PLC 在水利节制闸同步控制中的应用

张凌霄

（江苏润州建设有限公司，江苏 盐城 224400）

0 引言

在水利工程中，河道利用节制闸闸门的启闭，调节上游水位和下泄流量，以满足向下一级河道分水或控制、截断水流的需要。闸门的开启和关闭是由液压启闭机实现的，主要依靠液体的压力传递能量。大中型节制闸闸门广泛运用双吊点液压启闭机，双吊点液压启闭机在运作时，双缸往往存在同步误差，如果误差较大，则会造成轨道变形、卡死、侧水封磨损等安全事故[1]。因此实现双缸同步是双吊点液压启闭机急需克服的一个问题。

形成同步误差的原因主要有以下 2 类：1）双缸偏载。液压启闭机运行时，闸门上下运动时受力因素很多，如轨道间的摩擦力、水下的浮力及摩擦力、淤泥深度及有无垃圾等，其变化也是非线性的，这些载荷的变化也造成双缸负载不均，形成偏载。载荷大的一端的液压缸运动速度会偏慢，即造成双缸同步误差。2）双缸液压系统不对称[2]。节制闸闸门两侧安装的桥墩不一样，安装时也存在一定的误差，导致双缸运动时摩擦力不一样，摩擦力大的液压缸运动会偏慢，导致双缸同步误差。

液压系统的同步控制主要有以下 2 种方式：1）开环同步控制。主要依靠液压元件本身的精度保证同步驱动，不对输出进行检测及反馈，因此精度不高，只能用在精度要求不高的场合。2）闭环同步控制。可以对输出信号进行分析反馈，及时进行调整，因此可以实现精准同步驱动。闭环同步控制系统一般用在精度要求较高的场合，本液压系统的同步控制方案精度要求高，因此采用闭环同步控制，将两侧液压缸的行程数据反馈给可编程控制器PLC，设计一个以 PLC 为核心的闸门自动纠偏系统（以下简称 PLC 纠偏系统），从而达到闸门的水平启闭。

1 PLC 纠偏系统的组成

PLC 采用可以编制程序的存储器，用来完成逻辑、顺序、算术运算，以及计时、计数等操作指令，并能通过数字或模拟式的输入或输出控制各种生产活动。PLC 能代替常规的电流和电压信号及中间继电器实现自锁、互锁、顺序、延时等控制[3]。利用PLC 计算脉冲个数，可达到控制闸门的启闭速度。

在大多数以双吊点液压启闭机启闭的闸门中，PLC 纠偏系统主要由行程数据检测装置、PLC 控制程序和液压纠偏回路构成，具体组成如图 1 所示。图 1 中，p1，p2分别为右侧和左侧液压缸压力；PSY为电源模块；CPU 为处理器模块；DEY 为模拟量输入模块；AEY 为开关量输入模块；DSY 为开关量输出模块。

图 1 PLC 纠偏系统的组成

由于闸门是否执行自动纠偏指令主要是由行程检测装置的两侧液压缸运行过程中的行程数据决定的，所以行程检测装置是自动纠偏系统的基础。液压缸行程检测装置主要检测两侧液压缸的同步性，其稳定性、可靠性、精度对自动纠偏系统有着决定性的作用，也直接关系启闭机的运行精度。

行程检测装置将行程数据反馈给 PLC，PLC 控制程序对数据进行计算后，与系统设定的偏差值进行比较，如果超过偏差值，则发出纠偏指令[4]。

液压纠偏回路主要有节流阀和电磁换向阀构成，在 PLC 发出纠偏指令后，节流阀调节回油流量的大小，从而调节纠偏时的速度，防止纠偏过快或过慢造成闸门卡阻或卡死。电磁换向阀主要保证闸门运行过程中的同步性，有效防止闸门卡阻。

2 PLC 纠偏系统的控制原理和实现

当双吊点液压启闭机在启闭过程中两侧液压缸的偏差值超过偏差设定值时，自动纠偏控制系统会自动纠偏，直到偏差值恢复到允许范围之内，纠偏系统停止工作，闸门继续正常运行。

2.1 控制原理

闸门自动纠偏控制系统由 PLC 控制节流阀注入液压缸的油液流量，从而达到控制闸门启闭速度的目的。行程检测装置内的开度仪测量两侧液压缸的行程数据并反馈给 PLC，PLC 计算两液压缸的行程数据偏差值，并与偏差设定值进行比较，当两液压缸行程数值大于偏差设定值时，PLC 就会发出纠偏指令给节流阀，调节注入液压缸的油液流量，使得两侧液压缸活塞杆的运动速率相一致，这样闸门就会水平启闭。

2.2 纠偏功能实现流程

PLC 对行程数据偏差值与偏差设定值进行比较后发出纠偏指令，通过自动调节左右电磁阀，从而保证两侧液压缸同步运行[5]。

不同水域，水闸的安全运行要求不同，根据不同的要求，自动纠偏系统要预先设置 4 个不同的偏差设定值。系统中闸门左侧的高度为 H1，右侧的高度为 H2，则闸门两侧的高度偏差 ΔH = |H1- H2|，设置纠偏启动、结束时的偏差值分别为 15 和 5 mm，停闸纠偏和停机处理时的偏差值分别为 20 和 25 mm。

闸门开始运行时，当两侧闸门高度偏差达到纠偏启动偏差值 15 mm 时，监控机构发出指令使纠偏系统开始纠偏，使得在闸门运动的同时，闸门两侧的高度偏差慢慢减小；当偏差值小于纠偏结束偏差值 5 mm 时，纠偏系统停止工作。如果纠偏系统工作后，由于某些未知的原因，闸门两侧高度偏差不但没有减小，反而越来越大，当两侧偏差值达到停闸纠偏偏差值 20 mm 时，闸门停止运行；保持纠偏系统继续运行，从而减小闸门两侧偏差值，直到偏差值小于停闸纠偏偏差值 20 mm 时，闸门重新开始运行，并继续纠偏；当两侧偏差值小于纠偏结束偏差值 5 mm 时，纠偏系统停止工作。如果，停闸纠偏后，闸门两侧偏差值仍然继续增大，当偏差值增大到停机处理偏差值 25 mm 时，监控机构就会发出停机命令，同时发出警报，通知工作人员检测维修。纠偏流程图如图 2 所示。

图 2 纠偏流程图

3 结语

该双缸液压启闭机自运营以来，通过 PLC 自动纠偏系统的精确控制，一直稳定运行。实践证明，将 PLC 运用到水利节制闸同步控制中，有效解决了两侧液压缸同步运动的问题，且结构简单，安全可靠，比现有单液压行程控制精度更高，且易于实现计算机远程控制。双缸液压启闭机自动纠偏系统能够实现现代水电站“无人值班，少人值守”的运行模式，更重要的是能够为水库汛期提供稳定的安全保障。但是，此同步控制方案的成本比单液压控制方案的成本高，今后需研究成本较低、精度更高的控制方案，同时还需在自动纠偏系统的抗干扰能力上继续完善。