可編程控制器 論文

1、三菱FX2N可編程控制器在筒閥同步控制中的運用摘要本文介紹三菱FX2N可編程控制器摘要了水輪機圓筒閥的發(fā)展歷史及其在運用實踐中顯現(xiàn)出的優(yōu)點，分析了圓筒閥接力器運行過程中不同步的原因，介紹了采用可編程控制器技術(shù)實現(xiàn)同步的原理及運用方法?！総ranslate】thisarticleintroducesthedevelopmenthistoryofturbinecylindervalveandusingthepracticeshows,analyzestheadvantagesofcylindervalverelaytherunningprocessnotsynchronousreasons,int

2、roducedthePLCtechnologyprincipleandachievingsynchronizationusingmethods.關(guān)鍵字：筒閥、接力器的同步、比例閥、閉環(huán)反饋控制、電液隨動1.概述電站作為西北電網(wǎng)及北線“西電東送”工程中的骨干電站。因此，其機組運行有如下特點：a）由于是電力系統(tǒng)的骨干電站，因此，要求機組能長期穩(wěn)定運行。水輪機的過渡部件應(yīng)具有良好的抗磨蝕性能。b）電站在系統(tǒng)中擔任調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用。因此，機組每天均有啟動、停機工況，停機時間每天幾小時到十幾小時。所以，機組啟動、停機頻繁，要求機組具有良好快捷的啟動和停機性能。c）水輪機運行水頭高（192220m），

3、是目前世界上700MW級大型機組中水頭較高者之一。d）由于輸電距離長，輸送容量大，初期運行網(wǎng)架薄弱，可靠性較低，要求水輪機具有可靠的防飛逸能力。當水輪發(fā)電機組因事故甩負荷時，如果調(diào)速系統(tǒng)同時發(fā)生某種故障，不能關(guān)閉導水機構(gòu)，機組將發(fā)生過速甚至達到飛逸轉(zhuǎn)速，可能使機組轉(zhuǎn)動部分產(chǎn)生不同程度的損壞，甚至造成嚴重后果。為了防止機組損壞，在電站設(shè)計時需要設(shè)置防飛逸措施，通常采用在進水口設(shè)置快速閘門或在引水管道上設(shè)置進水閥。但這些措施設(shè)備龐大，造價昂貴，尤其對于大型水電機組更為困難。為此，必須尋求技術(shù)上可靠，經(jīng)濟上節(jié)省的新方法。自七十年代以來，在加拿大、法國等一些大型水輪機上開始出現(xiàn)一種新型進水閥筒型閥（或

4、者叫圓筒閥、環(huán)形閥），簡稱筒閥，它裝設(shè)在固定導葉與活動導葉之間，全開時筒型閥體提升至頂蓋與座環(huán)之間的腔內(nèi)，不產(chǎn)生水頭損失；占地小，重量輕，運行靈活。筒閥的結(jié)構(gòu)與特點筒閥具有一薄而短的筒體，在關(guān)閉位置可以截斷導水機構(gòu)和座環(huán)之間的水流通道，在開啟位置時，提升至座環(huán)和頂蓋形成的空間內(nèi)。筒閥手動和自動電液控制系統(tǒng)引入機組的起動和停機程序中，在正常運行時，筒閥在導水機構(gòu)關(guān)閉機組停機后再關(guān)閉；在開啟時，筒在導水機構(gòu)打開前開啟。水電站采用筒型閥，對中高水頭水電站單管單機的大容量機組，優(yōu)越性尤為突出。其主要表現(xiàn)為：a）機組停機時，筒閥具有良好的密封性能，有效地減少了因?qū)~漏水引起的能量損失和水輪機導水機構(gòu)的氣

