CN107450462A - 一种人字闸门关终对位控制方法 - Google Patents

Abstract

一种人字闸门关终对位控制方法，安装在两扇人字闸门上的门缝检测装置，自动采集人字闸门闭合运行关终对位的实时门缝状态检测数据，实时门缝状态检测数据作为反馈信息通过数据线传输到船闸PLC控制系统，PLC控制器采用控制算法编制运算程序，将该实时门缝状态检测数据与门缝目标值数据比较，并将比较后所得的误差数据转化为两扇人字闸门分别距关终门缝目标值时的转角误差，根据该转角误差和该人字闸门启闭机构运动关系控制算法，PLC控制器运算获得驱动机构驱动人字闸门闭合运行关终对位停机前的剩余驱动时间。本发明控制方法形成闭环控制回路，实现对人字闸门关终对位门缝目标值的直接实时控制，达到人字闸门闭合运行关终对位精准度持续稳定。

Description

一种人字闸门关终对位控制方法

技术领域

本发明涉及船闸设备自动化运行控制领域，具体是一种人字闸门关终对位控制方法。

背景技术

在船闸领域，为了避免两扇人字闸门闭合运行关终对位时对人字门造成撞击故障，普遍采取的控制方案是控制两扇人字闸门闭合运行到一定的门缝目标值时停机，由充、泄水压力推动两扇闸门合拢。目前公知的控制方法一般是由船闸控制系统通过安装在闸门门枢附近的关终限位开关或关终限位开关附加关终延时时间，来完成对闸门关终对位门缝目标值的控制。这种方式实际上是对闸门关终对位门缝目标值的间接控制。一方面，闸门关终对位门缝目标值控制的精度与稳定性难以满足技术要求；另一方面，调整闸门关终对位门缝又相当困难和费时。对船闸行业来说：这是一个多年来持续影响船闸运行安全和通航效率的设备控制关键技术问题。

发明内容

为了克服现有船闸控制技术中，难以实现人字闸门闭合运行关终对位精准度的持续稳定性问题。本发明提供一种人字闸门关终对位控制方法，用安装在人字闸门上闸门关终对位处的对位检测装置，自动采集的人字闸门闭合运行关终对位实时数据。本发明的控制方法和船闸PLC设备控制系统形成闭环控制回路，实现对人字闸门关终对位门缝目标值的直接实时控制，达到人字闸门闭合运行关终对位精准度持续稳定，不受水工建筑、水位、温度、负载、闸门结构变形等诸多随机性变化因素影响的要求。

本发明采取的技术方案为：

一种人字闸门关终对位控制方法，安装在两扇人字闸门上的门缝检测装置，自动采集人字闸门闭合运行关终对位的实时门缝状态检测数据，实时门缝状态检测数据作为反馈信息通过数据线传输到船闸PLC控制系统，PLC控制器采用控制算法编制运算程序，将该实时门缝状态检测数据与门缝目标值数据比较，并将比较后所得到的误差数据转化为两扇人字闸门分别距关终门缝目标值时的转角误差，根据该转角误差和该人字闸门启闭机构运动关系控制算法，PLC控制器运算获得驱动机构(电动机或者油泵、油缸等)驱动人字闸门闭合运行关终对位停机前的剩余驱动时间。

一种人字闸门关终对位控制方法，PLC控制器内部设置专用剩余驱动时间定时器，用于承接剩余驱动时间数据，分别对左、右闸门剩余驱动时间计时，控制左、右闸门驱动机构停机。

一种人字闸门关终对位控制方法，设定循环迭代“比较时间常数”，剩余驱动时间如果大于该设定“比较时间常数”，一般可设定为大于等于四倍PLC程序扫描周期时间，则循环进行上述工作，直到剩余驱动时间小于该设定“比较时间常数”为止；

一种人字闸门关终对位控制方法，设置系统误差“校准时间常数”，弥补单纯用理论计算剩余驱动时间控制闸门停机的不足，理论计算剩余驱动时间加上系统误差“校准时间常数”作为专用剩余驱动时间定时器的设定值，计时时间到，PLC控制器控制驱动机构立即停机，从而精准获得两扇人字闸门闭合运行关终门缝目标值。

一种人字闸门关终对位控制方法，现有的船闸PLC控制系统中，闸门闭合运行关终对位的关终限位开关，作为后备控制方式予以保留；当船闸运行时，如果PLC控制器无法获取人字闸门闭合运行关终对位时的门缝状态检测反馈信息，则该关终限位开关自动发挥后备控制闸门关终对位停机的作用，确保人字闸门闭合运行关终对位时，不发生撞击故障。

