自糾偏液壓控制系統在西黑山排冰閘的應用

呂 睦，張希鵬，張超偉，曹瑞森

（南水北調中線干線工程建設管理局天津分局，天津300393）

1 工程概況

南水北調中線工程天津干線起點為西黑山分水口（位于保定市徐水區西黑山村西北），西黑山分水口屬于南水北調中線工程西黑山管理處轄段，工程總長度15.2 km，南水北調在這里被一分為二，一路繼續向北，向北京供水；另一條延南水北調中線天津干線，直至天津市外環河，全長155.352 km。

西黑山分水閘是天津干線的入口，也是天津干線唯一的節制閘，肩負著整個天津干線流量調節的重任，西黑山分水閘一旦出現故障，勢必會影響天津供水，尤其是進入冰期后，如遇冰凍災害，易在分水閘前產生冰塞，后果不堪設想。為保證西黑山分水閘的穩定運行，在西黑山分水閘上游右岸約50 m處設置排冰閘，在冰期輸水期間，一旦遇到冰凍災害，可開啟排冰閘將水面浮冰排入排冰池，最大限度的減少浮冰在分水閘前的淤積，減小搶險壓力。

西黑山排冰閘為單孔閘門，采用一扇平板工作閘門，閘門孔口尺寸為2.5 m×4 m，啟閉設備采用QPPY-2×100/2×50-2.6 m 型液壓啟閉機，平板工作閘門采用雙缸（固定式液壓缸）啟閉，液壓缸垂直布置在平板工作閘門兩側，在排冰操作時，液壓啟閉機雙缸同步運行，開啟平板閘門進行排冰。

2 液壓啟閉機控制原理

2.1 閘門開啟

空載啟動液壓泵電機組，延時10 s左右（液壓系統加載），電磁換向閥31 2 YV通電，壓力油經電磁換向閥31后（P口到A口）分兩路經比例流量閥32（旁路調速閥28關閉）、液控單向閥39后進入左右液壓缸有桿腔，在有桿腔壓力油的作用下，液壓缸活塞向上動作，使得液壓缸無桿腔油液經單向順序閥26、電磁換向閥31（B口到T口）流回油箱。當閘門開啟到設定的開度值時，PLC會發出指令將電磁換向閥31 2 YV斷電（斷電后電磁閥31將回到中位）、液壓泵電機組會按PLC指令卸載停泵，在失去壓力油的情況下液壓缸活塞停止動作，由于液控單向閥39的止回作用，將無桿腔的油液鎖定在固定狀態，從而使閘門開度穩定在設定值。

2.2 閘門關閉

空載啟動液壓泵電機組，延時10 s左右（液壓系統加載），電磁閥3 YV通電，壓力油由電磁閥31 P口到B口后分為兩路，其中一路壓力油（控制液）打開液控單向閥39，從而消除有桿腔油液的鎖定狀態，另一路壓力油經單向順序閥26進入無桿腔，在無桿腔壓力油的作用下，液壓缸活塞向下動作，使得液壓缸有桿腔油液經比例流量閥32（旁路調速閥28關閉）、電磁換向閥31（A口到T口）流回油箱。當閘門關閉到設定的開度值時，PLC會發出指令將電磁換向閥31 3 YV斷電（斷電后電磁閥31將回到中位）、液壓泵電機組卸載停泵，液壓泵停止運行后，液壓缸無桿腔失去壓力油，同時打開液控單向閥39的壓力油（控制液）被關閉，有桿腔的油液重新恢復鎖定狀態，從而使閘門開度穩定在設定值。

3 閘門啟閉速度調節

閘門的啟閉速度是通過液壓系統進行調節的，速度的快慢取決于進入液壓缸體壓力油的流量。西黑山排冰閘液壓系統配置了常規流量控制閥28和比例流量控制閥32這兩種控制閥來進行流量調節，這兩種閥均是通過調節閥芯開度來控制流量。

