可编程控制器 论文

1、三菱FX2N可编程控制器在筒阀同步控制中的运用摘要本文介绍三菱FX2N可编程控制器摘要了水轮机圆筒阀的发展历史及其在运用实践中显现出的优点，分析了圆筒阀接力器运行过程中不同步的原因，介绍了采用可编程控制器技术实现同步的原理及运用方法。【translate】thisarticleintroducesthedevelopmenthistoryofturbinecylindervalveandusingthepracticeshows,analyzestheadvantagesofcylindervalverelaytherunningprocessnotsynchronousreasons,int

2、roducedthePLCtechnologyprincipleandachievingsynchronizationusingmethods.关键字：筒阀、接力器的同步、比例阀、闭环反馈控制、电液随动1.概述电站作为西北电网及北线“西电东送”工程中的骨干电站。因此，其机组运行有如下特点：a）由于是电力系统的骨干电站，因此，要求机组能长期稳定运行。水轮机的过渡部件应具有良好的抗磨蚀性能。b）电站在系统中担任调峰、调频和事故备用。因此，机组每天均有启动、停机工况，停机时间每天几小时到十几小时。所以，机组启动、停机频繁，要求机组具有良好快捷的启动和停机性能。c）水轮机运行水头高（192220m），

3、是目前世界上700MW级大型机组中水头较高者之一。d）由于输电距离长，输送容量大，初期运行网架薄弱，可靠性较低，要求水轮机具有可靠的防飞逸能力。当水轮发电机组因事故甩负荷时，如果调速系统同时发生某种故障，不能关闭导水机构，机组将发生过速甚至达到飞逸转速，可能使机组转动部分产生不同程度的损坏，甚至造成严重后果。为了防止机组损坏，在电站设计时需要设置防飞逸措施，通常采用在进水口设置快速闸门或在引水管道上设置进水阀。但这些措施设备庞大，造价昂贵，尤其对于大型水电机组更为困难。为此，必须寻求技术上可靠，经济上节省的新方法。自七十年代以来，在加拿大、法国等一些大型水轮机上开始出现一种新型进水阀筒型阀（或

4、者叫圆筒阀、环形阀），简称筒阀，它装设在固定导叶与活动导叶之间，全开时筒型阀体提升至顶盖与座环之间的腔内，不产生水头损失；占地小，重量轻，运行灵活。筒阀的结构与特点筒阀具有一薄而短的筒体，在关闭位置可以截断导水机构和座环之间的水流通道，在开启位置时，提升至座环和顶盖形成的空间内。筒阀手动和自动电液控制系统引入机组的起动和停机程序中，在正常运行时，筒阀在导水机构关闭机组停机后再关闭；在开启时，筒在导水机构打开前开启。水电站采用筒型阀，对中高水头水电站单管单机的大容量机组，优越性尤为突出。其主要表现为：a）机组停机时，筒阀具有良好的密封性能，有效地减少了因导叶漏水引起的能量损失和水轮机导水机构的气

5、蚀磨损，这对于高水头或多泥沙河流电站或担任调峰及事故备用的机组或电站尤为有利。b）在水轮机运行时，筒阀完全离开了流道，底环上的筒阀密封装置以及阀门底侧的几何形状设计成光滑的水力通道，可以避免引起水头损失或空蚀破坏，水轮机效率不因安装筒阀而影响。c）可以有效地保护导叶，延长机组大修周期和使用寿命，提高机组可用率。在不装设筒型阀（仅装设快速闸门或球阀、蝶阀）的电站，停机时水轮机导叶存在间隙空蚀和泥沙磨损，损坏的导叶及顶盖、底环检修困难，且工作量大，检修期长，费用高。若装设筒型阀，停机时关闭筒型阀，可使漏水量几乎为零，从而有效地保护导叶，避免间隙空蚀和泥沙磨损，延长大修周期，节省检修费用，并可提高机

6、组可用率而增加发电量。d）具有防飞逸能力，提高了机组的事故保护能力。筒型阀具有动水关闭速度快的特点，因而在事故飞逸情况下，可快速切断水流，保护机组。其操作比快速闸门更加灵活、快速、方便、可靠，可以说，设置筒型阀的机组比常规机组更为安全。因此，机组进水口可不再设置快速闸门，仅设有单机单用或多机公用的检修闸门即可。e）缩短机组启动准备时间和停机时间，运行操作更加灵活方便。机组启动前，关闭筒型阀，因其漏水量很小，可使蜗壳充水及进水闸平压时间大大缩短，从而缩短机组启动准备时间；停机时，当转速降至一定值时落下筒型阀，截断水流，从而缩短停机时间，同时也可减少机组制动闸的磨损。f）由于筒阀与进入水轮机的水流

