王興隆，姚 麗，馮慶志，邢春雨

(豐滿發(fā)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(qū)，冬夏極限溫差可達(dá)70℃。大壩溢洪道泄洪設(shè)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(shè)計(jì)水頭14 m，重71.65 t，屬大跨度鋼閘門。雙液壓缸驅(qū)動(dòng)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(tǒng)管路不對(duì)稱、液壓系統(tǒng)內(nèi)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(yán)重影響水閘的正常運(yùn)行，甚至造成事故［1］。可見，閘門雙液壓缸能否同步運(yùn)行，是閘門自動(dòng)控制的關(guān)鍵技術(shù)。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)除液壓站設(shè)備安裝在站房?jī)?nèi)，其他設(shè)備均布置在環(huán)境較為惡劣的室外露天環(huán)境，盡管閘門具有運(yùn)行時(shí)數(shù)少、冬季不運(yùn)行的特點(diǎn)，但仍要求閘門2個(gè)吊點(diǎn)同步精度起升。由于豐滿大壩溢流閘門露天工作環(huán)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(duì)閘門同步控制設(shè)備影響也較大。本文介紹一種采用設(shè)備、油液等物理量相同設(shè)置的速度粗調(diào)和主油路電磁閥旁通泄油糾偏的位置精調(diào)同步控制方法，實(shí)現(xiàn)了閘門雙液壓缸啟閉機(jī)的同步閉環(huán)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?jiǎn)㈤]機(jī)的同步控制，是指液壓系統(tǒng)通過采用同步控制回路來保證兩個(gè)或多個(gè)執(zhí)行元件在運(yùn)動(dòng)中以相同或接近相同的位移或速度運(yùn)動(dòng)，也可以按一定的速比運(yùn)動(dòng)，也就是說各液壓缸的相對(duì)或相互位置在每一個(gè)瞬間應(yīng)保持固定不變［2］。閘門雙液壓缸啟閉機(jī)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(cè)(反饋)裝置、輸油管路、PLC系統(tǒng)等組成。縱觀閘門雙液壓機(jī)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(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，最終確定選用可靠性高、適應(yīng)能力強(qiáng)、應(yīng)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(diào))為主和以閥、管、油壓等同參數(shù)設(shè)置(速度粗調(diào))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(jī)工作原理如圖1所示(液壓站部分未示)。啟門時(shí)，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(jīng)YV3.1直接控制打開缸旁閥組的液控單向閥，另一路經(jīng)由壓力插件、方向插件、橋式整流閥、缸旁閥組進(jìn)入有桿腔推動(dòng)活塞起升閘門，同時(shí)無桿腔油液經(jīng)回油減壓插件流回液壓站。落門時(shí)，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(jīng)YV3.1打開缸旁閥組的液控單向閥，另一路經(jīng)由壓力插件、方向插件、橋式整流閥、缸旁閥組進(jìn)入有桿腔推動(dòng)活塞，配合閘門自重落門，同時(shí)無桿腔油液經(jīng)回油減壓插件流回液壓站。閘門左側(cè)較高時(shí)，泄油電磁閥YV5.1動(dòng)作泄掉部分油液，待超差恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)時(shí)，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(diào))

閘門的起升是靠進(jìn)出液壓缸的液壓油推動(dòng)活塞桿來實(shí)現(xiàn)的，液壓缸有桿腔內(nèi)油液的增量決定了活塞桿伸長(zhǎng)速度，即閘門起升速度。而液壓缸活塞缸伸縮運(yùn)行速度，主要受進(jìn)出有桿腔油液的速度、流量和壓力等3個(gè)物理參數(shù)決定。雙液壓缸啟閉機(jī)的同步粗調(diào)，是通過硬件設(shè)備的同型對(duì)稱布設(shè)、同參數(shù)設(shè)定等方式，使決定活塞桿運(yùn)行的流速、流量和壓力等3個(gè)物理參數(shù)相同或相近，實(shí)現(xiàn)雙液壓缸啟閉機(jī)的初步同步運(yùn)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(guī)格參數(shù)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(jìn)出兩液壓缸有桿腔的流量基本相同，從而實(shí)現(xiàn)兩液壓缸的同流量同步運(yùn)行;在液壓缸液壓油流速控制方面，在進(jìn)出兩液壓缸有桿腔的管路上各接入同規(guī)格、同參數(shù)設(shè)置的橋式整流板、調(diào)速閥，使進(jìn)出兩有桿腔的流速基本相同，從而實(shí)現(xiàn)兩液壓缸的同速同步運(yùn)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(jìn)入有桿腔油壓保持相等，從而實(shí)現(xiàn)兩液壓缸的同壓同步運(yùn)行。總之，通過調(diào)控兩液壓缸有桿腔壓力油的流速、流量和壓力等3個(gè)物理參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了雙液壓缸啟閉機(jī)運(yùn)行的同步粗調(diào)，使閘門兩邊梁同步起升精度達(dá)2%～5%。

圖1 雙液壓缸液壓系統(tǒng)工作原理圖

1.2.2 位置同步(位置精調(diào))

