基于液压弧形闸门的自动控制程序优化应用

杨庚生

（中水三立数据技术股份有限公司 合肥 230031）

1 引言

某调水工程利于大型液压弧形闸门进行挡水，并控制调节渠道水位；因其全线站点多、控制精度和远程控制成功率要求高，因此为保证达到应用需求，需对传统液压闸门控制流程进行优化，在达到业务需求的基础上满足安全性要求。

2 自动控制流程

闸门控制方式主要有现地手动、现地自动、远方控制方式三种：现地手动，通过操作控制面板上按钮，使用硬件回路直接控制闸门；现地自动，主要通过触摸屏下达命令到PLC 控制单元，对闸门进行自动控制；远方控制，主要通过远方调度系统下达命令到PLC 控制单元，对闸门进行自动控制。

闸门的基本自动控制功能包括：定位、开启、关闭和停止；通过定位控制，通过指令设定开度，下达到PLC，通过开闸或者关闸命令达到目标位置，闸门自动停止。闸门在运行过程中可以主动对闸门进行停止，同时当闸门运行过程中有故障报警时，闸门自动停止并输出报警。当前调水工程中使用的是双吊点大型液压弧形闸门，当闸门运行过程中如两边有偏差，并达到门限值时，闸门自动纠偏，同步上升或者下降。

2.1 闸门定位

在满足操作权限条件下，通过“定位”指令，设定目标开度并确定确认；此功能主要是目标值的下发，为后面的操作控制指令服务。

在具体应用“定位”功能还需注意以下几点：（1）每次设定开度必须比当前开度值大于或小于一定阙值，而此阙值的大小也体现出远程调度限值要求，在此调水工程中，该值设计为20mm；（2）设定的开度是以闸门从全关位置算起，即是绝对值，而非相对值；（3）通过软件另反馈显示已下达的设定目标开度值，如相等，表示设定成功，否则设定开度不成功，自动控制无法操作。

2.2 闸门开启

当需要对闸门进行开启时，需已执行“定位”指令后，且设定开度需比当前开度大，然后通过“开闸”指令，PLC 控制单元先启动油泵，等待几秒钟，打开系统阀建压，再等待几秒钟，打开启门阀，闸门自动上升；闸门上升到达设定的目标开度或者上限自动停止。

具体应用“闸门开启”功能需注意：闸门开启过程中如有异常或需要，可以通过“停止”指令，将闸门停止。

2.3 闸门关闭

当需要对闸门进行关闭时，需已执行“定位”指令后，且设定开度比当前开度小，然后通过“关闸”指令，PLC 控制单元先启动油泵，等待几秒钟，打开系统阀建压，再等待几秒钟，打开闭门阀，闸门自动下降；当闸门下降到达设定的目标开度或下限时自动停止。

具体应用“闸门关闭”功能需注意：闸门关闭过程中如有异常或需要，可以通过“停止”指令，将闸门停止。

2.4 闸门停止

在闸门上升或下降过程中，可以通过“停止”指令，关闭启门阀或闭门阀，闸门自动停止；等待几秒，关闭系统阀，再等待几秒，停止油泵。

3 控制流程优化应用

基本控制流程是闸门控制的基础，为保证闸门在安全运行的条件下，达到高控制精度和高控制成功率，通过对既有的基本控制功能和流程进行分析，在此基础上提出和完善自动控制流程：

3.1 过程状态反馈

传统的闸门控制过程状态数据一般是通过PLC硬件模块采集到的模件点，如：DI 点、AI 点数据等。因受成本设计或传感器限制，其所反馈到后台的状态有限，只能基本满足当前需求，当调水工程提出更高要求时，过程状态反馈就有所缺失；通过分析自动控制流程的结构，将一些除模件点之外，增加自动控制流程执行过程中的一些内部过程数据或另补充一些统计类数据反馈上传，以加强远程调度后台对控制指令执行结果的了解，利于当出现问题时，可以容易进行分析判断，加快故障问题排查处理。

根据运行管理的需要，过程状态反馈分为：启动条件、指令处理反馈、流程执行反馈。

（1）启动条件：为保证闸门自动开启和关闭流程的安全和正常执行，系统在静态条件下，各传感器所检测的结果是否满足要求；当满足时，才允许后台下发指令。为能及时和清晰对不满足条件点进行定位和分析，通常情况下会将这些条件进行归类，通过约定定义整形字节各比特位的含义，以提供不同的反馈状态码。

（2）指令处理反馈：对调度或触摸屏下达的自动控制指令接收、判断和处理过程的记录，并重点反馈指令处理过程中的故障原因，以利于能指导后台快速定位出问题点，及时发现问题并处理；指令主要为设定目标值指令和操作指令两类。

设定目标值指令主要反馈：a.设定值不在有效范围内；b.设定值变化小于门限值；c.设定值下发超时。

操作指令主要为开启和关闭两个主要动作，在正常自动操作中，停止和急停都是根据提前设定好的条件自动完成。其主要反馈：a.指令下发超时，b.控制在死区，c.重复指令，d.互斥指令，e.无操作权限，f.无效控制指令。

