船闸活动桥液压同步顶升系统浅析

向 耕，万 鹏，吴 奎

（湖北省引江济汉工程管理局，湖北武汉 430062）

0 引言

活动顶升桥一般设置在水陆交通交叉处，通常为钢结构。南水北调中线一期引江济汉工程西荆河枢纽船闸活动桥设计荷载为汽-20 级，校核荷载为挂-100 级：不通航时，公路桥不需提升，可以满足通车要求；通航时，利用启闭设备同步顶升钢桥让船舶通航，而顶升系统同步控制的精确度对通航效率有较大影响。

1 活动桥概述

该桥梁采用QPPYI-2×160kN 型柱塞式液压启闭机为专用顶升设备，桥两侧各布置一台。单台液压启闭机容量为2×160 kN，启闭机吊距均为4.5 m，左、右岸两套启闭机的支承间距为13.2 m。柱塞式液压启闭机缸体布置在两边的闸墩中，启闭工作行程为6.2 m。操作有同步启闭要求，同步采用电气纠偏，配备伺服同步系统和自动保压系统，并由上升到位、下降到位的信号（空节点）送到船闸集控室。

2 实现同步顶升的基本功能

（1）自锁及下滑复位功能。活动桥常在全开位置（或全关）长期停留，由于液压系统泄漏及液压缸的内泄，可能造成顶升装置的下滑，需具备可靠的自锁功能并设置下滑复位装置，保证活动桥下滑量在48 h 内不超过100 mm。当下滑量超过限定值时，应自动启动投入运行，将活动桥提升至预置原位。

（2）监控功能。运行中需实时全过程监测，通过监控控制阀组、液压缸两腔等各单元的工作压力有助于活动桥顶升系统的控制；通过监控开度、偏差、限位等信息可以保证顶升系统的同步；应力监控能避免内应力集中使梁体结构受损。此外，还应配备故障诊断显示功能，通过各种传输信息并以数字或代码直观显示在现地控制屏或上端集控柜显示屏上，方便运管人员初步排查故障。

（3）自动保护功能。活动桥在顶升过程中，需具有不同步超差停机保护功能。行程指示及位置控制装置全程连续检测4 只液压缸的行程偏差，当偏差大于10 mm 时将自动纠偏，当偏差大于20 mm 时自动停机并发出声光报警信号。

3 基于PLC 的液压同步控制系统

3.1 PLC 及人机界面

PLC（Programmable Logic Controller，可编程控制器）同步控制系统由液压系统、计算机控制系统、检测传感器等部分组成，利用计算机工控软件（本系统开发采用SQLserver7.0、WINCC、PL7、STEP7 5.1、PROTOOL 等软件）来控制液压泵站及其配备的液压单元，按照操作指令控制其活动桥的运行。当4 个液压缸同时顶升时，系统可以通过力的平衡自动调节各缸体的压力，来保障顶升过程中各顶升力的平衡。

人机界面除了采用必要的指示灯、按钮外，还采用与PLC配套的液晶显示器来显示、设置以及查询控制系统设备的数据参数和状态信息。通电后触摸显示屏自动进入主画面，控制系统对各参数进行实时监视，通过PLC 的I/O（输入/输出）模块对开度、压力、故障等信息进行数据采集，经过CPU（Central Processing Unit，中央处理器）处理，实时将开度信息显示在工控触摸屏上，但当系统压力等信号为模拟量时，负责采集的是A/I 模拟量输入模块。

3.2 系统控制方式

系统共3 种控制模式，分别为手动控制、自动控制和远方控制。

（1）切换至“手动控制”时，即可在脱离PLC 的情况下，手动控制电机和各电磁阀得电。该工况主要应用于安装调试或设备检修。

（2）切换至“自动控制”时，即可在电气控制柜上通过PLC程序对本系统的油泵电机及活动桥进行自动控制。此模式下：当活动桥顶升至全开值时（此值在触摸屏上可以设置），系统自动停机并输出全开状态；当活动桥下降至全关值时（此值在触摸屏上可以设置，一般为0 mm），系统自动停机并输出全关状态。当活动桥处于预置位置下滑150 mm 时，油泵电动机自动投入运行，将活动桥提升恢复原位。若继续下滑至200 mm，油泵电动机尚未投入运行时，应自动接通另一组油泵电动机，将活动桥提升恢复原位，并发出故障和报警信号。

（3）切换至“远方控制”时，为船闸集控室上位机控制。通过上位机的鼠标、键盘进行对船闸系统的控制，显示器显示现场模拟组态画面，并实时交换数据，对系统的运行状态、故障等数据进行记录并可输出打印。此模式下的控制与“自动控制”相同。

