自纠偏液压控制系统在西黑山排冰闸的应用

吕 睦，张希鹏，张超伟，曹瑞森

（南水北调中线干线工程建设管理局天津分局，天津300393）

1 工程概况

南水北调中线工程天津干线起点为西黑山分水口（位于保定市徐水区西黑山村西北），西黑山分水口属于南水北调中线工程西黑山管理处辖段，工程总长度15.2 km，南水北调在这里被一分为二，一路继续向北，向北京供水；另一条延南水北调中线天津干线，直至天津市外环河，全长155.352 km。

西黑山分水闸是天津干线的入口，也是天津干线唯一的节制闸，肩负着整个天津干线流量调节的重任，西黑山分水闸一旦出现故障，势必会影响天津供水，尤其是进入冰期后，如遇冰冻灾害，易在分水闸前产生冰塞，后果不堪设想。为保证西黑山分水闸的稳定运行，在西黑山分水闸上游右岸约50 m处设置排冰闸，在冰期输水期间，一旦遇到冰冻灾害，可开启排冰闸将水面浮冰排入排冰池，最大限度的减少浮冰在分水闸前的淤积，减小抢险压力。

西黑山排冰闸为单孔闸门，采用一扇平板工作闸门，闸门孔口尺寸为2.5 m×4 m，启闭设备采用QPPY-2×100/2×50-2.6 m 型液压启闭机，平板工作闸门采用双缸（固定式液压缸）启闭，液压缸垂直布置在平板工作闸门两侧，在排冰操作时，液压启闭机双缸同步运行，开启平板闸门进行排冰。

2 液压启闭机控制原理

2.1 闸门开启

空载启动液压泵电机组，延时10 s左右（液压系统加载），电磁换向阀31 2 YV通电，压力油经电磁换向阀31后（P口到A口）分两路经比例流量阀32（旁路调速阀28关闭）、液控单向阀39后进入左右液压缸有杆腔，在有杆腔压力油的作用下，液压缸活塞向上动作，使得液压缸无杆腔油液经单向顺序阀26、电磁换向阀31（B口到T口）流回油箱。当闸门开启到设定的开度值时，PLC会发出指令将电磁换向阀31 2 YV断电（断电后电磁阀31将回到中位）、液压泵电机组会按PLC指令卸载停泵，在失去压力油的情况下液压缸活塞停止动作，由于液控单向阀39的止回作用，将无杆腔的油液锁定在固定状态，从而使闸门开度稳定在设定值。

2.2 闸门关闭

空载启动液压泵电机组，延时10 s左右（液压系统加载），电磁阀3 YV通电，压力油由电磁阀31 P口到B口后分为两路，其中一路压力油（控制液）打开液控单向阀39，从而消除有杆腔油液的锁定状态，另一路压力油经单向顺序阀26进入无杆腔，在无杆腔压力油的作用下，液压缸活塞向下动作，使得液压缸有杆腔油液经比例流量阀32（旁路调速阀28关闭）、电磁换向阀31（A口到T口）流回油箱。当闸门关闭到设定的开度值时，PLC会发出指令将电磁换向阀31 3 YV断电（断电后电磁阀31将回到中位）、液压泵电机组卸载停泵，液压泵停止运行后，液压缸无杆腔失去压力油，同时打开液控单向阀39的压力油（控制液）被关闭，有杆腔的油液重新恢复锁定状态，从而使闸门开度稳定在设定值。

3 闸门启闭速度调节

闸门的启闭速度是通过液压系统进行调节的，速度的快慢取决于进入液压缸体压力油的流量。西黑山排冰闸液压系统配置了常规流量控制阀28和比例流量控制阀32这两种控制阀来进行流量调节，这两种阀均是通过调节阀芯开度来控制流量。

在手动操作闸门启闭时，通过常规流量阀来控制闸门启闭速度。将球阀34.1、34.2、34.5、34.6关闭，34.3、34.4、34.7、34.8打开，然后手动调整两个常规流量阀28.1、28.2的开度，可在0～100%之间进行调整，其开度大小与闸门启闭速度成正比。

在自动操作闸门启闭时，通过双比例流量阀来控制闸门启闭速度。双比例流量阀控制时，将球阀34.3、34.4、34.7、34.8 关闭，球阀 34.1、34.2、34.5、34.6打开，比例流量阀开度要在PLC程序中设置调节范围，可在0%～100%之间进行设置，其开度大小与闸门启闭速度成正比。

4 双缸同步调节

4.1 双缸不同步原因

在液压启闭机双缸启闭闸门时，双缸运行是否同步是闸门启闭的核心问题。双缸不同步是指2个液压缸动作过程中活塞杆伸缩量不一致或者超出伸缩量标准误差范围，导致闸门出现异响、卡阻、震动、水封受力不均匀致漏水甚至损坏，更有甚者出现启闭机停止工作、闸门变形、油缸底座损坏等严重后果。

