深圳福田河水闸自动化控制系统原理及性能改进的探讨

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 深圳福田河水闸自动化控制系统原 理及性能改进的探讨 摘要：根据该工程闸门启闭机液 压系统、电气设备的运行特点、比例阀 模拟量调节及电磁阀组联锁控制 中国论文网 /2/view-12911444.htm 要求，介绍了该工程液压设备自 动化控制的特点、存在问题及自动化控 制改进建议的探讨等。合理可靠 的自动化控制方案的成功应用不 仅可有效提升自动化控制水平，使水闸 平稳可靠地运行，大大减少设备 故障，降低操作人员的劳动强度， 保证及时有效地发挥河口水闸防洪排涝 的作用，对降低运行维护成本 起着非常重要的作用。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 关键词：PLC 可编程序控制器、 油缸传感器、状态信号、电气联锁、偏 差控制、比例阀调节、换向阀、电磁阀 组、水位。 1.深圳福田河水闸液压自动化控 制系统设备构成 深圳福田河水闸液压系统设备主 要有：手动现场控制柜、PLC 控制柜、 3 路供回油液压站、2 台油泵及电机、3 套水闸液压油缸及液压杆、3 个单向阀、 3 套比例调节阀、3 套油缸供回油换向 电磁阀组、2 个油泵出口换向电磁阀组、 1 个总油路压力变送器，液压站及手动 现场控制柜安装于管理房负一层设备间， PLC 控制柜及操作站安装于管理房控制 室。 1.1 液压系统主要液压设备 液压系统站液压主要设备有：液 压站油箱、轴向柱塞泵、一级过滤器、 二级过滤器、油泵出口换向阀组、油缸 供回油换向阀组、油缸供回油阀组、油 缸供回油单向阀、水闸油缸、供回油直 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 通截止阀。 1.2 液压系统主要控制设备及仪 表 液压系统主要自动化控制设备有： 手动现场控制柜、PLC 控制柜、电机、 差压发讯器、压力变送器、油泵出口换 向电磁阀、油缸供回油换向电磁阀、比 例调节阀、比例调节阀阀位发讯器、液 压杆位置传感器、比例阀控制器、电机 智能监控仪、双通道液压杆位置指示仪、 软启动器、喷水电磁阀等。 2. 液压系统的自动化控制 2.1 液压系统工作流程 电机启动后通过油泵产生持续高 压油，经过滤器、各电磁阀组、各油阀 组和高压油管输送至液压油缸受压油腔， 同时将油缸泄压油腔的油经换向阀回流 至液压站油箱，具体流程为：2 台油泵 一用一备，通过控制柜切换开关，开启 其中一台油泵，来自液压站油箱的油经 油泵产生高压油，通过一级过滤器、油 泵出口油循环关闭电磁阀组（电磁线包 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 得电关闭油循环；电磁线包失电，油在 油泵、一级过滤器、二级过滤器和油箱 之间循环） ，当泵出口油循环关闭时经 换向电磁阀组的高压油（换向电磁阀组 有 2 个电磁线包，即 A 电磁线包和 B 电磁线包，任何时刻 A 和 B 电磁线包 中只能有 1 个电磁线包得电，A 电磁线 包和 B 电磁线包均失电时，高压油经二 级过滤器到油箱）在 A 电磁线包得电时， 换向电磁阀组输出的油分二路，一路为 向油缸受压油腔供油，另一路从油缸泄 压油腔经油阀组、换向电磁阀组和二级 过滤器回流到油箱；在 B 电磁阀得电时， 换向电磁阀组输出的油路方向相反，即 在 A 电磁线包得电时的供油变成回油， 回油变成了供油，总之，每个换向阀输 出的 2 根油管内油的流动方向由换向阀 组上的 A 或 B 电磁线包的状态决定。 每个闸门有 2 个油阀组，其中一 个油阀组的供回油流量在调试时手动调 好后不再改变，另一个油阀组的供回油 流量由比例阀根据控制器输出的 0-10V -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 DC 信号进行调节。 2.2 液压系统油缸供回油路原理 2.2.1 液压油缸液压杆上升时的 供回油路 来自液压站的供油经单向阀流向 油缸下端进油口后进入油缸下油腔，液 压杆受液压作用力开始上升，同时将油 缸上油腔被压出的油经液压站回油阀组、 换向阀组和二级过滤器回流到液压站油 箱。 