船闸液压启闭机同步控制系统设计

倪 莉

(上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200063)

船闸液压启闭机是一种利用液体的压力将能量传递，并控制船闸开启和关闭的启闭装置。当前液压启闭机的技术发展十分迅速，在大、中型水利工程中的弧形钢闸门、平面闸门等各个类型的闸门中被广泛运用。传统船闸液压启闭机采用的是双吊点液压启闭机控制系统[1-3]。通过多年的实践发现，传统系统在启闭船闸的过程中，若双缸同步之间的误差较大，会造成船闸门卡阻、侧水封磨损、闸门漏水以及闸门凹槽轨道出现变形等问题，严重影响船闸液压启闭机的正常运行，甚至会引发灾难性事故。因此，从安全性的角度考虑，船闸液压启闭机的同步控制，是船闸液压启闭机液压系统中最重要的性能要求。虽然当前船闸液压启闭机在我国的水利工程中得到了广泛应用，但与其他发达国家相比，船闸液压启闭机同步控制系统的研究仍然远远落后。因此，为了进一步保证船闸安全可靠运行，本文开展对船闸液压启闭机同步控制系统的设计研究。

1 船闸液压启闭机同步控制系统硬件设计

在船闸液压启闭机同步控制中，需要用位置测量传感器来检测两侧启闭机的油缸状态，以此判断两侧行程，通过系统元器件的逻辑判断，执行控制信号，使两侧闸门同步运行。在启闭机开启或关闭时，都会有时滞现象，在发现时滞后，如果马上对阀门进行调节，则难以把握时间，容易再次造成时滞，因此，应设置检测区间，若如果检测后发现时滞程度在区间范围内，不影响两侧的同步性，则不需要进行调节，如果检测表明时滞程度超出区间范围，则应对应调节，以有效避免超调现象。

1.1 硬件设计

作为闸门总控制的重要组成部分，要想实现闸门同步控制，应以可编程逻辑控制器作为闸门的控制主机。可编程逻辑控制器多用于工业大型设备控制，能够适应高温、低温、高湿度、强电磁干扰等复杂环境，且集成度高，可靠性更强，另外可编程逻辑控制器具有较强的逻辑控制功能，能够通过计算闸门开度、油缸行程等数据，对闸门启闭进行逻辑控制，可以说其自成一个硬件，无须过多的设计，可编程逻辑控制器内部包括主机、存储模块、输入模块、输出模块即可。硬件设计越简单越不易出现故障，更具有实用性，也利于后期的系统维护与检修，系统硬件结构见图1。

图1 系统硬件结构

1.2 传感器选择

在闸门同步控制中，传感器起着重要作用，传感器的精度、性能，直接影响着闸门同步控制系统的控制效果。因此，对于传感器的选择应综合考虑，进行选取。常用的传感器有自整角机、线绕式电位器、光电式轴角编码器三种。

自整角机同时具备接收和发送两种测量装置，自整角机的优势在于可以实现行程差的直接测量，但对于测量后的信号输出，则需要经过整流和放大处理，并经过模拟电路板等一系列复杂的硬件回路才能够实现，这就在一定程度上增大了误差，使输出的测量值出现偏差，另外其与可编程逻辑控制器连接时，需要进行A/D转换，可以说测量值采集准确、直接，但输出过程过于复杂，易出现错误。线绕式电位器具有成本低的优点，但难以实现同步测量。因此电位器的线性度难以保持统一状态，在测量过程中会出现误差。对于同步精度要求较高的闸门来说，线绕式电位器的测量精度难以符合要求，另外电位器在输出测量信号时，也需要进行A/D转换，且线绕式电位器容易因外界环境和使用时间出现不同程度的损耗，也在无形中增加了成本，因此线绕式电位器多应用于对精度、同步性要求不高的闸门控制。光电式轴角编码器能够适应各种复杂环境，且不易因正常使用出现故障，测量数据精度能够满足闸门同步控制的需求，更为重要的是，光电式轴角编码器输出的信号为脉冲量信号，可以直接传输给可编程逻辑控制器，不需要进行A/D转换，在一定程度上节约了成本。综上本系统传感器选用光电式轴角编码器。

2 船闸液压启闭机同步控制系统软件设计

2.1 船闸液压启闭机闸门控制

本文系统中的船闸液压启闭机闸门控制功能主要是为泄水时船闸上升、停止在预设位置以及船闸下降等阶段提供正常运行保障。首先对泄水时船闸的闸门进行控制，将系统初始化设置，并对系统中的各个液压元件及继电器的信号等进行初始化设置。待完成初始化设置后，根据实际运行情况选择不同船闸控制模式，即远程控制、手动控制和现地控制等[4-6]。在启动控制之前，首先对船闸的启闭数值进行设定，保证启动船闸的预设开度值远远大于船闸的实际开度数值，在闭合船闸时的预设开度值远远小于船闸的实际开度数值，在船闸开始启动之前系统还需要保证系统硬件结构中的液压泵及液压电动机处于正常的运行状态。本文系统中船闸液压启闭机闸门控制流程见图2。

