調(diào)速器的發(fā)展趨勢.doc

調(diào)速器問世百余年來，服務于各廠站的同時自身也在不斷的發(fā)展、更新。目前，總體來說調(diào)速器的發(fā)展有三大趨勢：1、 由常規(guī)油壓向高油壓發(fā)展。液壓執(zhí)行機構(gòu)長期以來一直被廣泛用作水輪機調(diào)速器這種重載伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，它具有能容比大、慣性小、響應快、功率放大系數(shù)大、運行平穩(wěn)、負載剛度大等特點。隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，其他許多采用液壓系統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域早已實現(xiàn)了高油壓化，微機調(diào)速器也有從常規(guī)油壓（2.5MPa、4.0MPa）向高油壓發(fā)展的趨勢。采用高油壓的調(diào)速器利于實現(xiàn)小型化、集成化、標準化。2、 機電轉(zhuǎn)換接口控制方式從間接數(shù)字控制向直接數(shù)字控制發(fā)展。所謂間接數(shù)字控制是指微機控制信號通過D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號（如010V、410mA等）后，再經(jīng)放大后驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)的控制方式。該方式必須通過D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量實現(xiàn)數(shù)字控制，其主要存在以下問題：（1）由于控制器存在模擬電路，易產(chǎn)生溫漂和零漂。（2）多了D/A環(huán)節(jié),降低了可靠性。（2）閥的外控特性表現(xiàn)出滯環(huán)，消除滯環(huán)使閥的造價大大增加，結(jié)構(gòu)復雜，可靠性降低。（3）整體式磁性材料由于鐵損引起的溫升嚴重。而直接數(shù)字控制不通過D/A接口，微機控制信號直接以數(shù)字開關(guān)信號與電液伺服系統(tǒng)接口實現(xiàn)數(shù)字控制，消除了間接數(shù)字控制存在的上述問題，使整個系統(tǒng)簡單化，并實現(xiàn)整個系統(tǒng)的數(shù)字化，應用前景非常廣闊。3、 整體制造及零配件從各廠家獨立制造向標準化發(fā)展。長期以來，雖然各調(diào)速器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的調(diào)速器規(guī)格基本一致，但是調(diào)速器的設計、生產(chǎn)標準、各零部件不盡相同，不僅給用戶帶來檢修、維護不便，而且無法實現(xiàn)批量生產(chǎn)。水輪機調(diào)速器的分類方法較多，按調(diào)節(jié)規(guī)律可分為PI和PID調(diào)速器；按系統(tǒng)構(gòu)成分為機械式調(diào)速器（機械飛擺式）、電液式調(diào)速器及微機調(diào)速器；實際應用中常用是以下幾種區(qū)分方式：1、按我國水輪機調(diào)速器國家型譜以及調(diào)速器行業(yè)規(guī)范，調(diào)速器分為：中、小型調(diào)速器；沖擊式調(diào)速器；大型調(diào)速器等。中、小型調(diào)速器以調(diào)速功大小來區(qū)分，沖擊式調(diào)速器以噴針及折向器數(shù)目來區(qū)分，大型調(diào)速器以主配壓閥名義直徑來區(qū)分。調(diào)速器分類表小型調(diào)速器中型調(diào)速器大型調(diào)速器接力器調(diào)速功W1000Kg.m1000Kg.mW7500Kg.mW7500Kg.m2、微機調(diào)速器依據(jù)調(diào)節(jié)器（電氣部分）及機械液壓系統(tǒng)（機械部分）的不同形式，有以下區(qū)分：2.1按調(diào)節(jié)器的硬件構(gòu)成有單片機、工控機、可編程控制器三大類調(diào)節(jié)器。