3.3 系统监测保护

控制系统监测保护项目主要包括主备电机互换、控制回路过载失压、顶升开度同步、液压系统压力、PLC 工作状态及主要元器件的参数等，由检测装置将监测到的编码器信号送入PLC，经PLC 处理后在触摸屏上显示，同时通过现场控制柜预留RS-485 Modbus 通信接口与远方监控系统联网，实时上传到船闸调度中心，并且形象地动态显示活动桥和液压油缸运动情况。如果发生信号丢失等故障系统则发声光报警。系统内既定程序中的保护参数可以显示在工控触摸屏上，并可由管理员修改后储存。

4 同步纠偏调试及故障处理

4.1 同步控制纠偏调试

首次投入运行调试时，活动桥顶升高度需小于0.2 m，确保活动桥运行安全，待桥梁上下运行多次平稳后，再相应地提高桥梁高度进行调试。因活动桥没有上下侧向的运行导轮，由液压启闭机的4 只液压缸活塞杆同步运行来保持活动钢桥桥面的平衡，在手动操作时比例阀没有自动投入运行，需要靠手动调节比例阀来控制同步，此时应慢速小行程，同时活动桥左右侧留有两人观察桥面顶升的平衡情况，并及时向操作人员反馈各液压缸的平衡状态，开度信号应同步显示在工控触摸屏上。

手动调试正常后须采用自动控制。调试设定整体偏差为10 mm（可根据实际情况调整），操作人员发出提升指令后，油泵电机空载启动运行，6 s 后压力阀YV1 和提升阀YV2、比例阀得电，活动桥开始顶升，由PLC 采集到的4 根液压缸行程信号，并与基准缸A1 行程信号对比，自动调整3 只比例阀阀芯位置和3 只比例油缸（A2、A3、A4）的运行速度，这样不断地采样、不断调节3 根液压油缸与基准缸进行纠偏，直至4 根液压油缸位移偏差小于10 mm，从而控制活动桥的同步顶升。

4.2 同步控制常见故障处理

在同步纠偏调试过程中，应密切监视桥体及液压泵的运行状况，出现异常情况应立即按下“急停”按钮。在活动桥的实际运行过程中，主要存在同步装置故障告警和液压系统故障告警两类纠偏故障。

4.2.1 同步装置故障告警

（1）初步分析。同步装置由开度传感器、编码器和反馈钢丝绳等组成。可能是开度信息采集不准确，同步装置接受了开度传感器的错误信号而故障报警。

（2）故障排除。手动启闭液压缸，确认开度仪内部电器元件和电路工作正常。在对开度仪的编码器及其内部构件检查检测后，发现编码器受潮，其他元件无破损、卷筒法兰完好，反馈钢丝绳卷绕较好。修复编码器后，故障并未消除，进一步检查反馈钢丝绳是否存在缺陷。对活动桥实施了一次1 m 开度顶升试验，在液压缸运行至约0.6 m 时，发现桥体右侧的反馈钢丝绳变细，疑似缺股而反馈系统并无异常。停止运行检查发现，在右钢丝绳穿过工作梁的小孔处，有一个直径约20 mm 的钢丝团卡于下翼缘板，且钢丝有锈蚀、磨损现象。因此，右钢丝绳因钢丝团受卡被迫停止卷起，是引起同步装置超差故障报警的直接原因。

（3）处理方法。采取更换钢丝绳、扩大穿梁孔径、并通过滑轮组改变其反馈方向，减少反馈钢丝绳的磨损并使其卷放自如。在后续的运行调试中，同步装置均工作正常，未发生类似故障。

4.2.2 液压系统故障告警

（1）初步分析。由于液压系统中各控制阀组受阻，导致液压缸压力不均衡，造成4 个液压缸不同步。

（2）故障排除。采用重新启闭的方法检验，经过两次的定值启闭，发现液压传统系统均运行正常，开度信息传输正常，控制系统也无故障。进一步排查发现，由于活动桥负载发生变化，作用在某一缸的力比较大而另外的缸较小，导致油缸下腔压力瞬时达到低压报警值。

（3）处理方法。在保障设备正常运行的前提下，重新调整压力继电器动作值，根据桥体实际负载变化情况来设定低压报警值，保障4 个液压缸同步。

5 结束语

活动桥在通航运河上应用的较多，国内已积累了较为成熟的建设经验，不过如何使液压活动桥顶升精准同步，其技术问题依然值得深入研究。基于PLC 的液压同步控制系统，西荆河船闸活动桥可以实现多液压缸负载不均衡同步升降，跟踪精度不大于1 mm，同时又能对顶升过程中开度、压力、故障等信息进行数据采集并反馈到人机界面，运行人员在集控室中便可对液压系统进行控制和监控，顺利完成桥梁的顶升，因此相关技术在桥梁同步顶升领域有较好的应用前景。