FX2N可編程控制器在筒閥同步控制中的運用

1、概述

水輪機筒閥由法國NEYRPIC公司于1962年用于真機以來，通過一些中小水輪機的應(yīng)用實踐，逐步得到了完善。到1979年加拿大當(dāng)時最大的水電站LG-2，16臺出力為338.5MW的大型混流式水輪機采用了圓筒閥之后，它的應(yīng)用開始引起各國的注意，許多優(yōu)點得到公認(rèn)。因此，被越來越多的水電站采用。它的主要優(yōu)點有：1、安裝在固定導(dǎo)水葉與活動導(dǎo)水葉之間，同安裝在蝸殼前的球閥、蝶閥相比，縮短了整個廠房的縱向長度，降低了工程造價;2、密封性更好，能有效抑制了導(dǎo)葉漏水對導(dǎo)葉的磨損。3、開啟、關(guān)閉時間短，能更好地適應(yīng)電力系統(tǒng)對水電廠快速開機的要求并能有效地防止事故情況下的機組過速。4、能消除機前閥門進(jìn)出口處的收縮和擴散段伸縮節(jié)的附加水力損失。5、圓筒閥啟閉為直線運動，關(guān)閉時可根據(jù)水壓上升率調(diào)整關(guān)閉速度。而在圓筒閥的應(yīng)用實踐中如何保證多只接力器的同步成為筒閥控制的關(guān)鍵技術(shù)問題。下面就這一問題闡述應(yīng)用PLC技術(shù)實現(xiàn)同步的原理和方法。

2、筒閥的結(jié)構(gòu)及同步機構(gòu)原理

傳統(tǒng)的解決同步問題的主要方法采用接力器驅(qū)動鏈條同步，在筒閥圓周盡可能多地均勻布置多支液壓接力器，每支接力器動桿(活塞)下端連接固定在閥體上，活塞上下運動可以驅(qū)動閥門啟閉。各活塞的同步移動有由可逆?zhèn)鲃拥臐L動螺旋副實現(xiàn)，它是在活塞上固定的一只滾動螺旋傳動的螺母，螺母連接傳動絲桿，當(dāng)活塞上下移動時絲桿做正反旋轉(zhuǎn)，絲桿上端連接齒輪將筒閥的垂直運動變?yōu)辇X輪的旋轉(zhuǎn)，齒輪帶動鏈條一起連動其它接力器的齒輪同速旋轉(zhuǎn)并反作用于其絲桿而實現(xiàn)多只接力器的同步。此同步方案的缺點在于：1)、直徑大的筒閥將布置數(shù)量較多的接力器，增加整個系統(tǒng)的投資。2)、接力器油缸進(jìn)油口無調(diào)節(jié)能力，均由調(diào)定的節(jié)流閥控制流量，接力器運行速度的調(diào)節(jié)控制沒有按調(diào)節(jié)規(guī)律運動的隨動性。3)、鏈條同步對發(fā)生異步的的油缸矯正能力差，易發(fā)生鏈條張力矩過載甚至拉斷，導(dǎo)致筒閥啟閉失敗。4)、由于油缸進(jìn)油量由節(jié)流閥調(diào)整固定，筒閥只能定速啟閉，喪失了筒閥直線運動可按程序指定啟閉速度進(jìn)行啟閉的優(yōu)勢。

3、采用PLC輸出控制比例閥液壓隨動系統(tǒng)實現(xiàn)同步

此方案采用接力器直接驅(qū)動筒閥并控制其同步，滾動螺旋副和鏈傳動的同步機構(gòu)可以取消或作為輔助同步手段和保護(hù)措施。另外，接力器本身不需再設(shè)緩沖裝置，緩沖功能由PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)。采用本方案與傳統(tǒng)的同步控制系統(tǒng)相比有如下特點：1)、可以靈活地改變(修改控制程序)閥門關(guān)閉開啟的運動規(guī)律，使之更符合機組運行之需要。例如：當(dāng)事故緊急停機調(diào)速器主配拒動而需快速關(guān)閉筒閥是時，為了即快速又不致使蝸殼及壓力鋼管水壓上升率過高可采用分段關(guān)閉的控制規(guī)律。2)、可以取消機械同步機構(gòu)，大大簡化控制操作機構(gòu)從而精簡筒閥的整體結(jié)構(gòu)，節(jié)省機坑內(nèi)空間，改善運行維護(hù)條件。3)、減少操作執(zhí)行組件數(shù)量，降低工程造價。4)、利用計算機通訊技術(shù)，為實現(xiàn)計算機遠(yuǎn)方監(jiān)控提供堅實的現(xiàn)場控制和數(shù)據(jù)采集單元。

