船閘活動橋液壓同步頂升系統淺析

向 耕，萬 鵬，吳 奎

（湖北省引江濟漢工程管理局，湖北武漢 430062）

0 引言

活動頂升橋一般設置在水陸交通交叉處，通常為鋼結構。南水北調中線一期引江濟漢工程西荊河樞紐船閘活動橋設計荷載為汽-20 級，校核荷載為掛-100 級：不通航時，公路橋不需提升，可以滿足通車要求；通航時，利用啟閉設備同步頂升鋼橋讓船舶通航，而頂升系統同步控制的精確度對通航效率有較大影響。

1 活動橋概述

該橋梁采用QPPYI-2×160kN 型柱塞式液壓啟閉機為專用頂升設備，橋兩側各布置一臺。單臺液壓啟閉機容量為2×160 kN，啟閉機吊距均為4.5 m，左、右岸兩套啟閉機的支承間距為13.2 m。柱塞式液壓啟閉機缸體布置在兩邊的閘墩中，啟閉工作行程為6.2 m。操作有同步啟閉要求，同步采用電氣糾偏，配備伺服同步系統和自動保壓系統，并由上升到位、下降到位的信號（空節點）送到船閘集控室。

2 實現同步頂升的基本功能

（1）自鎖及下滑復位功能。活動橋常在全開位置（或全關）長期停留，由于液壓系統泄漏及液壓缸的內泄，可能造成頂升裝置的下滑，需具備可靠的自鎖功能并設置下滑復位裝置，保證活動橋下滑量在48 h 內不超過100 mm。當下滑量超過限定值時，應自動啟動投入運行，將活動橋提升至預置原位。

（2）監控功能。運行中需實時全過程監測，通過監控控制閥組、液壓缸兩腔等各單元的工作壓力有助于活動橋頂升系統的控制；通過監控開度、偏差、限位等信息可以保證頂升系統的同步；應力監控能避免內應力集中使梁體結構受損。此外，還應配備故障診斷顯示功能，通過各種傳輸信息并以數字或代碼直觀顯示在現地控制屏或上端集控柜顯示屏上，方便運管人員初步排查故障。

（3）自動保護功能。活動橋在頂升過程中，需具有不同步超差停機保護功能。行程指示及位置控制裝置全程連續檢測4 只液壓缸的行程偏差，當偏差大于10 mm 時將自動糾偏，當偏差大于20 mm 時自動停機并發出聲光報警信號。

3 基于PLC 的液壓同步控制系統

3.1 PLC 及人機界面

PLC（Programmable Logic Controller，可編程控制器）同步控制系統由液壓系統、計算機控制系統、檢測傳感器等部分組成，利用計算機工控軟件（本系統開發采用SQLserver7.0、WINCC、PL7、STEP7 5.1、PROTOOL 等軟件）來控制液壓泵站及其配備的液壓單元，按照操作指令控制其活動橋的運行。當4 個液壓缸同時頂升時，系統可以通過力的平衡自動調節各缸體的壓力，來保障頂升過程中各頂升力的平衡。

人機界面除了采用必要的指示燈、按鈕外，還采用與PLC配套的液晶顯示器來顯示、設置以及查詢控制系統設備的數據參數和狀態信息。通電后觸摸顯示屏自動進入主畫面，控制系統對各參數進行實時監視，通過PLC 的I/O（輸入/輸出）模塊對開度、壓力、故障等信息進行數據采集，經過CPU（Central Processing Unit，中央處理器）處理，實時將開度信息顯示在工控觸摸屏上，但當系統壓力等信號為模擬量時，負責采集的是A/I 模擬量輸入模塊。

3.2 系統控制方式

系統共3 種控制模式，分別為手動控制、自動控制和遠方控制。

（1）切換至“手動控制”時，即可在脫離PLC 的情況下，手動控制電機和各電磁閥得電。該工況主要應用于安裝調試或設備檢修。

（2）切換至“自動控制”時，即可在電氣控制柜上通過PLC程序對本系統的油泵電機及活動橋進行自動控制。此模式下：當活動橋頂升至全開值時（此值在觸摸屏上可以設置），系統自動停機并輸出全開狀態；當活動橋下降至全關值時（此值在觸摸屏上可以設置，一般為0 mm），系統自動停機并輸出全關狀態。當活動橋處于預置位置下滑150 mm 時，油泵電動機自動投入運行，將活動橋提升恢復原位。若繼續下滑至200 mm，油泵電動機尚未投入運行時，應自動接通另一組油泵電動機，將活動橋提升恢復原位，并發出故障和報警信號。

（3）切換至“遠方控制”時，為船閘集控室上位機控制。通過上位機的鼠標、鍵盤進行對船閘系統的控制，顯示器顯示現場模擬組態畫面，并實時交換數據，對系統的運行狀態、故障等數據進行記錄并可輸出打印。此模式下的控制與“自動控制”相同。