2.2.2 液压油缸液压杆下降时的供 回油路 来自液压站的供油经单向阀流向 油缸上端进油口进入油缸上油腔，在油 压、液压杆自重、闸门自重的作用下液 压杆下降，同时将油缸下油腔被压出的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 油经单向阀、液压站回油阀组、换向阀 组和回流到液压站油箱。 2.3 液压系统常见故障分析 液压系统故障常表现为以下几方 面原因： 1）由于供油回路油压很高，通 常在 15Mpa 左右，因此对各阀组接头 的密封性和承压能力有非常高的要求， 对油压参数控制不准易使阀组渗漏。 2）阀组密封圈老化未及时更换。 3）阀组油路通道较小，对油的 品质要求较高，因过滤器滤芯未及时清 洗更换使得油中进入了杂质，导致阀组 或油管堵塞，会造成液压系统的故障。 4）油缸油封老化或损坏。 5）六块压力表的引压管为塑料 管，材料易老化，接头承压能力差，不 易密封连接。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 6）油管接头形式不合理，易产 生渗漏，应采用耐高压的卡套式接头。 2.4 现场控制柜的手动控制原理 2.4.1 现场控制柜手动控制流程 控制柜手动自动开关切换至手 动，启动电机，通过软启动器进入暂态 运行，经延时运行且未发生电气故障时 软启动器旁路信号联锁控制接触器，电 机进入稳态运行，高压油经油泵和一级 过滤器、油泵出口油循环电磁阀组、二 级过滤器回流进油箱，并持续循环延时 运行一定时间后，启动油泵出口油循环 关闭电磁阀开关，电磁阀得电后 （DC24V）油泵出口油循环关闭,油进 入换向电磁阀组，当换向电磁阀组的 A 电磁线包得电，液压油经换向电磁阀组、 油阀组和单向阀向油缸下油腔供油，液 压杆上升，油缸上油腔被压出的油经油 阀组、换向电磁阀组和二级过滤器回流 到油箱；当换向电磁阀组的 B 电磁线包 得电，液压油经换向电磁阀组、油阀组 向油缸上油腔供油，液压杆下降，油缸 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 下油腔被压出的油经单向阀、油阀组、 换向电磁阀组和二级过滤器回流到油箱； 每个换向电磁阀组出来的供回油分别经 油阀组和比例阀同时作用于同一水闸的 2 个液压油缸，其中一个液压油缸供回 油流量已由油阀组预先调好，另一个液 压油缸供回油流量由比例阀调节，用以 控制 2 个液压杆的行程偏差。每个液压 油缸均安装了 1 个 4 线制的液压杆位置 传感器，电源电压为 DC24V,标准信号 420mA，通过手动控制盘面仪表显示 液压杆的行程位置，当偏差大于允许的 最大值时（通常为 2cm） ，根据指示仪 表手动调节控制器输出信号（0-10V DC）调节比例阀开度以消除 2 个液压 杆的行程偏差，当偏差小于允许的最大 值时，控制器输出信号保持不变,直到水 闸开或关到预定的位置时将换向阀开关 手动切换至停止位置，换向阀动作锁定 油路，使水闸保持在预定位置，此时换 向阀进油全部经二级过滤器回流到油箱， 手动控制结束。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 现场控制柜手动控制系统常见故 障分析 因手动控制精度不高，难以靠人 工模拟控制对象的实际调节特性，很难 把握信号电位器的调节，容易造成控制 系统振荡或失控，特别是进行全行程的 一次性全关或全开操作时，要将 2 个液 压杆的行程偏差调整到预定值非常困难， 最坏的情况下将造成闸门倾斜，液压杆 弯曲，甚至造成严重事故。 盘内安装的控制器为非标产品， 未做必要的 IP 防护等级设计，电路板 积灰严重，在空气潮湿的情况下，各电 子元件间的灰尘可形成新的电子回路， 从而改变电路板各信号点的电路参数， 造成信号易漂移或不稳定，对比例阀的 控制带来不利影响。 压力变送器没有发挥应有的电气 联锁控制作用，控制盘里没有安装压力 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 显示和报警联锁仪表，当发生油路堵塞 使得油压力超过规定值时，或油压过压 超过密封元件的承压值，不能联锁停机。 