5、蝕磨損，這對于高水頭或多泥沙河流電站或擔任調(diào)峰及事故備用的機組或電站尤為有利。b）在水輪機運行時，筒閥完全離開了流道，底環(huán)上的筒閥密封裝置以及閥門底側(cè)的幾何形狀設(shè)計成光滑的水力通道，可以避免引起水頭損失或空蝕破壞，水輪機效率不因安裝筒閥而影響。c）可以有效地保護導葉，延長機組大修周期和使用壽命，提高機組可用率。在不裝設(shè)筒型閥（僅裝設(shè)快速閘門或球閥、蝶閥）的電站，停機時水輪機導葉存在間隙空蝕和泥沙磨損，損壞的導葉及頂蓋、底環(huán)檢修困難，且工作量大，檢修期長，費用高。若裝設(shè)筒型閥，停機時關(guān)閉筒型閥，可使漏水量幾乎為零，從而有效地保護導葉，避免間隙空蝕和泥沙磨損，延長大修周期，節(jié)省檢修費用，并可提高機

6、組可用率而增加發(fā)電量。d）具有防飛逸能力，提高了機組的事故保護能力。筒型閥具有動水關(guān)閉速度快的特點，因而在事故飛逸情況下，可快速切斷水流，保護機組。其操作比快速閘門更加靈活、快速、方便、可靠，可以說，設(shè)置筒型閥的機組比常規(guī)機組更為安全。因此，機組進水口可不再設(shè)置快速閘門，僅設(shè)有單機單用或多機公用的檢修閘門即可。e）縮短機組啟動準備時間和停機時間，運行操作更加靈活方便。機組啟動前，關(guān)閉筒型閥，因其漏水量很小，可使蝸殼充水及進水閘平壓時間大大縮短，從而縮短機組啟動準備時間；停機時，當轉(zhuǎn)速降至一定值時落下筒型閥，截斷水流，從而縮短停機時間，同時也可減少機組制動閘的磨損。f）由于筒閥與進入水輪機的水流

7、方向是軸對稱的，故在關(guān)閉筒閥時對水流干擾不強烈，相應(yīng)傳至水輪機固定件和轉(zhuǎn)動件上的荷載變動輻度也較小。g）筒型閥直接裝設(shè)在水輪機活動導葉和固定導葉之間，結(jié)構(gòu)緊湊，勿需專門布置位置或輔助廠房。h）安裝方便。筒型閥與主機同時安裝，不另設(shè)專用起吊設(shè)備。i）結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，重量輕。尤其對大型機組，筒型閥便于分瓣制造、運輸。j）即使是采用常規(guī)的筒閥，在筒閥關(guān)閉之后，亦可對水輪機易損部件進行檢修，其必須要拆開頂蓋的機會并不多；對大型的轉(zhuǎn)輪來說，在機坑內(nèi)即可對轉(zhuǎn)輪空蝕部位進行處理，并不需要吊到安裝間去。筒閥的運用概況加拿大DEW在60年代末為烏斯爾塔三級電站生產(chǎn)了4臺直徑為g225mm的整體圓筒閥，最高使

8、用水頭146.3m；在70年代中期為馬尼克三級水電站生產(chǎn)了6臺直徑為屮6990mm的整體筒閥，最高使用水頭96.6m；在70年代末到80年代初為拉格郎德二級水電站生產(chǎn)了8臺直徑屮7575mm的分半圓筒閥，最高使用水頭143m。故DEW在圓筒閥設(shè)計、制造方面具有較豐富的經(jīng)驗。在上述三電站時了解到，該閥密封性能良好，運轉(zhuǎn)靈活，上下密封條最長的已運行20年之久尚未更換過。在拉格郎德二級電站，正值一臺機組停機檢查便進入蝸殼中觀看了筒體及導向板，以及下密封，該閥已運行8年，但完好無損。上述三電站都只在進水口裝設(shè)了幾臺機組公用的檢修閘門，用圓筒閥取代了進水口的快速門，而圓筒閥的費用遠較快速門便宜。而且，在

