弧形闸门液压启闭机同步运动控制算法的研究

卢建军

（南水北调中线信息科技有限公司，北京100038）

1 引言

弧形闸门液压启闭机采用液压驱动油缸进而驱动闸门动作，具有驱动力大，运动平缓特点，因此，广泛应用于水利水电、船闸等工程中。近年来，液压启闭机系统通过引入比例阀，绝对值编码器和PLC 控制系统，控制精度有了很大的提高，但是双缸常年保持高精度同步安全运行仍未获得根本解决，从而导致闸门倾斜卡死，严重的还会导致吊点拉脱，造成严重的设备事故。因此，弧形门液压启闭机同步控制仍然是水利水电行业的一个重要课题[1]。

2 液压启闭机介绍

2.1 系统组成

启闭机液压系统主要由高压泵、循环泵、油箱、油箱液位计、油箱油温计、比例放大板、比例阀、两位四通阀、手动调速阀、过滤器，溢流阀、液控单向阀、液压管路（P 线管路，T 线管路，液控单向阀管路）及油缸等组成。

液压启闭机自动化控制系统主要包括施耐德系列CPS、CPU、CRP、CRA、NOE、ACI、ACO、DDI 及DDO 等模块，徐州正天ZKY-3 型闸门开度测控仪，SSI 型绝对值编码器，液压执行系统，控制系统属于闭环控制系统。

2.2 工作原理

液压系统高压泵由电动机驱动后，从油箱中吸油，油液经滤油器进入液压泵，油液在泵腔中从入口低压到泵出口高压，经过开停阀、节流阀、换向阀和比例阀进入油缸一侧腔体，推动活塞使活塞杆带动启闭机闸门打开，同时油腔另一侧油液经换向阀和回油管路流回油箱。关闭动作与打开动作原理相同，需要注意的是闸门关闭时，需要利用液控单向阀管路将液控单向阀打开。

3 同步运动误差形成分析

3.1 机械阻力引起的误差

弧形闸门启闭机绕着2 个支点做旋转运动，弧形门沿着门槽上下运动。2 个油缸活塞杆各自驱动一侧弧形门，由于弧形门在门槽上运动阻力不同且运动阻力不稳定，更有门槽内卡入异物导致一侧弧形门无法运动。弧形门在水中运动，随着弧形门开度变化，弧形门水阻力也会发生变化，油缸推动载荷也必然会发生变化。无论是门槽阻力还是水阻力导致的油缸负荷变化，都会导致弧形门运动不同步。

3.2 设备引起的误差

2 个油缸分别安装在各自闸墩上，安装的水平精度也影响弧形门的运动偏差[2]。弧形门两侧开度采用绝对值编码器计数，编码器的性能也决定了弧形门同步运动偏差。控制系统控制算法的合理性及安全性也决定了弧形门同步运动偏差。

4 全新同步控制算法

4.1 弧形门弧形运动轨迹处理

闸门的开度测量值使用SSI 绝对编码传感器，绝对值编码器的时钟与数据信号接入开度仪，经CPU 处理后，以数字形式显示开度值，开度仪提供RS485 通信将开度信号传递到PLC 系统[3]。

由于绝对值编码器提供的格雷码值是连续的线性数值，而闸门采用弧形闸门，因此，弧形闸门开度和格雷码值并非绝对的线性关系。基于此特征，在闸门开度仪里采用15 段修正值法，也就是将非线性轨迹分成15 段（分的段数越多，精度越高），每段近似为线性关系。

4.2 弧形门同步运动控制算法

此同步运动控制算法采用模块化编程思路，通用性强，便于程序移植。

4.2.1 同步功能程序块

首先，定义输入参数：弧形门左侧开度（变量），弧形门右侧开度（变量），开门命令，关门命令，开始同步值1（参数值），开始同步值2（参数值，注意开始同步值1 小于开始同步值2），同步停止值（参数值），同步偏差高预警参数值（参数值），同步偏差致命性报警停车参数值（参数值）；

其次，定义输出参数：激活左侧油缸同步调整1，激活左侧油缸同步调整2，激活右侧油缸同步调整1，激活右侧油缸同步调整2，同步偏差高预警，同步偏差致命性报警停车。

最后，说明计算逻辑：弧形门右侧开度减去左侧开度为弧形门左侧开度偏差C1.Diff，其绝对值定义为C1.AbsDiff，此值大于零说明左侧弧形门开度低了，此值小于零说明左侧弧形门开度高了。当C1.AbsDiff 大于开始同步值1，小于开始同步值2，当执行开门命令时，如果左侧弧形门开度高了，激活左侧油缸同步调整1，同样当执行关门命令时，如果左侧弧形门开度低了，也激活左侧油缸同步调整1，当C1.AbsDiff 进入同步停止值范围内，左侧油缸同步调整1 激活取消；当C1.AbsDiff 大于开始同步值2，当执行开门命令时，如果左侧弧形门开度高了，激活左侧油缸同步调整2，同样当执行关门命令时，如果左侧弧形门开度低了，也激活左侧油缸同步调整2，当C1.AbsDiff进入同步停止值范围内，左侧油缸同步调整2 激活取消。同样逻辑判断激活右侧油缸同步调整1 和激活右侧油缸同步调整2。当C1.AbsDiff 或C2.AbsDiff 大于同步偏差高预警参数值激活同步偏差高预警，当C1.AbsDiff 或C2.AbsDiff 大于同步偏差致命性报警停车参数值激活同步偏差致命性报警停车。

4.2.2 速度选择功能

根据上面同步功能程序块输出参数选择不同的比例阀运动速度，以达到双缸同步运动目的。为油缸1 和2 运动各定义8 套速度参数，下面以油缸1 速度控制做出说明，油缸2 速度控制原理相同。定义油缸运动快速命令和慢速命令，当弧形门开度进入慢速范围内时执行慢速命令，其余执行快速命令。

当弧形门上升时，在快速命令激活时，如果左侧油缸同步调整1 和2 都没有激活，此时认为双缸同步运行正常，不需要同步调整，选择速度参数1；在快速命令激活时，如果左侧油缸同步调整1 激活，双缸同步有小偏差，需要同步调整，选择速度参数2；在快速命令激活时，如果左侧油缸同步调整2 激活，双缸同步有大偏差，需要同步调整，选择速度参数3；在进入慢速范围内时执行慢速命令，选择速度参数4。弧形门下降原理同上升原理相同。

4.2.3 预警及报警安全停车功能

当双缸运动发出预警时，此时只报警提示不停车，当发出安全停车报警时，双缸运动停止，需要设备维护人员查找设备故障[4]。

5 结语

近年来，随着电液比例阀的制作加工越来越精密，PLC、CPU 运行扫描速度越来越快，编写程序越来越灵活，同时绝对值编码器精度越来越高，基于本文中提到的双缸同步运动控制策略，弧形闸门启闭机同步运动控制问题必然得到解决，其控制策略必然在各行业双缸同步运动控制中得到广泛应用。