升船机主提升油缸同步控制系统研究与应用

宋远卓，倪佳，付强

(杭州国电机械设计研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

随着我国水利枢纽建设逐渐向河流上游发展，升船机将被作为修建水利枢纽、发展山区水运较常使用的一种通航设施。目前世界上已建的升船机中，垂直升船机占大多数。垂直升船机按主提升系统的形式可分为齿轮齿条爬升式、钢丝绳卷扬式、浮筒式及液压顶升/提升式等［1］。

国内在建的小型升船机中，部分是液压提升式升船机，具有功率大、运行平稳、可靠性高等优点。文中提出一种基于电液比例技术的升船机主提升油缸同步控制系统，该系统保证了液压提升式升船机主提升油缸的同步运行，提高了系统运行的稳定性。

1 系统原理

电液比例技术是近几十年来发展起来介于普通开关控制与电液伺服控制之间的新型电液控制技术分支，已成为机电一体化的基本构成之一［2－3］。

在液压提升式升船机系统中，承船厢的升降运动由4个液压油缸驱动，4个油缸对称分布于承船厢两侧，为单出杆活塞缸，油缸活塞杆一端与承船厢相连，另一端支承在两岸混凝土基础上。由于承船厢在液压缸的作用下上下运行，不同油缸运行速度不可能完全一致，经过一定时间的运行后会产生行程差，如果行程差不能及时消除，将会使承船厢倾斜，给升船机的运行带来安全隐患。因此，必须有同步控制系统进行同步纠偏。

基于电液比例技术的主提升油缸同步控制系统充分利用电液比例技术控制精度高、频响快的优点，在升船机主提升油缸液压系统中加入比例阀及相关控制阀件，对通过比例阀的流量进行微调，实现油缸行程动态实时纠偏，满足同步控制的要求。同步方式采用高差反馈控制方式，设置1个主油缸，其他各油缸对主油缸进行跟踪，各油缸的高差信号经滤波及量化处理后输入可编程逻辑控制器(PLC)，PLC按一定的控制算法计算后，输出相应的控制量控制比例阀的开度，从而控制主提升油缸的速度，达到位置同步的要求［4－5］。

该系统主要特点如下。

(1)采用调速阀加比例阀的组合，实现大负载刚度与快速响应相结合的流量控制模式。利用调速阀自身对负载不敏感的大负载刚度特性，保证即使在负载偏差较大且不断变化的情况下，各油缸位移也不会出现过大的偏差;同时，通过高频响比例阀对各油缸位移进行调整，保证4个缸高精度同步，同步控制精度小于等于2 mm。

(2)高频响比例阀与位移传感器以及控制器构成闭环控制系统。利用比例阀的高频响应特性，可以实时对各油缸的偏差进行修正，确保各油缸平稳、可靠运行。

(3)采用模糊比例－积分－微分(PID)控制算法，确保同步控制的快速性、精确性与稳定性。PID参数经过长时间实践运行优化，使同步控制达到最佳状态。

(4)根据实际使用工况及现场环境条件，该控制系统还采用了卡尔曼滤波器对传感器信号进行优化，有效消除或降低了各种干扰，使同步控制更加精确、稳定。

(5)采用内置式磁滞伸缩位移传感器，实时监测各油缸的位移，有效减少外界噪声对传感器的干扰。

2 系统组成

图1 液压系统原理图

基于电液比例技术的主提升油缸同步控制系统由PLC系统和液压系统组成。PLC系统负责监控液压系统运行和控制电磁阀件动作。液压系统如图1所示，油缸(12)的流量由1个小流量比例阀(8)和2个大流量调速阀(7)控制，2个调速阀(7)由电液换向阀(9)控制开闭，能给予油缸(12)2档不同的运行速度，2个调速阀(8)同时开启时，油缸(12)进行高速运动，关闭其中一个后，油缸(12)进行低速运动。与此同时，油缸位移传感器(14)输出位置信号，通过模拟量输入模块进入PLC系统，转化为实际行程，系统选用其中预先设定的油缸行程作为基准，其余油缸行程均与基准值相比较，经PID控制器计算，输出控制信号，调节比例阀(8)的开度，控制油缸(12)增加或减小上下行速度，使所有油缸位移保持同步。同步性能取决于位移传感器(14)的精度、比例阀(8)的响应速度及控制算法的优越性。

另外，为了确保升船机运行安全，该系统采用了双重安全防爆技术:一是设置在泵站上的管路安全阀(6，11)，二是设置在液压缸有杆腔出口处的管路防爆阀(13)。当液压系统故障引起管路压力升高时，管路安全阀(6，11)可以溢流掉一部分流量，保证管路压力不超过安全阀(6，11)的设定压力，以保障管路及管接头的安全使用。管路防爆阀(13)与油缸(12)有杆腔出口直接相连，系统管路爆裂时，可以即时关闭油缸回油出口，防止油缸有杆腔油液大量外泄引起油缸快速下落，造成安全事故。

3 应用实例

池州5000 kN旅游升船机是国内首次采用液压提升形式的升船机。4根主提升油缸与承船厢铰接，对称布置在承船厢两侧。升船机的升降由液压泵站提供动力，系统压力为20 MPa，系统总输出流量为379 L/min，升船机升最大降速度为1.5 m/min。

液压系统包括2套液压泵站，分别设置在承船厢两侧闸墙的空箱内，分别控制两侧的液压缸;每套泵站油泵电动机组为2用1备的形式。PLC系统通过检测主泵的压力及电机的电流值来监控泵组的运行情况，当主泵超压、欠压，或电动机电流过大等导致主泵不能正常运行时，PLC系统自动投切备用泵，以保证单泵故障时系统仍然能正常工作。

油泵采用Rexroth恒压变量柱塞泵，可适应各种工况下流量的变化需求，减小了能量损失。比例阀采用Rexroth高频响应比例伺服阀，响应时间10 ms，满足同步控制需求。

设计要求主提升油缸最大同步误差不能超过20 mm，超过20 mm时需紧急停机，操作人员手动调平后才能继续投入运行。该升船机在运用基于电液比例技术的主提升油缸同步控制系统后，经过现场实际运行检测，同步误差不超过2 mm，响应时间、调平速度、动态稳定性都超过设计要求，而且调节时承船厢运行平稳，保证了游客乘坐的舒适感。

4 结论

通过对升船机主提升油缸同步控制系统的研究与应用，总结出该系统具有以下优点。

(1)同步精度高。采用比例阀对主提升油缸的油路进行控制，通过位移反馈形成闭环控制系统，实现液压油缸同步运动，同步精度控制在2 mm以内。

(2)运行稳定性好。利用比例阀微调系统流量，使升船机的启动平稳，升降速度稳定;通过管路安全阀吸收冲击力，抗冲击能力较强，动态稳定性好。

综上所述，该系统保证了液压提升式升船机主提升油缸4个缸的同步运行，提高了系统运行的稳定性，对行业发展具有借鉴意义。

［1］钮新强.船闸与升船机设计［M］.北京:中国水利水电出版社，2007:244－246.

［2］吴根茂.实用电液比例技术［M］.杭州:浙江大学出版社，1993:1－2.

［3］王春行.液压控制系统［M］.北京:机械工业出版社，2001.

［4］杨征瑞.花克勤，徐轶.电液比例与伺服控制［M］.北京:冶金工业出版社，2009.

［5］郑朝印.升船机监控系统的研究［D］.大连:大连海事大学，2004.