（3）流程执行反馈：当接收到的指令处理正确后，按指令类型进行调用流程；流程执行过程中的反馈是日常出现故障最多的地方，其需要对每一步执行过程结果进行反馈，以利于快速定位问题所在。其主要反馈有：a.1#油泵故障，启动2#油泵；b.2#和1#油泵故障，退出；c.1#油泵无状态反馈，启动2#油泵；d.2#和1#油泵都无状态反馈，退出；e.闸门无上升信号反馈，退出；f.闸门无下降信号反馈，退出。

3.2 运行安全防护

当流程执行过程中，系统状态出现异常，影响设备运行安全时，需立即紧急停止，同时后台必须知道是什么原因造成的；其主要急停触发条件有：a.系统超压；b.无杆腔或关门超压；c.闸门超差；d.开度不变化超时；其中“开度不变化超时”可以防止一些传感器监测不到，最终故障结果会体现在闸门开度变化上的综合性故障，其是闸门运行过程中最重要的安全防护点，且是非硬件传感器检测到的，而是通过算法逻辑实现的。

3.3 静态纠偏

在保证闸门的安全运行过程中，闸门超差是其关键安全防护指标。在闸门运行过程中，控制流程会自动通过纠偏同步程序来进行调整超差，以保证闸门运行过程的平衡，使之保持在超差范围内。而当闸门控制调整结束后，下一次调整前，液压系统处理保压状态，但液压密封有一定的泄漏量，且两边的泄露量不一定会保持一致。在此情况下，会出现闸门在静止情况下出现超差，而当远程进行调度控制时，其就满足不了启动条件，影响闸门的远程调度控制的成功率。为解决此因素对系统稳定运行的影响，提高控制的成功率，设计了静态纠偏流程。在一定规则下，当闸门静态情况下出现偏差，系统自动启动调整程序，以保证下一次操作前满足启动条件。

具体技术方案如下：当闸门在停止状态且自动控制模式时，当开度差≥10mm，自动下发纠偏命令，并进行静态纠偏计数；记录当前闸门左开度为目标开度，闸门下降40mm 后再上升至启动纠偏时记录的目标开度位置停止；在此过程中计时，如果超过定时时间时（可利用开度不变化超时时间功能），根据当前行程差判断以下情况：

（1）如开度差≥10mm，停闸报警，计不成功静态纠偏故障；故障信号不复位，下次不再进行静态纠偏，但不影响闸门正常操作。

（2）如5mm ≤开度差＜10mm，计不成功静态纠偏报警，报警信号下次闸门静态纠偏或正常操作时自动复位。

（3）功能限制阙值：开度差＞15mm 时发报警信号，当＞20mm，自动屏蔽静态纠偏功能。

（4）间隔时间为1h：在1h 以内如开度差超过10mm 屏蔽静态纠偏功能。当超过1h，10mm ≤开度差＜20mm 时自动纠偏闸门。

（5）当3000mm ≤开度差＜40mm 时，屏蔽静态自动纠偏功能。

3.4 下滑复位

同静态纠偏情况类似，当闸门控制调整结束后，下一次调整前，液压系统处理保压状态，但液压密封有一定的泄漏量，当在12h 内，闸门下滑超过100mm 时，为减小对渠道水位面的影响，需及时将闸门目标开度恢复到下滑前；为解决此因素对系统的影响，设计下滑复位流程，系统自动启动调整程序，以保证目标开度。

其具体技术方案如下：在闸门每一次停止时，不管在那种工作模式下，都会记录当前停止时闸门左开度，此开度作为闸门下滑判断值和自动复位目标值。

闸门在停止状态且自动控制模式下，PLC 检测到闸门开度下滑超过100mm 时，将自动复位目标值写入开度目标值中，PLC 发出自动复位信号，并进行下滑复位计数，PLC 按照正常控制流程，控制闸门到上次停止时PLC 自动记录的开度位置。

功能限制阙值：开度下滑超过120mm 时发报警信号，当超过200mm，自动屏蔽下滑自动复位功能。

间隔时间为12h：在12h 以内如超过100mm 屏蔽下滑自动复位功能；当超过12h，100mm ≤下滑＜200mm 时复位闸门。

闸门开度＞3000mm 时，自动屏蔽下滑自动复位功能。

4 应用分析总结

通过优化过程状态反馈和运行安全防护，在系统出现问题时，可以快速定位到具体问题，维护人员通过反馈的故障码，根据约定好的相应描述，可以分析判断出故障发生点，提前准备处理方案，提高故障排除效率。通过实际应用分析，其从原来到现场后平均4h、5h 才能处理好故障，提高到大约2h 左右。

静态纠偏的流程优化效果主要体现在一些保压效果不太好的闸门上，基本达到同其他闸门一样的控制成功率；下滑复位流程的应用闸门点少，有一定效果，因项目是新建的，处于初期，液压系统密封性比较好，后续随着密封圈的老化和磨损，此两种优化流程会起到更大作用；同时在设计流程时，定义并记录了此两种流程的启用次数和调整不成功次数，通过长时间数据的积累，可通过分析此类数据判断出闸门运行稳定性，给后期闸门大修和改造提供了有力的数据支撑■