也易造成阀组密封件和油泵电机的损坏。 一级过滤器差压发讯器没有发挥 应有的电气联锁作用，在电机控制回路 里没有加入差压联锁控制信号，盘面也 没有差压报警指示，不能及时提醒操作 人员更换清洗滤芯，使液压油不能及时 去除杂质，造成油路堵塞，影响对水闸 的控制。 液压站运行了较长时间后，油箱 内会逐渐沉积一定量的杂质，在油泵启 动时因经一级过滤器和二级过滤器自循 环的时间不够，在电机控制回路里没有 设计延时运行时间设置，可能会将油箱 内残留杂质带入阀组引起油路不畅或堵 塞。 6）没有设计水闸全关或全开 的限位保护开关，在手动操作和自动故 障的情况下，必然导致液压杆受力弯曲 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 变形，连接法兰变形，甚至造成油缸及 基座脱落倾覆的严重事故。 7）液压杆位置传感器信号电缆 存在 2 处接头，接头处也未做防水处理， 一处位于电缆沟内，另一处在水闸油缸 基座露天平台上，当电缆沟内有积水或 水闸油缸基座上有积水时都会造成信号 干扰，使水闸控制难以正常调节。 没有设计液压杆位置传感器防水 端子接线箱，传感器引线与电缆进行简 单拧接存在以下 2 个问题： 线头之间接触不良，或改变信 号回路的阻抗，影响信号的正确传输。 在雨季受雨淋后，造成信号短 路，引起信号回路故障。 8）没有设计水闸现场事故急停 操作按钮，当现场人员发现水闸处于不 正常运行状态时，无法及时处置，不能 及时阻止或减少危害的发生。 9）没有设计水闸止水橡胶喷淋 水手动操作，特别是在进行调试或维修 期间，在电气联锁不正常时，强制进行 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 水闸手动操作易损坏水闸止水橡胶。 10）没有设计油箱液位开关，当 油箱漏油或油储量不足时，仍会使油泵 在不正常状态下运行。 11） 液压站油阀组设计的安装 位置不合理，当中间一个阀组需要检修 时，因没有可供工具操作的空间，就必 须拆卸两边的阀组，费时低效，同时给 不必拆卸的阀组带来因拆装造成的新漏 点。 12） 开闸和关闸的油压在控制 流程上未做区别，都保持在 15Mpa 左 右，没有相应的压力区别控制，事实上 关闸时液压杆的下降应主要依靠闸门自 重的来完成才是合理的，同时应只给予 仅起辅助启动作用的低油压。 3. 液压系统的 PLC 自动化控制 系统 3.1 双液压杆行程偏差的自动化 控制原理 为了克服手动控制难以做到对 水闸的 2 根液压杆精确的同步控制，为 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 实现在水闸全开或全关的过程中始终把 2 根液压杆的行程偏差控制在允许值范 围内，必须引入 PLC 自动控制系统， 该系统主要由三个功能块组成：水闸双 液压杆自动纠偏控制、水闸开到设定位 置的自动控制、水闸关到设定位置的自 动控制。 各功能块的控制原理详见下面 图示。 原理图一中： SP 为允许偏差设 定值，由计算机操作站根据工艺需要设 定；通常 SP = 0；H1 为 1#液压杆位置 信号，H2 为 2#液压杆位置信号， H=H1-H2 为实际偏差值； 水闸全开时， 开度指示为 100，对应的液压杆位置 信号为 20mA，水闸全关时，开度指示 为 0，对应的液压杆位置信号为 4mA。 在水闸开或关的过程中，设 H1 为基准值，H2 为可调节值，当给定值 SP = 0， H 的正负号即代表了正负偏 差，也同时确定了调节阀的正反作用方 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 向，即 PLC 根据 H 与 SP 的差、调节 特性确定的比例带系数和积分常数进行 比例积分运算，通过 AO 模块输出 DC 0-10V 调节信号给比例阀，比例阀按照 PLC 的信号做出精确的调节，消除 2 根 液压杆不同步的偏差，使 2 根液压杆运 动速率保持一致。这种调节是动态的， 是 PLC 基于反馈信号与给定值的差， 并经 PLC 根据调节对象的调节特性进 行的精确运算的调节过程。