9、拉格郎德二級等電站上，筒閥已積累了60臺年以上的無事故運行紀錄。法國的奈爾皮克公司（N）也生產(chǎn)了多年筒閥，近年為葡萄牙托老電站的73.15MW可逆式水泵水輪機制造了屮8m直徑的圓筒閥。蘇聯(lián)的哈爾科夫水輪機廠（XT3）為德聶斯特洛夫斯克水電站生產(chǎn)了直徑近11.0m、Hmax=165.5m的世界最大的筒型閥。近年伏依特公司也為黃河小浪底水電站生產(chǎn)了屮8.39m大型筒閥6臺。哈爾濱大電機研究所在幾年前已著手進行筒型閥的研究工作，1987年始與哈爾濱工業(yè)大學聯(lián)合共同開展筒型閥的試驗研究工作。對筒閥底部進出口側(cè)形狀、同步機構(gòu)、控制系統(tǒng)等進行了試驗研究，取得了正確、重復性好的試驗數(shù)據(jù)。在試驗研究中還實現(xiàn)了

10、計算機控制，基本掌握了筒閥的設(shè)計制造技術(shù)。曾制作屮1.5m的大型筒閥模型進行試驗研究。東方電機廠引進DEW的筒閥生產(chǎn)專利，用于云南漫灣水電站，1992年工地安裝，1993年投入運行，為國內(nèi)筒閥設(shè)計生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。近年又為石泉擴機工程、大朝山水電站設(shè)計制造了筒型閥，積累了一定的生產(chǎn)經(jīng)驗。3.1關(guān)于FX2N可編程控制器在筒閥同步控制中的實際應(yīng)用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

11、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。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)計算機遠方監(jiān)控提供堅實的現(xiàn)場控制

12、和數(shù)據(jù)采集單元。如圖一所示：FX2N80!#M轉(zhuǎn)換比b例片閥大板幵關(guān)電源2關(guān)閉中耶*電器現(xiàn)場撓作開關(guān)投祖操作顯示終端GOT9401#胡誇接力器位移測A?D轉(zhuǎn)換二1#科#接力器壓力傳感器遠方計算機開出控制接點看忡高連穌沖計婦二）手前控制0匚iff山:,1陽#接力器比例閥閥芯僅幫反饋*現(xiàn)地全開、全關(guān)、中間位這及故障信號幵關(guān)力矩過戟保護行程開關(guān)f岸4備力器位移測璽張冒1帖絆動U給定電位11#斗腹力器壓力傳感器DJA轉(zhuǎn)按模塊d通訊模塊、_AFX2W-422Nr全開、全關(guān)位這行理開羌*1幽批匕囲閽功液奔啟中詢鑼電器*操作顯示鉤端開關(guān)電源了4中間遷電器開關(guān)電源1色倍號指示燈tlUBLCU圖系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖3

13、.11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FX2N80MT）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，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

14、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，其基本控制原理框圖。如圖二所示。3.2各部分工作元器件特性321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（X000X007）；響應(yīng)速度：8個點合計小于等于20KHZ,自帶電源容量：24V600mA；

15、輸入電源：AC/DC170V250V。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的十進制數(shù)。其性能指標如下：功耗：DC5V30mA，模擬量輸入范圍：電壓DC-10V一一+10V最大-15V一+15V（輸入阻抗200K），電流DC-20mA一一+20mA最大-32mA+32mA（輸入阻抗250）,；輸出數(shù)字范圍：-2047一+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

16、入到比例閥放大板控制液壓比例閥。其性能指標如下：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（10VX1/2000），轉(zhuǎn)化速度：普通通道18mS，高速通道：3.5mS3.2.2測量部件：位移傳感器選用美國MTSTemposonicsIII（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，便能換算出準確的位置。性能及指標：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SS

17、ICANBUSPROFIBUSDEVICENET；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,控制電壓土9V,最大輸出電流：2.2A3.2.4操作顯示終端本系統(tǒng)選用三菱的GOT940觸摸操作顯示終端，其畫面可通過配套的GT-DESIGE軟件制作并通過專用通訊電纜AC30R-9SS與PC機連接進行數(shù)據(jù)傳送及調(diào)試。安裝此顯示終端可豐富人機界面，同時監(jiān)視多個參數(shù)，對即時分析筒

