基于液壓雙吊點閘門啟閉機同步控制方法優化研究

李 勇

(大連市普蘭店區生態環境事務服務中心，遼寧 大連 116200)

0 引 言

水利工程主要分為供水與排水、水力發電、農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周期長、工程規模大、影響范圍廣等特點[1-2]。一般地，采用雙吊點啟閉機安裝水利工程閘門，但雙吊點同步誤差過大會導致門槽軌道變形、閘門漏水、側水封磨損、閘門卡阻等問題，對啟閉機的正常運行造成間接影響，甚至會導致安全事故的發生[3]。

將閘門啟閉機按照不同的控制方式可以劃分成現地、集中和手動三種控制方式[4]。其中，現地控制比較適用于集中控制失效和調試；集中控制是結合水力環境現狀，通過對閘門啟閉狀態的檢測，在泄水閘集控室內實現閘門開度大小的調節，這是閘門控制中使用最為廣泛的控制方式；手動控制主要是以人工操作的方式，對閘門開度大小進行手動調控。目前，國內外學者主要側重于利用Modbus方法、模糊理論、PLC技術等控制方法的研究，而對啟閉機同步性要求較高時這些方法大多存在同步誤差問題[5-8]。針對以上問題，以傳統控制方法為基礎全面分析形成同步誤差的原因，并結合分析成果優化設計同步控制雙吊點閘門啟閉機的實用方法。雙杠液壓和雙杠偏載不對稱為引起運行過程中同步誤差的主要原因，因此為實現同步控制方法的優化設計有必要全面分析液壓雙吊點閘門啟閉機的同步誤差問題。

1 液壓雙吊點閘門啟閉機同步控制方法

雙吊點閘門啟閉機轉動過程中，主軸轉角與主軸上安裝的碼盤讀數成正比，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據存在函數關系，將其編寫成程序代碼可實現啟閉機狀態的調整、控制，圖1反映了實現同步控制的流程[9]。

圖1 雙吊點閘門啟閉機同步控制流程

由圖1可知，配合使用傳感器、控制期等硬件設備是實現同步控制的關鍵，針對啟閉機左右吊點的移動程度可利用相關硬件設備進行檢測，若兩吊點保持相同的移動程度，則認為未產生同步控制誤差的問題，否則認為兩側具有滯后的運動關系，并獲取同步運動的相位、超差大小等信息。在控制器中輸入同步誤差計算分析結果，通過控制單元調整控制器的運行方式，由此實現相應的數學處理和邏輯計算，在此基礎上校正同步誤差，實現雙吊點閘門啟閉機的同步起吊控制[10]。

1.1 雙吊點閘門啟閉原理

為掌握雙吊點閘門啟閉機的工作原理和一般結構有必要構建同步數學模型。雙吊點閘門啟閉機的工作原理為：實際運行控制過程中結合工程任務需要，下達相應的升、降指令，在油缸內經不同的液壓閥組啟閉機液壓油泵形成壓力，在缸內帶動液壓桿座反復的縮回和伸展運動，對閘門產生推拉作用并提供閘門升降操作所需的動力；然后通過閘門與雙吊頭將啟閉機的液壓缸連接成整體，從而實現閘門的啟動。

1.2 水利工程水位監測

閘前水位決定了控制閘門啟閉機的明令，如果檢測出閘前水位超過安全水位線則啟閉機需要執行提升操作，即開閘泄洪；如果閘前水位處于安全范圍則啟閉機需執行降落操作，即閘門復位恢復其封閉狀態。因此，實時監測水閘水位變化情況是實現啟閉機控制目標的重要條件，一般利用水位傳感器實現閘前水位的實時監測。

以傳感器中的敏感軟件作為水位實際監測工作中的分析基準面，通過科學的結構設計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；L0、L1、L2為傳感器中三個金屬套管的長度，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生形變，應變傳感器光柵通過金屬管1接受敏感元件的形變量，并進一步導致其有效折射率的改變和傳感器中心反射波長的便宜。為轉變傳統的配備重錘的浮子水位計結構設計方式，可利用自收攬裝置實現傳感器的機械設計，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，帶動碼盤的轉動來采集水位。通過對波長偏移量的測量和液壓值的精準計算，利用變形與液壓之間的對應關系即可確定相應的水位值，最終將水位信息輸送至主控設備。由于長期浸泡在水下，為保證水位監測精度設計的水位傳感器材料要符合防水要求[11-13]。

1.3 閘門啟閉機載荷計算

一般地，雙吊點閘門啟閉機承受的荷載有外界環境荷載、水平慣性荷載、起升荷載和自身荷載等，實際荷載與荷載間的關系如圖2所示。

圖2 啟閉機荷載結構

采用下式計算自重荷Q，即：Q=Mg，其中M為啟閉機所有結構和雙吊點閘門的總質量；g為重力加速度。

起升荷載FV為起升質量的重力，在無約束的條件下閘門被提升離開原位時存在的起升動力效應，實際上就是起升荷載FV，可利用下式確定FV參數值：

FV=n2pq

(2)

n2=n2min+x2vq

(3)