在手動操作閘門啟閉時，通過常規流量閥來控制閘門啟閉速度。將球閥34.1、34.2、34.5、34.6關閉，34.3、34.4、34.7、34.8打開，然后手動調整兩個常規流量閥28.1、28.2的開度，可在0～100%之間進行調整，其開度大小與閘門啟閉速度成正比。

在自動操作閘門啟閉時，通過雙比例流量閥來控制閘門啟閉速度。雙比例流量閥控制時，將球閥34.3、34.4、34.7、34.8 關閉，球閥 34.1、34.2、34.5、34.6打開，比例流量閥開度要在PLC程序中設置調節范圍，可在0%～100%之間進行設置，其開度大小與閘門啟閉速度成正比。

4 雙缸同步調節

4.1 雙缸不同步原因

在液壓啟閉機雙缸啟閉閘門時，雙缸運行是否同步是閘門啟閉的核心問題。雙缸不同步是指2個液壓缸動作過程中活塞桿伸縮量不一致或者超出伸縮量標準誤差范圍，導致閘門出現異響、卡阻、震動、水封受力不均勻致漏水甚至損壞，更有甚者出現啟閉機停止工作、閘門變形、油缸底座損壞等嚴重后果。

一般來說，雙缸運行不同步主要有以下幾個原因造成：

（1）兩側液壓缸所承受的外載荷不一樣。比如閘門啟閉過程中兩側導輪的摩擦力、水封摩擦阻力不同，導致兩側液壓缸動作不同步，阻力大的液壓缸位移量就會小一些。

（2）兩側液壓缸所承受的內載荷不一樣。比如每個液壓缸的活塞及其密封件與液壓缸桶之間、活塞桿與油缸端蓋密封之間的摩擦力不同，導致兩側液壓缸動作不同步。

（3）兩側液壓缸在使用時間較長后，活塞與液壓缸之間出現內泄漏導致兩側液壓缸動作不同步。

（4）兩側液壓缸輸油管路長度不同，液壓油在液壓管內的延程阻力也會不同，導致兩側液壓缸動作不同步。

（5）兩側液壓缸分別使用獨立的流量控制閥組，會出現進、回油流量的差別，從而影響兩側液壓缸的同步性。

4.2 雙缸不同步的糾偏

在系統運行過程中出現兩側液壓缸行程偏差時，就需要系統能夠調節兩側油缸有桿腔進回油流量，對出現的偏差進行糾正，實現兩側液壓缸同步運行。

手動操作啟閉閘門時，只能在運行過程中通過開度儀觀察兩側油缸的開度值，根據開度值的變化手動調節常規流量閥的開度，使兩側油缸的開度偏差值控制在合理范圍內。手動操作控制回路原理簡單，故障率低，能夠保證閘門操作的有效性，但控制精度較低，受操作人員技能水平影響大，所以一般情況下，閘門操作多采用自動操作模式，只有在自動操作系統出現故障需要應急處理時，才會采用手動操作模式。

自動操作啟閉閘門基本工作原理：液壓缸行程檢測系統全程連續檢測兩側液壓缸的開度值，并將兩側液壓缸開度值數據以模擬量的形式輸入PLC，PLC將模擬量數據換算并進行差值計算，當偏差值大于或等于PLC控制程序中設定的糾偏值時，PLC發出糾偏指令，比例流量閥開始糾偏，直至偏差值降至PLC控制程序中設定的值后停止糾偏。

通過雙比例流量閥來控制閘門啟閉時，當兩側液壓缸行程偏差值達到PLC控制程序中設定的糾偏值時，PLC會發出電信號至比例放大器，比例放大器將電信號比例變換后輸出至比例流量閥，其中一側比例流量閥開度保持不變，另一側比例流量閥開度減小或增加，調整液壓缸有桿腔進出油流量，直到兩側液壓缸的行程偏差值小于PLC控制程序中設定的值后停止糾偏。

