指令處理過程中的故障原因，以利于能指導(dǎo)后臺(tái)快速定位出問題點(diǎn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并處理；指令主要為設(shè)定目標(biāo)值指令和操作指令兩類。

設(shè)定目標(biāo)值指令主要反饋：a.設(shè)定值不在有效范圍內(nèi)；b.設(shè)定值變化小于門限值；c.設(shè)定值下發(fā)超時(shí)。

操作指令主要為開啟和關(guān)閉兩個(gè)主要?jiǎng)幼鳎谡Ｗ詣?dòng)操作中，停止和急停都是根據(jù)提前設(shè)定好的條件自動(dòng)完成。其主要反饋：a.指令下發(fā)超時(shí)，b.控制在死區(qū)，c.重復(fù)指令，d.互斥指令，e.無操作權(quán)限，f.無效控制指令。

（3）流程執(zhí)行反饋：當(dāng)接收到的指令處理正確后，按指令類型進(jìn)行調(diào)用流程；流程執(zhí)行過程中的反饋是日常出現(xiàn)故障最多的地方，其需要對(duì)每一步執(zhí)行過程結(jié)果進(jìn)行反饋，以利于快速定位問題所在。其主要反饋有：a.1#油泵故障，啟動(dòng)2#油泵；b.2#和1#油泵故障，退出；c.1#油泵無狀態(tài)反饋，啟動(dòng)2#油泵；d.2#和1#油泵都無狀態(tài)反饋，退出；e.閘門無上升信號(hào)反饋，退出；f.閘門無下降信號(hào)反饋，退出。

3.2 運(yùn)行安全防護(hù)

當(dāng)流程執(zhí)行過程中，系統(tǒng)狀態(tài)出現(xiàn)異常，影響設(shè)備運(yùn)行安全時(shí)，需立即緊急停止，同時(shí)后臺(tái)必須知道是什么原因造成的；其主要急停觸發(fā)條件有：a.系統(tǒng)超壓；b.無桿腔或關(guān)門超壓；c.閘門超差；d.開度不變化超時(shí)；其中“開度不變化超時(shí)”可以防止一些傳感器監(jiān)測(cè)不到，最終故障結(jié)果會(huì)體現(xiàn)在閘門開度變化上的綜合性故障，其是閘門運(yùn)行過程中最重要的安全防護(hù)點(diǎn)，且是非硬件傳感器檢測(cè)到的，而是通過算法邏輯實(shí)現(xiàn)的。

3.3 靜態(tài)糾偏

在保證閘門的安全運(yùn)行過程中，閘門超差是其關(guān)鍵安全防護(hù)指標(biāo)。在閘門運(yùn)行過程中，控制流程會(huì)自動(dòng)通過糾偏同步程序來進(jìn)行調(diào)整超差，以保證閘門運(yùn)行過程的平衡，使之保持在超差范圍內(nèi)。而當(dāng)閘門控制調(diào)整結(jié)束后，下一次調(diào)整前，液壓系統(tǒng)處理保壓狀態(tài)，但液壓密封有一定的泄漏量，且兩邊的泄露量不一定會(huì)保持一致。在此情況下，會(huì)出現(xiàn)閘門在靜止情況下出現(xiàn)超差，而當(dāng)遠(yuǎn)程進(jìn)行調(diào)度控制時(shí)，其就滿足不了啟動(dòng)條件，影響閘門的遠(yuǎn)程調(diào)度控制的成功率。為解決此因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響，提高控制的成功率，設(shè)計(jì)了靜態(tài)糾偏流程。在一定規(guī)則下，當(dāng)閘門靜態(tài)情況下出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)調(diào)整程序，以保證下一次操作前滿足啟動(dòng)條件。

具體技術(shù)方案如下：當(dāng)閘門在停止?fàn)顟B(tài)且自動(dòng)控制模式時(shí)，當(dāng)開度差≥10mm，自動(dòng)下發(fā)糾偏命令，并進(jìn)行靜態(tài)糾偏計(jì)數(shù)；記錄當(dāng)前閘門左開度為目標(biāo)開度，閘門下降40mm 后再上升至啟動(dòng)糾偏時(shí)記錄的目標(biāo)開度位置停止；在此過程中計(jì)時(shí)，如果超過定時(shí)時(shí)間時(shí)（可利用開度不變化超時(shí)時(shí)間功能），根據(jù)當(dāng)前行程差判斷以下情況：