式中：n2、n2min為起升狀態下的動載系數及其最小值；vq、x2為穩定起升速度和設定的起升狀態下的系數；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為啟閉機的驅動加/減速動載系數和加/減速度。

此外，計算過程中還存在水力、風力等外界環境不確定因素，在優化設計該控制方法時均未予考慮。

1.4 啟閉機實時開度確定

根據閘門啟閉機的荷載情況以及水位實時監測結果，計算確定啟閉機的開度值，即閘門當前需要開放的程度D1；然后對啟閉機當前的開度值D2進行檢測，通過對比D1與D2的大小確定啟閉機開度調整值，應遵循的調整原則如下：

(5)

啟閉機按照以下原則進行操作，若D1>D2則執行下降操作，若D1=D2則不執行任何操作，若D1

1.5 雙吊點閘門啟閉機同步控制

啟閉機同步控制器的設計與安裝，可以有效控制雙吊點閘門啟閉機同步控制誤差更好地實現同步控制，控制器結構設計如圖3所示。

圖3 控制器內部結構

可從運行速度和運行狀態兩個角度控制雙吊點閘門啟閉機，并進一步將運行狀態分為提升和下降狀態，在啟閉機運行運行過程中結合實時開度判斷結果，利用控制器實現持續測量和偏差計算。在左右差值超過20mm的條件下，自主上電校準調整桿腔內輸出、輸入油量，以實現兩側位置的協調一致。通過調速閥中的流量實現啟閉機運行速度的控制，利用連續性控制方程反映調速閥中的流量，其表達式為：

(6)

式中：V4、V3為減壓閥閥腔及主動液壓缸有桿腔到調速閥出口之間的體積；q3、q3、q5為控制器作用下調速閥進口、節流閥出口、調速閥出口的流量。

在設計安裝的控制器內導入狀態和速度的控制程序，對雙吊點閘門啟閉機通過控制器作用實現同步控制。

2 實驗分析

設測試指標為同步誤差，通過對比實驗分析雙同步控制方法的控制效果，并在實際水閘運行管理中應用設計的同步控制方法，從而更好地驗證實驗結果的可靠性。

2.1 工程概況

以某水閘為例，該水閘主要承擔防洪排澇、農田灌溉、交通航運等功能，屬于中型水閘。該閘建成于2012年，后經2019年完成除險加固整治，加固后水閘共有四個分洪孔和一個通航孔，凈寬分別為12.0m和16.0m，總寬度72.8m[14-16]。

2.2 實驗分析

該水閘工程涉及多個閘門，對閘門按從上游至下游的原則依次編號，并統計雙吊點閘門啟閉機的性能參數，如表1所示。

啟閉機不僅要符合表1中的指標要求，在控制過程中還要配置相應的設備，開度儀運行及其型號如表2所示。

表1 啟閉機性能參數

表2 開度儀運行數據及型號

2.3 初始與目標數據設置

以實現雙吊點間同步偏差為零作為雙吊點閘門啟閉機同步控制的最終目標，正式實驗前需要先設定初始和目標數據，實驗過程中執行2次閉門和2次啟門操作，并對未使用任何控制方法下的初始同步誤差數據進行準確紀錄；同理，紀錄其它操作下的同步偏差。

2.4 實驗結果對比

通過設置文獻提出的PLC同步控制方法、傳統的控制方法和文中提出的優化設計方法形成對比實驗，在主控計算機或控制器中導入3種控制方法，將其應用到實例工程獲得相應的同步控制結果，如表3。

表3 實驗結果對比

在開啟和關閉時雙吊點閘門左右兩缸位移波動幅度逐漸下降，位移偏差趨于穩定，研究表明設計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，全面對比實驗結果。由表3可知，采用文獻提出的PLC同步控制法、傳統控制方法和優化設計的控制方法，實驗得到的同步誤差平均值分別2.1、1.0和0.5，可見優化設計的控制方法對雙吊點閘門啟閉機同步控制的應用性能和控制效果更好[17-18]。

3 結 論

文章主要分析了運行過程中液壓雙吊點閘門啟閉機的同步偏差問題，為了提高同步啟閉精度以及實現保證雙吊點同步運行，提出了優化設計的控制方法。然而，在實際工作和優化設計時未考慮啟閉機運行受外界環境的影響。通過實驗對比發現，在實際應用時優化設計的控制方法仍存在較小偏差，未來仍需進一步優化分析解決該微小偏差的方法。