一般来说，双缸运行不同步主要有以下几个原因造成：

（1）两侧液压缸所承受的外载荷不一样。比如闸门启闭过程中两侧导轮的摩擦力、水封摩擦阻力不同，导致两侧液压缸动作不同步，阻力大的液压缸位移量就会小一些。

（2）两侧液压缸所承受的内载荷不一样。比如每个液压缸的活塞及其密封件与液压缸桶之间、活塞杆与油缸端盖密封之间的摩擦力不同，导致两侧液压缸动作不同步。

（3）两侧液压缸在使用时间较长后，活塞与液压缸之间出现内泄漏导致两侧液压缸动作不同步。

（4）两侧液压缸输油管路长度不同，液压油在液压管内的延程阻力也会不同，导致两侧液压缸动作不同步。

（5）两侧液压缸分别使用独立的流量控制阀组，会出现进、回油流量的差别，从而影响两侧液压缸的同步性。

4.2 双缸不同步的纠偏

在系统运行过程中出现两侧液压缸行程偏差时，就需要系统能够调节两侧油缸有杆腔进回油流量，对出现的偏差进行纠正，实现两侧液压缸同步运行。

手动操作启闭闸门时，只能在运行过程中通过开度仪观察两侧油缸的开度值，根据开度值的变化手动调节常规流量阀的开度，使两侧油缸的开度偏差值控制在合理范围内。手动操作控制回路原理简单，故障率低，能够保证闸门操作的有效性，但控制精度较低，受操作人员技能水平影响大，所以一般情况下，闸门操作多采用自动操作模式，只有在自动操作系统出现故障需要应急处理时，才会采用手动操作模式。

自动操作启闭闸门基本工作原理：液压缸行程检测系统全程连续检测两侧液压缸的开度值，并将两侧液压缸开度值数据以模拟量的形式输入PLC，PLC将模拟量数据换算并进行差值计算，当偏差值大于或等于PLC控制程序中设定的纠偏值时，PLC发出纠偏指令，比例流量阀开始纠偏，直至偏差值降至PLC控制程序中设定的值后停止纠偏。

通过双比例流量阀来控制闸门启闭时，当两侧液压缸行程偏差值达到PLC控制程序中设定的纠偏值时，PLC会发出电信号至比例放大器，比例放大器将电信号比例变换后输出至比例流量阀，其中一侧比例流量阀开度保持不变，另一侧比例流量阀开度减小或增加，调整液压缸有杆腔进出油流量，直到两侧液压缸的行程偏差值小于PLC控制程序中设定的值后停止纠偏。

自动操作模式下的纠偏方式，整个调节过程精度高、反应快、操作简单，是闸门启闭的主要操作方式，在自动操作过程中一旦控制程序或者比例流量阀出现异常且不能迅速排除故障时，要及时切换至手动操作模式下，完成闸门启闭操作。

5 操作出现的问题及改造方案

5.1 操作出现的问题

在自动闭门操作时，出现了闸门全部关闭到位时（两侧液压缸开度仪数据显示为0）闸控系统依然处于未到位的状态（闸控系统开度数据显示为3～5 mm），闸控系统开度数据与开度仪开度数据不一致，液压系统不能正常停止且仍然在执行闸门关闭操作，对液压缸基础造成冲击。

原因分析：液压缸行程检测系统将检测到的开度数据输入开度仪，再由开度仪将此数据以模拟量的形式传输给PLC，PLC再将数据换算成开度值并以此为依据来控制整个液压系统。由于模拟量数据传输的不确定性，在PLC换算出的开度值会出现一定的偏差，导致开度仪数据与闸控系统开度数据不一致。在实际运行过程中，当闸门关闭到0位后，开度仪显示开度为0，闸控系统显示开度为3～5 mm，由于液压系统的控制是以闸控系统数据为基准的，所以闸门全部关闭到0位时闸控及液压系统依然处于运行状态。同理，在闸门闭门操作时，如果闸控系统开度数据领先于开度仪数据到0位，就会造成闸控及液压系统停止运行，闸门却未关闭到位。

5.2 改造方案

改造思路：用通信数据传输模式来替代模拟量数据传输模式，保证闸控系统与开度仪开度数据的一致性和真实性。

改造过程：将原来的老式开度仪更新为带通信端口的新式开度仪，在PLC上新增RS485通信模块，同时更新PLC的CPU（由BMXCPU2020-2.1版本升级为2.7版本），以保证新增RS485通信模块能够正常运行。最后对PLC控制程序中关于模拟量换算的程序段停止运行，并在PLC控制程序中插入通信数据传输程序段，实现用通信数据传输模式来代替模拟量数据传输模式（见图1）。

改造效果：改造后，开度仪数据与闸控系统数据一致性良好，消除了改造前液压系统不能正常停止的安全隐患；数据采集精度也有了较大提高，从而提升了比例阀的纠偏效率和纠偏有效性，在闸门运行过程中左右缸的偏差控制值（绝对值）由改造前的15 mm以内下降至现在的4 mm以内（见图2），使得整个液压系统在运行过程中更为平稳。

图1 改造前后模块变化

图2 左右缸运行过程偏差控制折线图

6 处理结果与讨论

（1）除了通过双比例流量阀调节对各液压缸的进出流量动态纠偏调节外，也可通过旁路电磁换向阀泄油来进行动态纠偏调节，使液压缸的启闭行程能较精确达到同步。

（2）两侧液压缸纠偏过程的本质就是平衡两侧液压缸外载荷、保证闸门启闭顺畅的过程，为了进一步提高液压系统纠偏效率、保证两侧液压缸同步精度、使液压系统纠偏过程更为顺畅，可在液压站主油路上并联一组皮囊式蓄能器。蓄能器有储存能量、稳定压力、吸收液压冲击、减小液压脉动、降低噪声、减少电耗等功能，对液压系统的稳定运行有积极作用。

7 结语

西黑山排冰闸液压启闭机中自纠偏液压控制系统可实现两侧液压缸的同步稳定运行。通过闸控系统升级改造，很好地解决了开度仪与闸控系统开度数据不一致的问题，保证了西黑山排冰闸的可靠运行，为南水北调工程天津干线冬季输水运行保驾护航。