（1）如開度差≥10mm，停閘報(bào)警，計(jì)不成功靜態(tài)糾偏故障；故障信號(hào)不復(fù)位，下次不再進(jìn)行靜態(tài)糾偏，但不影響閘門正常操作。

（2）如5mm ≤開度差＜10mm，計(jì)不成功靜態(tài)糾偏報(bào)警，報(bào)警信號(hào)下次閘門靜態(tài)糾偏或正常操作時(shí)自動(dòng)復(fù)位。

（3）功能限制闕值：開度差＞15mm 時(shí)發(fā)報(bào)警信號(hào)，當(dāng)＞20mm，自動(dòng)屏蔽靜態(tài)糾偏功能。

（4）間隔時(shí)間為1h：在1h 以內(nèi)如開度差超過10mm 屏蔽靜態(tài)糾偏功能。當(dāng)超過1h，10mm ≤開度差＜20mm 時(shí)自動(dòng)糾偏閘門。

（5）當(dāng)3000mm ≤開度差＜40mm 時(shí)，屏蔽靜態(tài)自動(dòng)糾偏功能。

3.4 下滑復(fù)位

同靜態(tài)糾偏情況類似，當(dāng)閘門控制調(diào)整結(jié)束后，下一次調(diào)整前，液壓系統(tǒng)處理保壓狀態(tài)，但液壓密封有一定的泄漏量，當(dāng)在12h 內(nèi)，閘門下滑超過100mm 時(shí)，為減小對(duì)渠道水位面的影響，需及時(shí)將閘門目標(biāo)開度恢復(fù)到下滑前；為解決此因素對(duì)系統(tǒng)的影響，設(shè)計(jì)下滑復(fù)位流程，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)調(diào)整程序，以保證目標(biāo)開度。

其具體技術(shù)方案如下：在閘門每一次停止時(shí)，不管在那種工作模式下，都會(huì)記錄當(dāng)前停止時(shí)閘門左開度，此開度作為閘門下滑判斷值和自動(dòng)復(fù)位目標(biāo)值。

閘門在停止?fàn)顟B(tài)且自動(dòng)控制模式下，PLC 檢測(cè)到閘門開度下滑超過100mm 時(shí)，將自動(dòng)復(fù)位目標(biāo)值寫入開度目標(biāo)值中，PLC 發(fā)出自動(dòng)復(fù)位信號(hào)，并進(jìn)行下滑復(fù)位計(jì)數(shù)，PLC 按照正常控制流程，控制閘門到上次停止時(shí)PLC 自動(dòng)記錄的開度位置。

功能限制闕值：開度下滑超過120mm 時(shí)發(fā)報(bào)警信號(hào)，當(dāng)超過200mm，自動(dòng)屏蔽下滑自動(dòng)復(fù)位功能。

間隔時(shí)間為12h：在12h 以內(nèi)如超過100mm 屏蔽下滑自動(dòng)復(fù)位功能；當(dāng)超過12h，100mm ≤下滑＜200mm 時(shí)復(fù)位閘門。

閘門開度＞3000mm 時(shí)，自動(dòng)屏蔽下滑自動(dòng)復(fù)位功能。

4 應(yīng)用分析總結(jié)

通過優(yōu)化過程狀態(tài)反饋和運(yùn)行安全防護(hù)，在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，可以快速定位到具體問題，維護(hù)人員通過反饋的故障碼，根據(jù)約定好的相應(yīng)描述，可以分析判斷出故障發(fā)生點(diǎn)，提前準(zhǔn)備處理方案，提高故障排除效率。通過實(shí)際應(yīng)用分析，其從原來到現(xiàn)場(chǎng)后平均4h、5h 才能處理好故障，提高到大約2h 左右。

靜態(tài)糾偏的流程優(yōu)化效果主要體現(xiàn)在一些保壓效果不太好的閘門上，基本達(dá)到同其他閘門一樣的控制成功率；下滑復(fù)位流程的應(yīng)用閘門點(diǎn)少，有一定效果，因項(xiàng)目是新建的，處于初期，液壓系統(tǒng)密封性比較好，后續(xù)隨著密封圈的老化和磨損，此兩種優(yōu)化流程會(huì)起到更大作用；同時(shí)在設(shè)計(jì)流程時(shí)，定義并記錄了此兩種流程的啟用次數(shù)和調(diào)整不成功次數(shù)，通過長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)的積累，可通過分析此類數(shù)據(jù)判斷出閘門運(yùn)行穩(wěn)定性，給后期閘門大修和改造提供了有力的數(shù)據(jù)支撐■