图2 本文系统船闸液压启闭机闸门控制流程

在船闸闸门运行的过程中，系统的整个闸门控制功能持续循环执行，利用可编程逻辑控制器采集船闸液压启闭机中的各项数据，例如电动机电流、液压泵压力、油箱温度等数据，利用数据判断船闸液压启闭机在运行过程中是否出现了异常急停或故障问题，若闸门出现故障问题，则立即按下急停按钮，若闸门在运行时出现严重的故障问题，本文系统也能自动采取紧急停机措施。在本文系统实际运行过程中，如果判断出闸门出现了下滑情况，则系统自动进行相应的提升操作，若系统无法准确对闸门进行提升，则立即将系统停机，保证整个系统的稳定运行。

2.2 闸门开度转换计算

由于船闸闸门的开度与本文系统中的各类传感器设备测量得到的数据之间属于非线性函数关系，因此在对其进行转换的过程中会受到较多的影响因素干扰。因此，本文采用一种线性拟合的方法将船闸闸门的开度实际测量数据与传感器设备测量得到数据的对应弧线划分为多个小段，并将每段之间看作是一条直线，提高本文系统对船闸闸门开度测量的准确性。结合船闸的实际情况，将整个弧线划分为x段，在每段中均将闸门开度的变化与测量数值看作是存在一定的线性关系。闸门开度转换计算具体流程如下：

第一步：向本文系统中输入左右两侧闸门的开度数据。

第二步：将第一步中的数据转换为闸门开度。

第三步：判断信号采样数据是否有效，根据检测精度，将整个曲线划分为x段，测量任意两点之间的闸门开度，当测量值在A1和A2区间，而对应的通过全站仪测得的闸门整定值在B1和B2之间，则测量闸门开度在A1和A2之间的数值都通过比例关系转换到全站仪测定的闸门整定数值之上。当测量值a在A1

第四步：计算得出闸门左右两侧的开度平均值。

第五步：判断闸门开度数值所属区间。

第六步：计算左侧开度减去右侧开度的绝对值，得出闸门左右两侧的开度差值，完成对船闸闸门开度转换。

2.3 船闸同步纠偏控制

本文系统中的船闸同步纠偏控制功能主要是保证启闭机在运行过程中船闸两侧的同步，即运行过程中的船闸闸门开度偏差始终保持在系统设定的规定误差范围内。本文系统的船闸同步纠偏控制主要包括采集船闸闸门两侧开度信号，并将开度信号送入到可编程逻辑控制器中。开度的计算主要是根据闸门左右两端累积十次运行得到的开度平均值，由本文上述闸门开度转换计算得出。当计算结果小于最小纠偏值时，系统中的比例纠偏阀不反应，若计算结果大于最小纠偏值，系统中的比例纠偏阀开始进行纠偏操作。具体操作如下：

当开度值计算结果的偏差超出本文系统预设的最小纠偏值时，可编程逻辑控制器输出一个-5～+5V的控制信号，并发送到系统的比例纠偏阀中，当比例纠偏阀得到相应的控制信号时，对船闸两侧油缸的进出油量进行调节，从而改变船闸两侧的运行速度，恢复两缸形成的偏差到误差允许范围内。在系统纠偏控制过程中，若船闸左侧的行程明显大于右侧的行程，且差值超出允许范围时，比例阀正向获得电流，左缸在运行过程中速度逐渐降低直到偏差消失；若船闸左侧的行程明显小于右侧的行程，且差值超出允许范围时，比例阀反向获得电流，右缸的运行速度逐渐静止，直到偏差消失，保证船闸左右两个闸门的上升开度保持一致，实现船闸液压启闭机的同步控制。

3 实验论证分析

3.1 实验准备

利用仿真实验软件设定相应的参数信息，得到两个规模、运行方式等条件完全相同的船闸，其中一个船闸利用传统液压启闭机控制系统对其左右两侧的闸门运行进行控制，另一个选用本文设计的液压启闭机同步控制系统对其左右两侧的闸门运行进行控制，分别设置对照组和实验组。在保证两组各项硬件设备均无故障的情况下，对两组系统中的软件部分进行仿真对比实验。

设置五组船闸的运行参数，分别通过实验组和对照组对其进行开启和闭合控制。在实验进行的过程中记录闸门的运行情况，并计算左侧闸门与右侧闸门之间的开度误差。

3.2 实验结果与分析

根据上述实验准备，完成对比实验，并根据开度误差计算结果得出船闸五次运行时闸门两侧开度最大差值，并将实验结果进行记录(见表1)。

表1 实验结果对比

从表1可以看出，实验组系统控制的闸门两侧最大误差均小于8mm，而对照组系统控制的闸门两侧最大误差最小值超过了14mm，在实验过程中，对照组由于受到环境干扰因素影响严重，因此，在第3次控制时出现了纠偏异常情况，无法对闸门两侧的开度偏差进行纠偏。通过对比实验证明，本文设计的船闸液压启闭机闸门同步控制系统的控制精度更高，且不易受到外界环境干扰因素的影响，保证了船闸液压启闭机的安全、稳定运行，同时实现了对船闸两侧闸门的同步控制。

4 结 语

本文通过对船闸液压启闭机同步控制系统的设计研究，初步实现了船闸两侧闸门的同步运行。近年来电液比例技术的发展十分迅速，具备成本低、抗污染能力强等优势，虽然存在流量非线性的问题，但只要在控制策略中采取一定的措施，即可有效提高同步精度，因此，液压启闭机同步控制系统具有良好的应用前景。