一种人字闸门关终对位控制方法，关终门缝目标值，包括门缝间距目标值、门缝错位目标值，可作为初始值；根据人字闸门关终对位实际运行状况，在船闸设备处于待机状态时，随时按技术要求人工修改、调整。

一种人字闸门关终对位控制方法，将两扇人字闸门闭合运行关终对位的实时门缝值与门缝目标值比较的二维直线误差，换算为两扇人字闸门分别运转到关终门缝目标值时的转角误差。

一种人字闸门关终对位控制系统，包括：

安装在左人字闸门上的门缝检测传感器，用于采集人字闸门闭合运行关终对位实时门缝数据，该数据作为闸门闭合运行门缝状态检测反馈信息，通过数据线传输到船闸PLC控制系统；

安装在右人字闸门上的标靶；

门缝检测传感器连接PLC控制器，PLC控制器分别连接左闸门驱动机构、右闸门驱动机构；PLC控制器分别连接工控上位机、触摸屏。

门缝检测传感器自动采集的人字闸门闭合运行关终对位门缝状态实时数据，作为PLC控制器分别控制左闸门驱动机构、右闸门驱动机构驱动左人字闸门、右人字闸门关终对位停机控制的反馈信息，PLC控制器根据控制算法，将该门缝状态检测反馈信息换算为两扇人字闸门分别距关终门缝目标值的转角差，PLC控制器根据两扇人字闸门分别距关终门缝目标值的转角差，计算驱动机构驱动左、右人字闸门各自关终对位前的剩余驱动时间，PLC控制器内部设置左、右闸门专用剩余驱动时间定时器，分别控制左、右人字闸门驱动机构停机。

本发明一种人字闸门关终对位控制方法，技术效果如下：

采用人字闸门闭合运行关终对位时的门缝状态实时检测数据与本发明控制算法，对两扇人字闸门关终对位门缝目标值进行直接控制，替代船闸行业公知的普遍采取的用关终限位开关对两扇人字闸门闭合运行关终对位门缝目标值的间接控制。本发明控制方案巧妙地回避了前述的水工建筑、水位、温度、负载、闸门结构变形等诸多因素变化对人字闸门关终对位门缝目标值控制精准度的不利影响，大大提高了人字闸门关终对位门缝目标值控制的精度与稳定性，从而实现了提高船闸设备系统运行安全和通航效率的目的。本发明对人字闸门关终对位门缝目标值的控制精准度主要受门缝检测装置对门缝状态实时检测数据误差的影响。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明的电控系统框图。

图3为本发明的方案流程图。

其中：1-标靶，2-门缝检测传感器，3-右闸门驱动机构，4-左闸门驱动机构，5-右人字闸门，6-左人字闸门，7-右人字闸门顶底枢旋转中心，8-左人字闸门顶底枢旋转中心，9-PLC控制器，10-工控上位机，11-触摸屏。

图4为本发明的人字闸关终门缝变化状态分析示意图。

图5为本发明的人字闸门四连杆机构运动分析图。

图6为本发明的人字闸门关终处局部图。

具体实施方式

如图1所示，一种人字闸门关终对位控制系统，包括：安装在左人字闸门6上的门缝检测传感器2，用于采集人字闸门闭合运行关终对位实时门缝数据，该数据作为闸门闭合运行门缝状态检测反馈信息，通过数据线传输到船闸PLC控制系统。

门缝检测传感器2采用模拟量光电传感器如：CANKEY公司的PH50A-220系列；P+F公司的VDM18～300等。

传感器工作特性：

检测范围：80mm～300mm

工作环境温度：-10℃～+60℃

模拟量输出：4mA～20mA

精度：检测范围的0.1％

工作电压：直流18V～30V

防护等级：IP67。

安装在右人字闸门5上的标靶1，标靶1承受并反射光电传感器发射的激光，标靶1和门缝检测传感器2共同组成人字闸门门缝检测装置，即将人字闸门门缝状况(间距与错位状况)转化为光电传感器与标靶之间的状况。