其中單片機、單版機構(gòu)成的調(diào)節(jié)器由于可靠性差、故障率高等多方面原因，已趨于淘汰。目前可編程控制器以其高度的可靠性成為調(diào)節(jié)器構(gòu)成首選。2.2機械液壓系統(tǒng)依據(jù)電液轉(zhuǎn)換電液轉(zhuǎn)換方式分為：電液轉(zhuǎn)換器類、電機類、比例伺服閥類、數(shù)字閥類。其中電液轉(zhuǎn)換器類已基本為市場淘汰，其他幾種均有不同廠家生產(chǎn)。3、按照調(diào)速器的適用機組類型分為：沖擊式調(diào)速器、單調(diào)、雙調(diào)。沖擊式調(diào)速器適用于沖擊式水輪發(fā)電機組；單調(diào)適用于無輪葉調(diào)節(jié)的混流式、軸流定槳式等水輪發(fā)電機組；雙調(diào)適用于有輪葉調(diào)節(jié)的軸流轉(zhuǎn)槳式、燈泡貫流式水輪發(fā)電機組。微機調(diào)速器的調(diào)節(jié)器（電氣部分）如何選型？目前微機調(diào)速器的調(diào)節(jié)器硬件構(gòu)成有單片機、工控機、可編程控制器三大類調(diào)節(jié)器。單片機、單板機是微機調(diào)速器早期的調(diào)節(jié)器產(chǎn)品，系各調(diào)速器廠家根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)任務需要，選擇如8051、8086、8096等微控制器（MCU）為硬件基礎，自行設計線路板構(gòu)成調(diào)節(jié)器。由于可靠性低、抗干擾能力差等原因，故障率高。為提高調(diào)節(jié)器的可靠性，減少故障率，后提出以雙機冗余方式構(gòu)成雙微機調(diào)節(jié)器，但由于缺乏專業(yè)的抗干擾設計，生產(chǎn)上又缺乏嚴格的元器件老化、篩選過程以及嚴格的焊接工藝保證等多方面原因，未能根本解決可靠性問題。因此逐步退出了市場，但由于成本低廉，依然有些廠家生產(chǎn)。后隨著基于IPC（工業(yè)控制微機）和PLC（可編程邏輯控制器）等通用處理器平臺的不斷發(fā)展完善。國內(nèi)迅速的將可靠性能高的IPC和PLC等通用微機平臺應用于水輪機調(diào)速器領(lǐng)域，實現(xiàn)了調(diào)節(jié)器的硬件可靠性的進步，放棄了以單板機、單片機及基于8098、8086等的雙微機作為主機硬件平臺的專用調(diào)節(jié)器之路。IPC（工業(yè)控制微機）是通過對個人計算機（PC）的板路、內(nèi)存以及機箱等進行專門電磁兼容設計，使它能應用于環(huán)境惡劣的工業(yè)控制環(huán)境的PC。其特點是：程序移植性強；能實現(xiàn)多任務并發(fā)等。但由于其硬件設計還是基于商用個人計算機（PC）的總線結(jié)構(gòu)，而且軟件平臺必須基于windows或liux等操作系統(tǒng)上，因此其可靠性還是比完全針對工業(yè)現(xiàn)場設計的PLC（可編程邏輯控制器）少一個數(shù)量級。正是由于這個原因，近年各IPC（工業(yè)控制微機）廠家紛紛推出按PLC總線構(gòu)架的工業(yè)控制微機（PCC）。與常規(guī)PLC相比較，PCC最大的特點在于其類似于大型計算機的分時多任務操作系統(tǒng)，支持多任務并發(fā)處理。其可靠性到?jīng)]有很大提高。PLC（可編程邏輯控制器）是專門為解決工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境而誕生的工業(yè)控制計算機系統(tǒng)，其高可靠性已得到廣泛的驗證。國內(nèi)將其應用于水輪機調(diào)速器后，以其優(yōu)異的高可靠性能立即成為調(diào)速器的主流方向。目前出現(xiàn)的各種調(diào)速器控制系統(tǒng)還沒有比PLC可靠性更高的，因此宜優(yōu)先選用PLC作為調(diào)速器的調(diào)節(jié)控制核心。