弧形閘門液壓啟閉機同步運動控制算法的研究

盧建軍

（南水北調中線信息科技有限公司，北京100038）

1 引言

弧形閘門液壓啟閉機采用液壓驅動油缸進而驅動閘門動作，具有驅動力大，運動平緩特點，因此，廣泛應用于水利水電、船閘等工程中。近年來，液壓啟閉機系統通過引入比例閥，絕對值編碼器和PLC 控制系統，控制精度有了很大的提高，但是雙缸常年保持高精度同步安全運行仍未獲得根本解決，從而導致閘門傾斜卡死，嚴重的還會導致吊點拉脫，造成嚴重的設備事故。因此，弧形門液壓啟閉機同步控制仍然是水利水電行業的一個重要課題[1]。

2 液壓啟閉機介紹

2.1 系統組成

啟閉機液壓系統主要由高壓泵、循環泵、油箱、油箱液位計、油箱油溫計、比例放大板、比例閥、兩位四通閥、手動調速閥、過濾器，溢流閥、液控單向閥、液壓管路（P 線管路，T 線管路，液控單向閥管路）及油缸等組成。

液壓啟閉機自動化控制系統主要包括施耐德系列CPS、CPU、CRP、CRA、NOE、ACI、ACO、DDI 及DDO 等模塊，徐州正天ZKY-3 型閘門開度測控儀，SSI 型絕對值編碼器，液壓執行系統，控制系統屬于閉環控制系統。

2.2 工作原理

液壓系統高壓泵由電動機驅動后，從油箱中吸油，油液經濾油器進入液壓泵，油液在泵腔中從入口低壓到泵出口高壓，經過開停閥、節流閥、換向閥和比例閥進入油缸一側腔體，推動活塞使活塞桿帶動啟閉機閘門打開，同時油腔另一側油液經換向閥和回油管路流回油箱。關閉動作與打開動作原理相同，需要注意的是閘門關閉時，需要利用液控單向閥管路將液控單向閥打開。

3 同步運動誤差形成分析

3.1 機械阻力引起的誤差

弧形閘門啟閉機繞著2 個支點做旋轉運動，弧形門沿著門槽上下運動。2 個油缸活塞桿各自驅動一側弧形門，由于弧形門在門槽上運動阻力不同且運動阻力不穩定，更有門槽內卡入異物導致一側弧形門無法運動。弧形門在水中運動，隨著弧形門開度變化，弧形門水阻力也會發生變化，油缸推動載荷也必然會發生變化。無論是門槽阻力還是水阻力導致的油缸負荷變化，都會導致弧形門運動不同步。

3.2 設備引起的誤差

2 個油缸分別安裝在各自閘墩上，安裝的水平精度也影響弧形門的運動偏差[2]。弧形門兩側開度采用絕對值編碼器計數，編碼器的性能也決定了弧形門同步運動偏差。控制系統控制算法的合理性及安全性也決定了弧形門同步運動偏差。

4 全新同步控制算法

4.1 弧形門弧形運動軌跡處理

閘門的開度測量值使用SSI 絕對編碼傳感器，絕對值編碼器的時鐘與數據信號接入開度儀，經CPU 處理后，以數字形式顯示開度值，開度儀提供RS485 通信將開度信號傳遞到PLC 系統[3]。

由于絕對值編碼器提供的格雷碼值是連續的線性數值，而閘門采用弧形閘門，因此，弧形閘門開度和格雷碼值并非絕對的線性關系。基于此特征，在閘門開度儀里采用15 段修正值法，也就是將非線性軌跡分成15 段（分的段數越多，精度越高），每段近似為線性關系。

4.2 弧形門同步運動控制算法

此同步運動控制算法采用模塊化編程思路，通用性強，便于程序移植。

4.2.1 同步功能程序塊

首先，定義輸入參數：弧形門左側開度（變量），弧形門右側開度（變量），開門命令，關門命令，開始同步值1（參數值），開始同步值2（參數值，注意開始同步值1 小于開始同步值2），同步停止值（參數值），同步偏差高預警參數值（參數值），同步偏差致命性報警停車參數值（參數值）；

其次，定義輸出參數：激活左側油缸同步調整1，激活左側油缸同步調整2，激活右側油缸同步調整1，激活右側油缸同步調整2，同步偏差高預警，同步偏差致命性報警停車。

最后，說明計算邏輯：弧形門右側開度減去左側開度為弧形門左側開度偏差C1.Diff，其絕對值定義為C1.AbsDiff，此值大于零說明左側弧形門開度低了，此值小于零說明左側弧形門開度高了。當C1.AbsDiff 大于開始同步值1，小于開始同步值2，當執行開門命令時，如果左側弧形門開度高了，激活左側油缸同步調整1，同樣當執行關門命令時，如果左側弧形門開度低了，也激活左側油缸同步調整1，當C1.AbsDiff 進入同步停止值范圍內，左側油缸同步調整1 激活取消；當C1.AbsDiff 大于開始同步值2，當執行開門命令時，如果左側弧形門開度高了，激活左側油缸同步調整2，同樣當執行關門命令時，如果左側弧形門開度低了，也激活左側油缸同步調整2，當C1.AbsDiff進入同步停止值范圍內，左側油缸同步調整2 激活取消。同樣邏輯判斷激活右側油缸同步調整1 和激活右側油缸同步調整2。當C1.AbsDiff 或C2.AbsDiff 大于同步偏差高預警參數值激活同步偏差高預警，當C1.AbsDiff 或C2.AbsDiff 大于同步偏差致命性報警停車參數值激活同步偏差致命性報警停車。

4.2.2 速度選擇功能

根據上面同步功能程序塊輸出參數選擇不同的比例閥運動速度，以達到雙缸同步運動目的。為油缸1 和2 運動各定義8 套速度參數，下面以油缸1 速度控制做出說明，油缸2 速度控制原理相同。定義油缸運動快速命令和慢速命令，當弧形門開度進入慢速范圍內時執行慢速命令，其余執行快速命令。

當弧形門上升時，在快速命令激活時，如果左側油缸同步調整1 和2 都沒有激活，此時認為雙缸同步運行正常，不需要同步調整，選擇速度參數1；在快速命令激活時，如果左側油缸同步調整1 激活，雙缸同步有小偏差，需要同步調整，選擇速度參數2；在快速命令激活時，如果左側油缸同步調整2 激活，雙缸同步有大偏差，需要同步調整，選擇速度參數3；在進入慢速范圍內時執行慢速命令，選擇速度參數4。弧形門下降原理同上升原理相同。

4.2.3 預警及報警安全停車功能

當雙缸運動發出預警時，此時只報警提示不停車，當發出安全停車報警時，雙缸運動停止，需要設備維護人員查找設備故障[4]。

5 結語

近年來，隨著電液比例閥的制作加工越來越精密，PLC、CPU 運行掃描速度越來越快，編寫程序越來越靈活，同時絕對值編碼器精度越來越高，基于本文中提到的雙缸同步運動控制策略，弧形閘門啟閉機同步運動控制問題必然得到解決，其控制策略必然在各行業雙缸同步運動控制中得到廣泛應用。