3.1控制系統(tǒng)基本原理

該系統(tǒng)主要由硬件和控制軟件兩部分組成，其中硬件部分包含可編程控制器(本方案PLC選用三菱公司的FX2N-80MT)及其配套的A/D模塊、通訊模塊、接力器行程測量組件(選用磁感應(yīng)高精度、高速脈沖輸出)、信號功率放大板、液壓比例閥、電源、操作開關(guān)、按鈕以及信號燈等組成;其系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖一所示。軟件由三菱公司配套可在WINDOWS下編程的FXGP-WIN-C開發(fā)而得。系統(tǒng)的基本控制策略如下：整個系統(tǒng)可視為以位移量偏差為負(fù)反饋的閉環(huán)電液隨動系統(tǒng)，在多只接力器不同步的情況下，以其中一只為基準(zhǔn)，在給定的啟、閉規(guī)律基礎(chǔ)上按經(jīng)典PI控制算法，產(chǎn)生控制量作用到液壓比例閥上，液壓比例閥控制油流量大小校正發(fā)生的不同步的偏差以保證各油缸的同步運行。

3.2各部分工作元器件特性

3.2.1控制運算部件PLC及其各功能模塊

PLC(FX2N-80MT)是整個系統(tǒng)的核心控制部件，其豐富齊備的控制運算指令、優(yōu)越的性能、現(xiàn)場編程調(diào)試的方便已成為實現(xiàn)各種控制的現(xiàn)場級設(shè)備。其主要性能指標(biāo)有：運算速度：　0.08uS/步(基本指令)，　1.52uS—數(shù)100uS(應(yīng)用指令);用戶程序內(nèi)存容量：16K，系統(tǒng)程序內(nèi)存容量：8K;應(yīng)用指令：128種　298個;輸入口：5組每組8個，其中高速記數(shù)口8個(X000—X007);響應(yīng)速度：8個點合計小于等于20KHZ，自帶電源容量：24V600mA;輸入電源：AC/DC170V—250V。各功能模塊：1)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊FX2N-4AD：用于接收壓力傳感器輸出的4-20mA電流信號，將其變?yōu)镻LC程序可用的0-1000的十進(jìn)制數(shù)。其性能指標(biāo)如下：功耗：DC5V30mA，模擬量輸入范圍：電壓DC-10V--+10V最大-15V--+15V(輸入阻抗200K)，電流DC-20mA--+20mA最大-32mA—+32mA(輸入阻抗250)，;輸出數(shù)字范圍：-2047--+2047;分辨率：電壓5mV，電流20uA;線性度：±1%F.S，采樣速度：普通通道15mS，高速通道：6mS;3)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊FX2N-2DA：將PLC運算得到的控制量數(shù)值轉(zhuǎn)化為電壓信號輸入到比例閥放大板控制液壓比例閥。其性能指標(biāo)如下：DC5V30mA,數(shù)值輸入范圍：-2047—　+2047;模擬量電壓輸出：　-10V—　+10V，線性度：±1%F.S，分辨率：電壓5mV(10V×1/2000)，轉(zhuǎn)化速度：普通通道18mS，高速通道：3.5mS;

3.2.2測量部件：位移傳感器

選用美國MTS　Temposonics　III(PB/PH)非接觸式位移傳感器

原理：由詢問信號的電流脈沖所產(chǎn)生的磁場(沿波導(dǎo)管運行)與位置磁鐵產(chǎn)生的磁場相交產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號，然后計算這個信號被探測所需的時間周期，便能換算出準(zhǔn)確的位置。

性能及指標(biāo)：分辨率：2um;響應(yīng)速度：比其他測量方式：快4到20倍;提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)字輸出SSI　　CANBUS　　PROFIBUS　　DEVICENET　;符合歐洲CE規(guī)格

3.2.3執(zhí)行部件:比例閥(包括放大板)

此環(huán)節(jié)是電氣控制信號與機械液壓系統(tǒng)連接的關(guān)鍵部分，直接影響到控制系統(tǒng)性能的發(fā)揮，所以選用德國REXROTH的VT5005帶閥芯位置反饋的自動式比例方向控制閥，其放大電路技術(shù)數(shù)據(jù)如下：電源電壓DC24V，功率50VA，控制電壓±9V，最大輸出電流：2.2A。