调节特性的 参数可通过自整定程序计算确定，首先 由 PLC 程序产生一个标准扰动信号， 经 PLC 对反馈信号的分析计算自动生 成调节特性的参数，确定最佳的调节参 数，这样便实现了精确的自动化控制。 3.2 水闸开到设定位置的自动化 控制原理 原理图二中：SP1 为要求水闸上 升打开的工艺设定值，可在计算机操作 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 站上根据需要进行设置，当水闸处于全 关或中间开启状态时，只要 SP1 大于水 闸当前的开度值，水闸便自动开到设定 值，PLC 控制输出信号为开关量，该信 号直接引入电机控制电路中。为防止水 闸开过头，应引入软停车控制，当水闸 开到接近设定值 SP1，即 SP1- H1 = a （a 由现场试验确定）时，PLC 给出信 号使变频器将油压减小，直到 SP1 - H1 = 0，此时换向阀动作锁定油路，水闸 保持在设定值，油泵出口的液压油经换 向阀和二级过滤器全部回流到油箱。 3.3 水闸关到设定位置的自动化 控制原理 原理图三中：SP2 为要求水闸下 降关闸的工艺设定值，可在计算机操作 站上根据需要进行设置，当水闸处于全 开或中间开启状态时，只要 SP 小于水 闸当前的开度值，水闸便自动关到设定 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 16 值，PLC 控制输出信号为开关量，该信 号直接引入电机控制电路中。为防止水 闸关过头，也应引入软停车控制，控制 原理与开水闸时的软停车控制相同，但 关闸到接近设定值时 H1-SP2 = b （b 由现场试验确定） ，因关闸有水闸和液 压杆的自重，所以关闸和开闸时的油压 是不同的，因此，a b 。 4.对本装置的改进建议 4.1 由于手动控制柜存在的一些 问题，建议将手动控制柜与 PLC 控制 柜合并为一个控制柜，仍安装于液压站 设备间，通过以太网与控制室网络交换 机进行计算机数据通讯，在盘面增加一 个液晶触摸屏，把盘面的所有操作按钮、 指示报警、工艺流程、闸门运行状态做 在液晶触摸屏组态画面中，菜单式操作， 这样可大大简化盘面复杂的操作元件， 简化操作程序。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 17 4.2 增加油压异常、油箱油位异 常、偏差过大且失控（在液压设备某些 环节故障时会发生该问题） 、过滤器堵 塞报警及联锁停机的功能；增加液压杆 位置传感器防水端子接线箱以消除信号 干扰；增加水闸极限位置限位联锁保护 开关。 4.3 液压站油阀组、油缸各密封 件及接头对油压的承受能力是有限的， 液压杆的动作应是平稳的，这就要求液 压油的压力必须是平稳的。另外，由于 关闸时可以依靠闸门的自重，故开闸油 压应比关闸油压要高。为此，应考虑引 入变频恒压及变压调节功能，用变频器 替代控制柜内的软启动器，选用自带 PID 调节功能的变频器。 4.4. 福田河水闸的主要功能有二 个， 操作人员根据河口潮汐情况进 行作业，在涨潮时关闭水闸，阻断潮水 进入内河；在低潮时开闸放水，进行内 河水体置换。 在汛期用于开闸泄洪。 这些操作完全可以通过在闸前闸后设置 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 18 的超声波液位计实现全过程的自动化控 制，从这方面看，目前本装置还不是真 正意义上的无人值守的自动化控制系统， 建议在闸前闸后设置的液位计，修改控 制程序可实现全自动控制。设内河水位 为 h1，外河水位（潮汐水位）为 h2， 水闸全自动控制原理如下: 1） 当水闸处于全关闭状态时， PLC 分别接收到内河水位 h1 对应的超 声波液位计信号和外河水位 h2 对应的 超声波液位计信号，h1- h2 K 时, 且 h2 为下降趋势，PLC 输出开闸信号进 行开闸控制，水闸全开后延时 T 分钟 后进行自动关闸操作，即经过时间 T 后，h2 为曲线最低谷值时，且 h1- h2 = 0，则自动关闸。闸前闸后水位变化趋 势图如下（数据曲线来源于深圳市新洲 河水闸运行监控系统）： 2） 上