調(diào)節(jié)器應選用雙微機系統(tǒng)還是單微機系統(tǒng)？由于調(diào)節(jié)器硬件平臺的演變，我國微機調(diào)速器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從單微機系統(tǒng)、雙微機系統(tǒng)到雙通道容錯系統(tǒng)的發(fā)展過程。一段時間，基本上公認雙通道容錯的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性較高、容錯能力較強。但隨著PLC（可編程邏輯控制器）的微機調(diào)速器的問世，由于計算機主機系統(tǒng)的可靠性大幅度提高，人們對雙微機系統(tǒng)的必要性提出了質(zhì)疑？為了提高微機調(diào)速器的可靠性，國內(nèi)不少廠家對微機系統(tǒng)的設計采用了冗余結(jié)構(gòu)。但是，從現(xiàn)場運行的狀況來看，其故障絕大部分來自微機系統(tǒng)外部，元器件特別是大規(guī)模集成電路的故障率畢竟很低，而出自軟件內(nèi)部的問題，靠冗余無法解決；對于雙微機系統(tǒng)，多一個雙機通訊和檢測切換電路，多一個雙機切換時的負荷擾動，就會多一個故障隱患和不可靠因素。從實際效果來看，雙機系統(tǒng)的硬/軟件結(jié)構(gòu)復雜，可靠性不一定比單機系統(tǒng)高。而且從理論上講，結(jié)構(gòu)越簡單可靠性越高，而且結(jié)構(gòu)簡單可省掉雙機系統(tǒng)必需的一些通訊、檢測和切換組件，用戶以后的維護也更加方便。從國外的水輪機微機調(diào)節(jié)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，既有單系統(tǒng)、也有雙系統(tǒng)的。但國外一些著名的調(diào)速器制造公司，如Vioth、ABB、WOODWARD等，均采用了信號測量和調(diào)節(jié)處理完全分開的設計思想，即采用多CPU的結(jié)構(gòu)形式。所以可靠性的提高在于將任務進行合理的劃分，而不是任務的集中管理。同時，模塊化的硬件設計不僅容易得到可靠性的保證，而且使得軟件的設計具有更大的靈活性和針對性。調(diào)速器機械液壓系統(tǒng)隨電液轉(zhuǎn)換方式的不同，分為：電液轉(zhuǎn)換器類、比例伺服閥類、數(shù)字閥類及電機類。其中電機類還分為步進電機和伺服電機兩類。水輪機微機調(diào)速器是一個典型的數(shù)字式液壓位置伺服系統(tǒng)，數(shù)字式液壓位置伺服系統(tǒng)按電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)接口控制方式主要分為兩大類：間接數(shù)字控制和直接數(shù)字控制。間接數(shù)字控制是指電液伺服系統(tǒng)通過D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，以模擬量接口實現(xiàn)數(shù)字控制。比例伺服閥采用420mA的線性電流作為驅(qū)動信號，微機調(diào)節(jié)器必須通過D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，以模擬量接口實現(xiàn)控制，因此比例伺服閥調(diào)速器是一個典型的間接控制方式的數(shù)字式液壓位置伺服系統(tǒng)。傳統(tǒng)的各類伺服閥也都屬于這類伺服系統(tǒng)。隨著計算機技術(shù)在流體控制系統(tǒng)中的大量應用，數(shù)字化成了一種必然的趨勢。與間接數(shù)字控制方法相反，控制量不通過D/A接口，直接以數(shù)字開關(guān)信號與電液伺服系統(tǒng)接口實現(xiàn)數(shù)字控制的方式稱為直接數(shù)字控制。目前主要有以下兩種方式實現(xiàn)：其一是利用數(shù)字執(zhí)行元件步進電機加適當?shù)男D(zhuǎn)直線運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)驅(qū)動閥芯實現(xiàn)直接數(shù)字控制，由于這類數(shù)字控制元件一般按步進的方式工作，因而常稱為步進式數(shù)字閥或離散式比例閥。