自動操作模式下的糾偏方式，整個調節過程精度高、反應快、操作簡單，是閘門啟閉的主要操作方式，在自動操作過程中一旦控制程序或者比例流量閥出現異常且不能迅速排除故障時，要及時切換至手動操作模式下，完成閘門啟閉操作。

5 操作出現的問題及改造方案

5.1 操作出現的問題

在自動閉門操作時，出現了閘門全部關閉到位時（兩側液壓缸開度儀數據顯示為0）閘控系統依然處于未到位的狀態（閘控系統開度數據顯示為3～5 mm），閘控系統開度數據與開度儀開度數據不一致，液壓系統不能正常停止且仍然在執行閘門關閉操作，對液壓缸基礎造成沖擊。

原因分析：液壓缸行程檢測系統將檢測到的開度數據輸入開度儀，再由開度儀將此數據以模擬量的形式傳輸給PLC，PLC再將數據換算成開度值并以此為依據來控制整個液壓系統。由于模擬量數據傳輸的不確定性，在PLC換算出的開度值會出現一定的偏差，導致開度儀數據與閘控系統開度數據不一致。在實際運行過程中，當閘門關閉到0位后，開度儀顯示開度為0，閘控系統顯示開度為3～5 mm，由于液壓系統的控制是以閘控系統數據為基準的，所以閘門全部關閉到0位時閘控及液壓系統依然處于運行狀態。同理，在閘門閉門操作時，如果閘控系統開度數據領先于開度儀數據到0位，就會造成閘控及液壓系統停止運行，閘門卻未關閉到位。

5.2 改造方案

改造思路：用通信數據傳輸模式來替代模擬量數據傳輸模式，保證閘控系統與開度儀開度數據的一致性和真實性。

改造過程：將原來的老式開度儀更新為帶通信端口的新式開度儀，在PLC上新增RS485通信模塊，同時更新PLC的CPU（由BMXCPU2020-2.1版本升級為2.7版本），以保證新增RS485通信模塊能夠正常運行。最后對PLC控制程序中關于模擬量換算的程序段停止運行，并在PLC控制程序中插入通信數據傳輸程序段，實現用通信數據傳輸模式來代替模擬量數據傳輸模式（見圖1）。

改造效果：改造后，開度儀數據與閘控系統數據一致性良好，消除了改造前液壓系統不能正常停止的安全隱患；數據采集精度也有了較大提高，從而提升了比例閥的糾偏效率和糾偏有效性，在閘門運行過程中左右缸的偏差控制值（絕對值）由改造前的15 mm以內下降至現在的4 mm以內（見圖2），使得整個液壓系統在運行過程中更為平穩。

圖1 改造前后模塊變化

圖2 左右缸運行過程偏差控制折線圖

6 處理結果與討論

（1）除了通過雙比例流量閥調節對各液壓缸的進出流量動態糾偏調節外，也可通過旁路電磁換向閥泄油來進行動態糾偏調節，使液壓缸的啟閉行程能較精確達到同步。

（2）兩側液壓缸糾偏過程的本質就是平衡兩側液壓缸外載荷、保證閘門啟閉順暢的過程，為了進一步提高液壓系統糾偏效率、保證兩側液壓缸同步精度、使液壓系統糾偏過程更為順暢，可在液壓站主油路上并聯一組皮囊式蓄能器。蓄能器有儲存能量、穩定壓力、吸收液壓沖擊、減小液壓脈動、降低噪聲、減少電耗等功能，對液壓系統的穩定運行有積極作用。

7 結語

西黑山排冰閘液壓啟閉機中自糾偏液壓控制系統可實現兩側液壓缸的同步穩定運行。通過閘控系統升級改造，很好地解決了開度儀與閘控系統開度數據不一致的問題，保證了西黑山排冰閘的可靠運行，為南水北調工程天津干線冬季輸水運行保駕護航。