3.3 系統監測保護

控制系統監測保護項目主要包括主備電機互換、控制回路過載失壓、頂升開度同步、液壓系統壓力、PLC 工作狀態及主要元器件的參數等，由檢測裝置將監測到的編碼器信號送入PLC，經PLC 處理后在觸摸屏上顯示，同時通過現場控制柜預留RS-485 Modbus 通信接口與遠方監控系統聯網，實時上傳到船閘調度中心，并且形象地動態顯示活動橋和液壓油缸運動情況。如果發生信號丟失等故障系統則發聲光報警。系統內既定程序中的保護參數可以顯示在工控觸摸屏上，并可由管理員修改后儲存。

4 同步糾偏調試及故障處理

4.1 同步控制糾偏調試

首次投入運行調試時，活動橋頂升高度需小于0.2 m，確保活動橋運行安全，待橋梁上下運行多次平穩后，再相應地提高橋梁高度進行調試。因活動橋沒有上下側向的運行導輪，由液壓啟閉機的4 只液壓缸活塞桿同步運行來保持活動鋼橋橋面的平衡，在手動操作時比例閥沒有自動投入運行，需要靠手動調節比例閥來控制同步，此時應慢速小行程，同時活動橋左右側留有兩人觀察橋面頂升的平衡情況，并及時向操作人員反饋各液壓缸的平衡狀態，開度信號應同步顯示在工控觸摸屏上。

手動調試正常后須采用自動控制。調試設定整體偏差為10 mm（可根據實際情況調整），操作人員發出提升指令后，油泵電機空載啟動運行，6 s 后壓力閥YV1 和提升閥YV2、比例閥得電，活動橋開始頂升，由PLC 采集到的4 根液壓缸行程信號，并與基準缸A1 行程信號對比，自動調整3 只比例閥閥芯位置和3 只比例油缸（A2、A3、A4）的運行速度，這樣不斷地采樣、不斷調節3 根液壓油缸與基準缸進行糾偏，直至4 根液壓油缸位移偏差小于10 mm，從而控制活動橋的同步頂升。

4.2 同步控制常見故障處理

在同步糾偏調試過程中，應密切監視橋體及液壓泵的運行狀況，出現異常情況應立即按下“急停”按鈕。在活動橋的實際運行過程中，主要存在同步裝置故障告警和液壓系統故障告警兩類糾偏故障。

4.2.1 同步裝置故障告警

（1）初步分析。同步裝置由開度傳感器、編碼器和反饋鋼絲繩等組成。可能是開度信息采集不準確，同步裝置接受了開度傳感器的錯誤信號而故障報警。

（2）故障排除。手動啟閉液壓缸，確認開度儀內部電器元件和電路工作正常。在對開度儀的編碼器及其內部構件檢查檢測后，發現編碼器受潮，其他元件無破損、卷筒法蘭完好，反饋鋼絲繩卷繞較好。修復編碼器后，故障并未消除，進一步檢查反饋鋼絲繩是否存在缺陷。對活動橋實施了一次1 m 開度頂升試驗，在液壓缸運行至約0.6 m 時，發現橋體右側的反饋鋼絲繩變細，疑似缺股而反饋系統并無異常。停止運行檢查發現，在右鋼絲繩穿過工作梁的小孔處，有一個直徑約20 mm 的鋼絲團卡于下翼緣板，且鋼絲有銹蝕、磨損現象。因此，右鋼絲繩因鋼絲團受卡被迫停止卷起，是引起同步裝置超差故障報警的直接原因。

（3）處理方法。采取更換鋼絲繩、擴大穿梁孔徑、并通過滑輪組改變其反饋方向，減少反饋鋼絲繩的磨損并使其卷放自如。在后續的運行調試中，同步裝置均工作正常，未發生類似故障。

4.2.2 液壓系統故障告警

（1）初步分析。由于液壓系統中各控制閥組受阻，導致液壓缸壓力不均衡，造成4 個液壓缸不同步。

（2）故障排除。采用重新啟閉的方法檢驗，經過兩次的定值啟閉，發現液壓傳統系統均運行正常，開度信息傳輸正常，控制系統也無故障。進一步排查發現，由于活動橋負載發生變化，作用在某一缸的力比較大而另外的缸較小，導致油缸下腔壓力瞬時達到低壓報警值。

（3）處理方法。在保障設備正常運行的前提下，重新調整壓力繼電器動作值，根據橋體實際負載變化情況來設定低壓報警值，保障4 個液壓缸同步。

5 結束語

活動橋在通航運河上應用的較多，國內已積累了較為成熟的建設經驗，不過如何使液壓活動橋頂升精準同步，其技術問題依然值得深入研究。基于PLC 的液壓同步控制系統，西荊河船閘活動橋可以實現多液壓缸負載不均衡同步升降，跟蹤精度不大于1 mm，同時又能對頂升過程中開度、壓力、故障等信息進行數據采集并反饋到人機界面，運行人員在集控室中便可對液壓系統進行控制和監控，順利完成橋梁的頂升，因此相關技術在橋梁同步頂升領域有較好的應用前景。