门缝检测传感器2连接PLC控制器9，PLC控制器9分别连接左闸门驱动机构4、右闸门驱动机构3；PLC控制器9分别连接工控上位机10、触摸屏11。

门缝检测传感器2自动采集的人字闸门闭合运行关终对位门缝状态实时数据，作为PLC控制器9分别控制左闸门驱动机构4、右闸门驱动机构3驱动左人字闸门6、右人字闸门5关终对位停机控制的反馈信息，PLC控制器9根据控制算法，将该门缝状态检测反馈信息换算为两扇人字闸门分别距关终门缝目标值的转角差，PLC控制器9根据两扇人字闸门分别距关终门缝目标值的转角差，计算驱动机构驱动左、右人字闸门各自关终对位前的剩余驱动时间，PLC控制器9内部设置左、右闸门专用剩余驱动时间定时器，分别控制左、右人字闸门驱动机构停机。

一种人字闸门关终对位控制方法，安装在两扇人字闸门上的门缝检测装置，自动采集人字闸门闭合运行关终对位的实时门缝状态检测数据，实时门缝状态检测数据作为反馈信息通过数据线传输到船闸PLC控制系统，PLC控制器9采用控制算法编制运算程序，将该实时门缝状态检测数据与门缝目标值数据比较，并将比较后所得的误差数据转化为两扇人字闸门分别距关终门缝目标值时的转角误差，根据该转角误差和该人字闸门启闭机构运动关系控制算法，PLC控制器9运算获得驱动机构(电动机或者油泵、油缸等)，驱动人字闸门闭合运行关终对位停机前的剩余驱动时间。

如图2-图3所示，本发明方法包括：

1：根据门缝状态检测反馈信息，PLC控制器9采用控制算法，将该门缝状态检测反馈信息换算为两扇人字闸门分别距关终门缝目标值的运转角度误差。关终门缝目标值是人字闸门关终对位控制的技术要求，根据人字闸门闭合运行关终对位时的实际状况，本发明可将关终门缝目标值作为初始值按要求进行设置、修改。

2：根据两扇人字闸门分别距关终门缝目标值的转角误差，PLC控制器9通过该人字闸门启闭机构运动关系，控制算法分别计算左、右闸门驱动机构(电动机或者油泵、油缸等)在两扇人字闸门闭合运行关终对位停机前的剩余驱动时间。PLC控制器9内部设置专用左、右闸门剩余驱动时间定时器，用于接收该剩余驱动时间，分别控制左、右闸门驱动机构停机。

3：为了减小理论模型分析数据与实际人字闸门启闭机构运行数据之间的误差，设置系统误差“校准时间常数”。理论计算剩余驱动时间加上系统误差“校准时间常数”作为前述专用剩余驱动时间定时器的计时长度。

4：为了提高本发明的控制精度，设置循环迭代“比较时间常数”。该“比较时间常数”一般可设定为大于等于四倍PLC程序扫描周期时间，增大“比较时间常数”，则减少PLC程序循环迭代次数，反之则增大PLC程序循环迭代次数。理论计算剩余驱动时间如果大于“比较时间常数”，则对剩余驱动时间进行循环迭代计算，逐步缩减剩余驱动时间，提高门缝控制精准度，否则退出循环，启动剩余驱动时间定时器计时。左、右闸门剩余驱动时间定时器计时时间到，PLC控制器9分别控制左、右闸门驱动机构立即停机，从而精准获得两扇人字闸门闭合运行关终对位时的关终门缝目标值。

实施例：

(一)：人字闸门闭合关终对位控制运动数学模型：

由图4可知门缝间距值＝M_f，门缝错位值＝M_c及各关系夹角，如图4所示。

设：左闸门距合拢点的水平间距＝Δx_左，左闸门距合拢点的垂直间距＝Δy_左；

右闸门距合拢点的水平间距＝Δx_右，右闸门距合拢点的垂直间距＝Δy_右。

根据图4可求得人字闸门关终门缝运动数学模型为：

解此方程组得：

其中：α_左＝α₀+△α_左，α_右＝α₀+△α_右；

由图4和公式(1)中各变量的物理含义可知：

本发明中：M_f≥0，左闸门超前时M_c＞0，右闸门超前时M_c＜0，公式(1)中右侧正、负号的取舍由左侧的取值范围始终大于零、小于1决定；后续公式中正、负号的取舍原理相同，不再赘述。

公式(1)表达了人字闸门“门缝”与闸门运转角度之间的量化关系，如果已知门缝检测值，由公式(1)即可求得人字闸门距离合拢位的转角Δα_左，Δα_右。

(二)：人字闸门普遍采用的闭合关终对位控制模式：

船闸人字闸门属于大型水工金属结构，为了避免两扇人字闸门闭合运行直接控制合拢时造成撞击事故，船闸行业普遍采用的做法是：实际控制两扇人字闸门闭合运行至一定的“门缝”目标值时停机，俗称“关终”，然后转入下一工艺流程充或则泄水程序，由水压力推动两扇闸门运转“合拢”挡水。人字闸门各角度位置关系如图4所示：