通過合理的設計，這類閥具用重復精度高及無滯環(huán)的優(yōu)點。其二是對高速開關(guān)閥的（脈寬或脈沖調(diào)制）控制。通過控制開關(guān)元件的通斷時間比，以獲得在某一段時間內(nèi)流量的平均值，進而實現(xiàn)對下一級執(zhí)行機構(gòu)的控制。在流體動力系統(tǒng)中，這種控制方式的控制信號是開關(guān)量，因而是直接數(shù)字控制。該控制方式具有不堵塞、抗污染能力強及結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。采用間接控制方式構(gòu)成的系統(tǒng)通過D/A接口實現(xiàn)數(shù)字控制，這種方法存在如下缺點：（1）由于控制器中存在著模擬電路，易于產(chǎn)生溫飄和零飄，這不僅使得系統(tǒng)易受溫度變化的影響；同時，也使得控制器對伺服閥本身的非線性因素如死區(qū)、滯環(huán)等難以實現(xiàn)徹底補償。（2）用于驅(qū)動比例閥和伺服閥的比例電磁鐵和力矩馬達存在著固有的磁泄現(xiàn)象，導致閥的外控制特性表現(xiàn)出2%-8%的滯環(huán)，采用閥芯位置檢測和反饋等閉環(huán)控制的方法可以基本消除比例閥的滯環(huán)，但卻使閥的造價大大增加，結(jié)構(gòu)復雜，可靠性降低。（3）由于結(jié)構(gòu)特點所決定，比例電磁鐵的磁路一般只能由整體式磁性材料構(gòu)成，在高頻信號作用下，由鐵損而引起的溫升較為嚴重。因此直接數(shù)字控制方式明顯優(yōu)于間接數(shù)字控制方式。作為直接數(shù)字控制方式的步進式數(shù)字閥和開關(guān)閥相比較：步進式數(shù)字閥按步進的方式工作，具用重復精度高及無滯環(huán)的優(yōu)點。但是，步進式數(shù)字閥通過閥芯的步進運動將輸入的信號量轉(zhuǎn)化為相應的步數(shù)（脈沖數(shù)），因而存在著量化誤差，通過增加閥的工作步數(shù)可以減小量化誤差，但卻使閥的響應速度大大降低。同時，步進式調(diào)速器必須保留有引導閥和主配結(jié)構(gòu)，造成步進式調(diào)速器的結(jié)構(gòu)較復雜，加工件較多，不具有良好的通用互換性。相較而言，高速開關(guān)閥與控制系統(tǒng)的接口更簡單，且不需要中間環(huán)節(jié)就能構(gòu)成直接數(shù)字控制系統(tǒng)，應用前景十分廣闊。將高速開關(guān)閥應用于水輪機微機調(diào)速器，能實現(xiàn)整個系統(tǒng)的數(shù)字化，構(gòu)成全數(shù)字式調(diào)速器。但由于流量、壓力脈動等因素的限制，數(shù)字閥在大型調(diào)速器上的應用范圍受到一定的限制，目前僅能應用于操作功不大于17000kg.m的非雙調(diào)機組的調(diào)節(jié)控制。綜上所訴，中小型調(diào)速器選用數(shù)字閥較為適宜，大型調(diào)速器宜選用步進電機（但要注意控制方式參見后述關(guān)于電機類調(diào)速器的比較說明）。伺服電機與步進電機類調(diào)速器的區(qū)別與比較？電機類調(diào)速器分為伺服電機及步進電機兩種。伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。步進電機是一種離散運動的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機也越來越多地應用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖信號和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異，從控制精度、低頻特性、距頻特性、過載能力、速度響應能力比較起來，全數(shù)字式交流伺服電機無疑比步進電機優(yōu)異得多。但步進電