大跨度閘門雙液壓缸啟閉機的同步控制方法

王興隆，姚 麗，馮慶志，邢春雨

(豐滿發電廠，吉林吉林132108)

豐滿大壩位于吉林省第二松花江干流中游，總庫容110×108 m3，屬寒冷地區，冬夏極限溫差可達70℃。大壩溢洪道泄洪設備有11扇潛孔平面工作閘門，外形尺寸為13.40 m×6.50 m(寬×高)，設計水頭14 m，重71.65 t，屬大跨度鋼閘門。雙液壓缸驅動的閘門，常常由于雙缸偏載(包括閘門自重偏心)、外物卡組(包括摩擦阻力)、液壓系統管路不對稱、液壓系統內部缺陷等原因，使閘門兩端液壓缸活塞桿行程不能保持同步或同步偏差大，從而造成閘門兩端啟閉速度不同而傾斜，嚴重影響水閘的正常運行，甚至造成事故［1］?？梢姡l門雙液壓缸能否同步運行，是閘門自動控制的關鍵技術。液壓啟閉機除液壓站設備安裝在站房內，其他設備均布置在環境較為惡劣的室外露天環境，盡管閘門具有運行時數少、冬季不運行的特點，但仍要求閘門2個吊點同步精度起升。由于豐滿大壩溢流閘門露天工作環境較為惡劣，不僅濕度大、塵沙多，而且溫差大、受外界干擾大，對閘門同步控制設備影響也較大。本文介紹一種采用設備、油液等物理量相同設置的速度粗調和主油路電磁閥旁通泄油糾偏的位置精調同步控制方法，實現了閘門雙液壓缸啟閉機的同步閉環控制，同步控制精度較好，工作性能較為可靠。

1 同步控制

1.1 同步控制方法的確定

液壓啟閉機的同步控制，是指液壓系統通過采用同步控制回路來保證兩個或多個執行元件在運動中以相同或接近相同的位移或速度運動，也可以按一定的速比運動，也就是說各液壓缸的相對或相互位置在每一個瞬間應保持固定不變［2］。閘門雙液壓缸啟閉機的同步控制裝置一般由流速控制閥、壓力控制閥、橋式整流閥、泄油控制閥(或電液比例閥、伺服閥等)、開度檢測(反饋)裝置、輸油管路、PLC系統等組成?？v觀閘門雙液壓機的同步控制方法，主要有電磁換向閥旁通泄油糾偏方案、電液比例流量閥方案和電液伺服閥方案［3］。豐滿大壩溢流閘門的改造中，在兼顧可靠性和經濟性的基礎上，最終確定選用可靠性高、適應能力強、應用范圍廣泛的以液壓缸主油路電磁閥旁通泄油糾偏(位置精調)為主和以閥、管、油壓等同參數設置(速度粗調)為輔的同步控制策略。

1.2 同步控制的方法

豐滿大壩溢流閘門雙液壓缸啟閉機工作原理如圖1所示(液壓站部分未示)。啟門時，液壓站向主油管路供17.7 MPa的油液，電磁閥YV3.1得電，壓力油的一路經YV3.1直接控制打開缸旁閥組的液控單向閥，另一路經由壓力插件、方向插件、橋式整流閥、缸旁閥組進入有桿腔推動活塞起升閘門，同時無桿腔油液經回油減壓插件流回液壓站。落門時，液壓站向主油管路供給2.9 MPa的油液，電磁閥YV3.1、YV4.1得電，壓力油的一路經YV3.1打開缸旁閥組的液控單向閥，另一路經由壓力插件、方向插件、橋式整流閥、缸旁閥組進入有桿腔推動活塞，配合閘門自重落門，同時無桿腔油液經回油減壓插件流回液壓站。閘門左側較高時，泄油電磁閥YV5.1動作泄掉部分油液，待超差恢復到允許的范圍內時，電磁閥回到常位停止糾偏，反之亦然。1.2.1 速度同步(速度粗調)

閘門的起升是靠進出液壓缸的液壓油推動活塞桿來實現的，液壓缸有桿腔內油液的增量決定了活塞桿伸長速度，即閘門起升速度。而液壓缸活塞缸伸縮運行速度，主要受進出有桿腔油液的速度、流量和壓力等3個物理參數決定。雙液壓缸啟閉機的同步粗調，是通過硬件設備的同型對稱布設、同參數設定等方式，使決定活塞桿運行的流速、流量和壓力等3個物理參數相同或相近，實現雙液壓缸啟閉機的初步同步運行。具體方法是:在液壓缸管路配置方面，液壓缸一次油管路均采用同規格參數不銹鋼管和橡膠高壓軟管，使兩液壓缸一次油管路的過流斷面相等，這樣能保證進出兩液壓缸有桿腔的流量基本相同，從而實現兩液壓缸的同流量同步運行;在液壓缸液壓油流速控制方面，在進出兩液壓缸有桿腔的管路上各接入同規格、同參數設置的橋式整流板、調速閥，使進出兩有桿腔的流速基本相同，從而實現兩液壓缸的同速同步運行;在液壓缸液壓油壓力控制上，兩液壓缸取同油源(啟門為17.7 MPa、落門為2.9 MPa)，能夠保證來油同壓，使進入有桿腔油壓保持相等，從而實現兩液壓缸的同壓同步運行。總之，通過調控兩液壓缸有桿腔壓力油的流速、流量和壓力等3個物理參數，實現了雙液壓缸啟閉機運行的同步粗調，使閘門兩邊梁同步起升精度達2%～5%。