设“关终”时的两扇人字闸门初始门缝间距值为M_fo、门缝错位值为M_co，此时左、右人字闸门与闸室横轴线的夹角分别为α_左o、α_右o，距合拢位的初始转角分别为Δα_左o，Δα_右o。则由门缝动态检测值可求得左、右人字闸门距关终停机位的转角分别为：Δα_左－Δα_左o，Δα_右－Δα_右o。

人字闸门四连杆机构启闭机运动分析如图5、图6所示：

根据图5、图6得各构件位置的约束方程组为：

令：d＝2l₁l₃sinθ₃，e＝2(l₁l₄+l₁l₃cosθ₃)，

得：

(三)：程序算法公式：

人字闸门闭合运行前根据要求设置两扇人字闸门闭合运行关终对位初始“门缝”目标值为：门缝间距值M_fo、门缝错位值M_co。根据船闸人字闸门闭合运行关终对位控制要求，“门缝”目标值一般为：M_fo＝10mm～20mm，M_co＝0mm。因此，初次设置时可取M_fo＝15mm，M_co＝0mm，根据闸门实际运行状况可再人为调整该初始设置值。

船闸PLC控制系统根据船闸人字门合拢对位检测装置输入的“门缝”动态检测值M_f、M_c，由以下算法控制闸门闭合运行关终对位，算法如下：

3.1根据设置的M_fo、M_co初始值，计算启闭机相关构件初始角度值(初始化)：

①、计算α_左o、α_右o、Δα_左o、Δα_右o

令：

得：

α_左0＝arcsinα_左0，α_右0＝arcsinα_右0；

△α_左0＝α_左0-α₀，△α_右0＝α_右0-α₀；

②、计算θ_3左0、θ_3右0

已知：θ₃＝α+k，k——常数角度。

得：θ_3左0＝α_左0+k，θ_3右0＝α_右0+k；

③、计算θ_1左0、θ_1右0

左闸门：

令：d＝2l₁l₃sinθ_3左0，e＝2(l₁l₄+l₁l₃cosθ_3左0)，

得：

右闸门：

令：d＝2l₁l₃sinθ_3右0，e＝2(l₁l₄+l₁l₃cosθ_3右0)，

得：

3.2根据“门缝”动态检测值M_f、M_c，计算左、右人字闸门启闭机相关构件转角：

①：计算α_左、α_右、Δα_左、Δα_右、Δα_左－Δα_左o、Δα_右－Δα_右o。

令：

得：

α_左＝arcsinα_左，α_右＝arcsinα_右；

△α_左＝α_左-α₀，△α_右＝α_右-α₀；

Δα_左-Δα_左0＝α_左-α_左0，Δα_右-Δα_右0＝α_右-α_右0

②：计算θ_3左、θ_3右、Δθ_3左、Δθ_3右。

根据图5、6计算左、右人字闸门α角与θ₃角之间的量化关系。

已知：θ₃＝α+k，θ_3左0＝α_左0+k，θ_3右0＝α_右0+k，k——常数角度。

得：θ_3左＝α_左+k，θ_3右＝α_右+k

Δθ_3左＝θ_3左－θ_3左0＝α_左－α_左0＝Δα_左，

Δθ_3右＝θ_3右－θ_3右0＝α_右－α_右0＝Δα_右。

③：计算θ_1左、θ_1右、Δθ_1左、Δθ_1右。

左闸门：

令：d＝2l₁l₃sinθ_3左，e＝2(l₁l₄+l₁l₃cosθ_3左)，

得：

右闸门：

令：d＝2l₁l₃sinθ_3右0，e＝2(l₁l₄+l₁l₃cosθ_3右0)，

得：

④：根据速比公式计算驱动件转动角度：

根据传动比的含义，设电动机的转速为n_电，曲柄的对应转速为n_曲，得启闭机减速机构传动比公式为：

n_电＝i₁i₂i₃＝i_Σn_曲

设曲柄转动的转角为△θ₁时，电动机对应转动的转角则为△θ_电，得：

△θ_电＝i_Σ△θ₁

其中：△θ₁＝θ₁－θ_1初，θ_1初——曲柄与机架的初始夹角，θ₁——曲柄与机架特定方向的动态夹角，i_Σ——机构总传动比。

左闸门：

△θ_电左＝i_Σ△θ_1左

右闸门：

△θ_电右＝i_Σ△θ_1右

3.3：计算左、右闸门驱动电动机距关终对位停机剩余工作时间t_剩左、t_剩右：

设：电动机合拢转速为n_电合(假设已知)，对应转动角度为△θ_电，剩余工作时间为t_剩，单位分别为：r.min^-1、(°)度、s。

则根据转速物理含义及量纲得：

剩余工作时间t_剩左、t_剩右为：

左闸门：

右闸门：

Claims (9)