盡管速度粗調(diào)可以實(shí)現(xiàn)雙液壓缸啟閉機(jī)的粗略同步，但在實(shí)際運(yùn)行中閘門仍存在一定程度的積累超差，當(dāng)超差超出偏差極限允許值時(shí)即不能保證閘門的安全運(yùn)行，因此閘門雙液壓缸啟閉機(jī)必須具有運(yùn)行中的位置同步功能。在實(shí)際應(yīng)用中雙液壓缸啟閉機(jī)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(diào)，實(shí)現(xiàn)兩液壓缸液壓桿伸長(zhǎng)(閘門位置)“實(shí)時(shí)相同”。即在有桿腔進(jìn)出油管路配置電磁換向閥旁通泄油，當(dāng)兩缸的位置偏差沒有超過允許偏差值(10 mm)時(shí)，電磁閥閥芯不動(dòng)作，有桿腔油路不泄油;當(dāng)兩缸位置偏差超過10 mm時(shí)，則PLC控制位置較高液壓缸側(cè)電磁閥閥芯移位，暫時(shí)卸掉部分油量，使進(jìn)入該液壓缸有桿腔的油量適當(dāng)減少，降低該缸活塞桿伸長(zhǎng)，縮小兩缸位置偏差，直至超差小于10 mm時(shí)，電磁閥閥芯回到常位。概括起來就是當(dāng)閘門左右高度偏差大于某個(gè)允許數(shù)值的情況下自動(dòng)啟動(dòng)糾偏閥泄油，直到閘門開度偏差在正常范圍內(nèi)停止泄油［4］。閘門邊梁位置偏差，由始點(diǎn)設(shè)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(cè)裝置檢測(cè)，可消除液壓缸與閘門鉸接的間隙誤差?？梢?，整個(gè)同步控制系統(tǒng)可視為以位移量偏差為負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)［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(cè)數(shù)據(jù)信息控制。反饋裝置為閘門左右兩邊梁頂各設(shè)置的一套開度檢測(cè)裝置，由反饋鋼絲繩、彈性卷揚(yáng)筒、多轉(zhuǎn)編碼器和GP－1312絕對(duì)型通用閘門開度儀等組成。反饋鋼絲繩一端固結(jié)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(duì)型多轉(zhuǎn)編碼器，測(cè)量精度范圍可達(dá)0.01～1 cm，能即時(shí)將兩液壓缸的開度信號(hào)傳送給開度儀。該開度儀可根據(jù)工程需要自行設(shè)定控制參數(shù)，如閘門開度、起調(diào)超差、極限超差、預(yù)定開度等，并具有可4～20 mA的并行數(shù)據(jù)輸出和開關(guān)量輸出功能。雙液壓缸啟閉機(jī)同步精調(diào)受PLC控制，當(dāng)兩液壓缸超差大于10 mm時(shí)，PLC控制相應(yīng)的電磁閥得電泄油;當(dāng)兩液壓缸的超差小于10 mm時(shí)，PLC控制電磁閥不得電不泄油;當(dāng)兩液壓缸的超差大于30 mm時(shí)，PLC控制油泵停運(yùn)。這樣，通過實(shí)施位置同步精調(diào)使閘門兩邊梁的同步精度控制在0.5%以內(nèi)。

2 運(yùn)行情況

豐滿大壩溢流閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)于2001年安裝完畢，在調(diào)試過程中，通過人為控制反饋鋼絲繩卷放來模擬設(shè)置超差故障，PLC控制裝置均自動(dòng)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(nèi)，提高了設(shè)備的安全性和控制的可靠性。在投運(yùn)后連續(xù)11a的汛前提門試驗(yàn)運(yùn)行中，閘門液壓缸同步糾偏控制系統(tǒng)均未出現(xiàn)閘門超差運(yùn)行的故障，運(yùn)行狀況良好，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性高，為防汛調(diào)度安全提供了硬件保證［5］。

2010年，在豐滿大壩連續(xù)33 d的泄洪中，溢流閘門雙液壓缸啟閉機(jī)較好地承擔(dān)起頻繁起升閘門89次的泄洪重任，未發(fā)生閘門超差運(yùn)行的故障。這說明以速度粗調(diào)和位置精調(diào)相結(jié)合的同步控制方法能夠保證雙液壓缸啟閉機(jī)同步運(yùn)行，能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)濕度大、灰塵多的較差環(huán)境，工作安全可靠。

3 結(jié)語

在水利工程中，通過采用以設(shè)備、油液等物理量相同設(shè)置(速度粗調(diào))和液壓缸主油路電磁閥旁通泄油(位置精調(diào))糾偏相結(jié)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(jī)偏差不易可靠控制的難題。實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，采取該方法，閘門同步控制精度符合運(yùn)行要求，而且工作性能良好、故障率低，提高了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

［1］ 秦雅嵐．雙缸液壓?jiǎn)㈤]機(jī)閘門糾偏控制的電氣實(shí)現(xiàn)［J］．人民長(zhǎng)江，2009，40(2):86 －87．

［2］ 姜繼海，宋錦春，高常識(shí)．液壓與氣壓傳動(dòng)［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?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)計(jì)與同步控制［J］．水利水電科技進(jìn)展，2007，27(1):8 －10．

［4］ 孫乃清，宋長(zhǎng)松．紹興湯浦水庫溢洪道閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造［J］．水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2010，34(1):76 －78．

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