圖1 雙液壓缸液壓系統工作原理圖

1.2.2 位置同步(位置精調)

盡管速度粗調可以實現雙液壓缸啟閉機的粗略同步，但在實際運行中閘門仍存在一定程度的積累超差，當超差超出偏差極限允許值時即不能保證閘門的安全運行，因此閘門雙液壓缸啟閉機必須具有運行中的位置同步功能。在實際應用中雙液壓缸啟閉機還采取了有桿腔管路旁通泄油方案作為雙液壓缸的同步精調，實現兩液壓缸液壓桿伸長(閘門位置)“實時相同”。即在有桿腔進出油管路配置電磁換向閥旁通泄油，當兩缸的位置偏差沒有超過允許偏差值(10 mm)時，電磁閥閥芯不動作，有桿腔油路不泄油;當兩缸位置偏差超過10 mm時，則PLC控制位置較高液壓缸側電磁閥閥芯移位，暫時卸掉部分油量，使進入該液壓缸有桿腔的油量適當減少，降低該缸活塞桿伸長，縮小兩缸位置偏差，直至超差小于10 mm時，電磁閥閥芯回到常位。概括起來就是當閘門左右高度偏差大于某個允許數值的情況下自動啟動糾偏閥泄油，直到閘門開度偏差在正常范圍內停止泄油［4］。閘門邊梁位置偏差，由始點設置在閘門左右兩邊梁頂上的反饋鋼絲繩、編碼器等開度檢測裝置檢測，可消除液壓缸與閘門鉸接的間隙誤差?？梢?，整個同步控制系統可視為以位移量偏差為負反饋的閉環控制系統［5］，其旁路泄油糾偏控制原理如圖2所示。

圖2 雙液壓缸旁路泄油糾偏控制原理框圖

電磁閥的得失電受PLC接收的開度傳感器的檢測數據信息控制。反饋裝置為閘門左右兩邊梁頂各設置的一套開度檢測裝置，由反饋鋼絲繩、彈性卷揚筒、多轉編碼器和GP－1312絕對型通用閘門開度儀等組成。反饋鋼絲繩一端固結在閘門上，通過小卷筒卷放鋼絲繩來映射閘門的開度，編碼器采用ROQ425絕對型多轉編碼器，測量精度范圍可達0.01～1 cm，能即時將兩液壓缸的開度信號傳送給開度儀。該開度儀可根據工程需要自行設定控制參數，如閘門開度、起調超差、極限超差、預定開度等，并具有可4～20 mA的并行數據輸出和開關量輸出功能。雙液壓缸啟閉機同步精調受PLC控制，當兩液壓缸超差大于10 mm時，PLC控制相應的電磁閥得電泄油;當兩液壓缸的超差小于10 mm時，PLC控制電磁閥不得電不泄油;當兩液壓缸的超差大于30 mm時，PLC控制油泵停運。這樣，通過實施位置同步精調使閘門兩邊梁的同步精度控制在0.5%以內。

2 運行情況

豐滿大壩溢流閘門液壓啟閉機于2001年安裝完畢，在調試過程中，通過人為控制反饋鋼絲繩卷放來模擬設置超差故障，PLC控制裝置均自動控制停泵，鎖定閘門。閘門同步精度為0.15% ～0.46%(超差范圍10～30 mm)，能夠把兩液壓缸全行程高度偏差控制在不大于10 mm的范圍內，提高了設備的安全性和控制的可靠性。在投運后連續11a的汛前提門試驗運行中，閘門液壓缸同步糾偏控制系統均未出現閘門超差運行的故障，運行狀況良好，系統運行可靠性高，為防汛調度安全提供了硬件保證［5］。

2010年，在豐滿大壩連續33 d的泄洪中，溢流閘門雙液壓缸啟閉機較好地承擔起頻繁起升閘門89次的泄洪重任，未發生閘門超差運行的故障。這說明以速度粗調和位置精調相結合的同步控制方法能夠保證雙液壓缸啟閉機同步運行，能適應現場濕度大、灰塵多的較差環境，工作安全可靠。

3 結語

在水利工程中，通過采用以設備、油液等物理量相同設置(速度粗調)和液壓缸主油路電磁閥旁通泄油(位置精調)糾偏相結合的同步控制方法，較好地解決了大型閘門雙液壓缸啟閉機偏差不易可靠控制的難題。實際應用驗證，采取該方法，閘門同步控制精度符合運行要求，而且工作性能良好、故障率低，提高了系統運行可靠性。

［1］ 秦雅嵐．雙缸液壓啟閉機閘門糾偏控制的電氣實現［J］．人民長江，2009，40(2):86 －87．

［2］ 姜繼海，宋錦春，高常識．液壓與氣壓傳動［M］．北京:高等教育出版社，2002．

［3］ 陳文偉，卞建，孫美玲，等．蘇州河河口水閘液壓啟閉機設計與同步控制［J］．水利水電科技進展，2007，27(1):8 －10．

［4］ 孫乃清，宋長松．紹興湯浦水庫溢洪道閘門計算機監控系統改造［J］．水電自動化與大壩監測，2010，34(1):76 －78．

［5］ 馮劍濤，李忠學．可編程控制器在筒閥同步控制中的運用［J］．水電自動化與大壩監測，2002，26(4):37－40．