18、閥開啟、關(guān)閉的運行狀態(tài)提供方便3.3、控制策略利用三菱PLC豐富的指令編制控制程序，對于現(xiàn)場調(diào)試及不斷完善、優(yōu)化控制程序具有重大意義。整個控制程序的流程框圖如圖三所示。3.3.1具有啟閉運動規(guī)律的調(diào)節(jié)給定量圓形筒閥在啟閉過程中，根據(jù)其安裝結(jié)構(gòu)及位置可知：在運動到全行程的中間段時，各缸允許發(fā)生的偏差最小，為了保證液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，可將給定量降低，放慢筒閥運行速度。在動水關(guān)閉過程中，為了控制蝸殼水壓上升率，筒閥關(guān)閉速度可分段進行設(shè)置。其他啟閉規(guī)律可在筒閥的運行實踐中總結(jié)得到，通過編制具有啟閉運動規(guī)律的調(diào)節(jié)給定量實現(xiàn)。把每一次開關(guān)動作完成后的最慢及行程最小的一缸作為下一次筒閥啟閉運行的基準缸，

19、因為此缸響應(yīng)調(diào)節(jié)量的能力最弱，讓它只接收固定的給定輸出，調(diào)節(jié)其它缸的輸出量以適應(yīng)基準缸。3.3.2基準缸判斷把每一次開關(guān)動作完成后的最慢及行程最小的一缸作為下一次筒閥啟閉運行的基準缸，因為此缸響應(yīng)調(diào)節(jié)量的能力最弱，讓它只接收固定的給定輸出，調(diào)節(jié)其它缸的輸出量以適應(yīng)基準缸。3.3.3油壓參與調(diào)節(jié)當某缸油壓上升速率超過設(shè)定值，說明此油缸側(cè)運動受卡阻，此時應(yīng)降低基準缸的給定值，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)變得更加平緩，順利完成啟閉操作。3.3.4保護及信號設(shè)置油缸油壓或四油缸油壓之間的差值超過某一整定值油壓保護動作；鏈條張力過載保護通過行程開關(guān)接點進行調(diào)整；全開、全關(guān)極限位置也是在相應(yīng)位置安裝行程開關(guān)實現(xiàn)。為了防止油

20、路系統(tǒng)的油垂效應(yīng)，在臨近全開、全關(guān)位置時減小比例閥開度，并延時返回開啟和關(guān)閉中間繼電器?，F(xiàn)場控制柜裝設(shè)有以下信號：全開、全關(guān)、中間位置、1#-6#鏈條張力過載。3.3.5相關(guān)參數(shù)顯示因為現(xiàn)場控制柜安裝了操作顯示終端，通過PLC算術(shù)指令的運算可以得到多個有關(guān)筒閥運行的參數(shù)并在一個畫面內(nèi)顯示，如各缸的行程、各缸比例閥閥芯位置反饋電壓、比例閥閥芯位置（占各閥全開的百分比）、油壓、運行速度、筒閥下滑、每次開關(guān)經(jīng)歷時間以及各個故障信號、全開全關(guān)信號、中間位置信號、下滑信號以及各缸油壓、控制量、比例閥開度與位移的關(guān)系曲線等。4、設(shè)手動調(diào)節(jié)功能，保證控制系統(tǒng)的可靠性當鏈條張力過載筒閥卡死在中間位置或PLC控制系統(tǒng)故障時，可將“手動/自動”切換開關(guān)置“手動”位，各缸比例閥直接由功放輸入給定電位器調(diào)整。5、與計算機監(jiān)控系統(tǒng)通訊，提供現(xiàn)場更多信息為了與計算機監(jiān)控系統(tǒng)各機組LCU的工控機通訊，特在PLC內(nèi)開辟一個連續(xù)的數(shù)椐寄存器與中間繼電器寄存器區(qū)，將要上裝的數(shù)據(jù)和狀態(tài)變量放在一起，