1.一种人字闸门关终对位控制方法，其特征在于：安装在两扇人字闸门上的门缝检测装置，自动采集人字闸门闭合运行关终对位的实时门缝状态检测数据，实时门缝状态检测数据作为反馈信息通过传输到船闸PLC控制系统，PLC控制器（9）采用控制算法编制运算程序，将该实时门缝状态检测数据与门缝目标值数据比较，并将比较后所得的误差数据转化为两扇人字闸门分别距关终门缝目标值时的转角误差，根据该转角误差和该人字闸门启闭机构运动关系控制算法，PLC控制器（9）运算获得驱动机构驱动人字闸门闭合运行关终对位停机前的剩余驱动时间。

2.根据权利要求1所述一种人字闸门关终对位控制方法，其特征在于：PLC控制器（9）内部设置专用剩余驱动时间定时器，用于承接剩余驱动时间数据，分别对左、右闸门剩余驱动时间计时，控制左、右闸门驱动机构停机。

3.根据权利要求1所述一种人字闸门关终对位控制方法，其特征在于：设定循环迭代“比较时间常数”，剩余驱动时间如果大于该设定“比较时间常数”，一般可设定为大于等于四倍PLC程序扫描周期时间，则循环进行上述工作，直到剩余驱动时间小于该设定“比较时间常数”为止。

4.根据权利要求1所述一种人字闸门关终对位控制方法，其特征在于：设置系统误差“校准时间常数”，理论计算剩余驱动时间加上系统误差“校准时间常数”作为专用剩余驱动时间定时器的设定值，计时时间到，PLC控制器（9）控制驱动机构立即停机。

5.根据权利要求1所述一种人字闸门关终对位控制方法，其特征在于：现有的船闸PLC控制系统中，闸门闭合运行关终对位的关终限位开关，作为后备控制方式予以保留；当船闸运行时，如果PLC控制器（9）无法获取人字闸门闭合运行关终对位时的门缝状态检测反馈信息，则该关终限位开关自动发挥后备控制闸门关终对位停机的作用。

6.根据权利要求1所述一种人字闸门关终对位控制方法，其特征在于：关终门缝目标值，包括门缝间距目标值、门缝错位目标值，作为初始值；根据人字闸门关终对位实际运行状况，在船闸设备处于待机状态时，随时按技术要求人工修改、调整。

7.根据权利要求1所述一种人字闸门关终对位控制方法，其特征在于：将两扇人字闸门闭合运行关终对位的实时门缝值与门缝目标值比较的二维直线误差，换算为两扇人字闸门分别运转到关终门缝目标值时的转角误差。

8.一种人字闸门关终对位控制系统，其特征在于包括：

安装在左人字闸门（6）上的门缝检测传感器（2），用于采集人字闸门闭合运行关终对位实时门缝数据，该数据作为闸门闭合运行门缝状态检测反馈信息，通过数据线传输到船闸PLC控制系统；

安装在右人字闸门（5）上的标靶（1）；

门缝检测传感器（2）连接PLC控制器（9），PLC控制器（9）分别连接左闸门驱动机构（4）、右闸门驱动机构（3）；PLC控制器（9）分别连接工控上位机（10）、触摸屏（11）。

9.一种人字闸门关终对位控制系统，其特征在于：门缝检测传感器（2）自动采集的人字闸门闭合运行关终对位门缝状态实时数据，作为PLC控制器（9）分别控制左闸门驱动机构（4）、右闸门驱动机构（3）驱动左人字闸门（6）、右人字闸门（5）关终对位停机控制的反馈信息，PLC控制器（9）根据控制算法，将该门缝状态检测反馈信息换算为两扇人字闸门分别距关终门缝目标值的转角差，PLC控制器（9）根据两扇人字闸门分别距关终门缝目标值的转角差，计算驱动机构驱动左、右人字闸门各自关终对位前的剩余驱动时间，PLC控制器（9）内部设置左、右闸门专用剩余驱动时间定时器，分别控制左、右人字闸门驱动机构停机。