7、方向是轴对称的，故在关闭筒阀时对水流干扰不强烈，相应传至水轮机固定件和转动件上的荷载变动辐度也较小。g）筒型阀直接装设在水轮机活动导叶和固定导叶之间，结构紧凑，勿需专门布置位置或辅助厂房。h）安装方便。筒型阀与主机同时安装，不另设专用起吊设备。i）结构简单，制造方便，重量轻。尤其对大型机组，筒型阀便于分瓣制造、运输。j）即使是采用常规的筒阀，在筒阀关闭之后，亦可对水轮机易损部件进行检修，其必须要拆开顶盖的机会并不多；对大型的转轮来说，在机坑内即可对转轮空蚀部位进行处理，并不需要吊到安装间去。筒阀的运用概况加拿大DEW在60年代末为乌斯尔塔三级电站生产了4台直径为g225mm的整体圆筒阀，最高使

8、用水头146.3m；在70年代中期为马尼克三级水电站生产了6台直径为屮6990mm的整体筒阀，最高使用水头96.6m；在70年代末到80年代初为拉格郎德二级水电站生产了8台直径屮7575mm的分半圆筒阀，最高使用水头143m。故DEW在圆筒阀设计、制造方面具有较丰富的经验。在上述三电站时了解到，该阀密封性能良好，运转灵活，上下密封条最长的已运行20年之久尚未更换过。在拉格郎德二级电站，正值一台机组停机检查便进入蜗壳中观看了筒体及导向板，以及下密封，该阀已运行8年，但完好无损。上述三电站都只在进水口装设了几台机组公用的检修闸门，用圆筒阀取代了进水口的快速门，而圆筒阀的费用远较快速门便宜。而且，在

9、拉格郎德二级等电站上，筒阀已积累了60台年以上的无事故运行纪录。法国的奈尔皮克公司（N）也生产了多年筒阀，近年为葡萄牙托老电站的73.15MW可逆式水泵水轮机制造了屮8m直径的圆筒阀。苏联的哈尔科夫水轮机厂（XT3）为德聂斯特洛夫斯克水电站生产了直径近11.0m、Hmax=165.5m的世界最大的筒型阀。近年伏依特公司也为黄河小浪底水电站生产了屮8.39m大型筒阀6台。哈尔滨大电机研究所在几年前已着手进行筒型阀的研究工作，1987年始与哈尔滨工业大学联合共同开展筒型阀的试验研究工作。对筒阀底部进出口侧形状、同步机构、控制系统等进行了试验研究，取得了正确、重复性好的试验数据。在试验研究中还实现了

10、计算机控制，基本掌握了筒阀的设计制造技术。曾制作屮1.5m的大型筒阀模型进行试验研究。东方电机厂引进DEW的筒阀生产专利，用于云南漫湾水电站，1992年工地安装，1993年投入运行，为国内筒阀设计生产创造了条件。近年又为石泉扩机工程、大朝山水电站设计制造了筒型阀，积累了一定的生产经验。3.1关于FX2N可编程控制器在筒阀同步控制中的实际应用此方案采用接力器直接驱动筒阀并控制其同步，滚动螺旋副和链传动的同步机构可以取消或作为辅助同步手段和保护措施。另外，接力器本身不需再设缓冲装置，缓冲功能由PLC控制程序实现。采用本方案与传统的同步控制系统相比有如下特点：1）、可以灵活地改变（修改控制程序）阀门

11、关闭开启的运动规律，使之更符合机组运行之需要。例如：当事故紧急停机调速器主配拒动而需快速关闭筒阀是时，为了即快速又不致使蜗壳及压力钢管水压上升率过高可采用分段关闭的控制规律。1）、可以灵活地改变（修改控制程序）阀门关闭开启的运动规律，使之更符合机组运行之需要。例如：当事故紧急停机调速器主配拒动而需快速关闭筒阀是时，为了即快速又不致使蜗壳及压力钢管水压上升率过高可采用分段关闭的控制规律。2）、可以取消机械同步机构，大大简化控制操作机构从而精简筒阀的整体结构，节省机坑内空间，改善运行维护条件。3）、减少操作执行组件数量，降低工程造价。4）、利用计算机通讯技术，为实现计算机远方监控提供坚实的现场控制

12、和数据采集单元。如图一所示：FX2N80!#M转换比b例片阀大板幵关电源2关闭中耶*电器现场撓作开关投祖操作显示终端GOT9401#胡誇接力器位移测A?D转换二1#科#接力器压力传感器远方计算机开出控制接点看忡高連穌冲计妇二）手前控制0匚iff山:,1阳#接力器比例阀阀芯僅幫反馈*现地全开、全关、中间位這及故障信号幵关力矩过戟保护行程开关f岸4備力器位移测璽張冒1帖絆动U给定电位11#斗腹力器压力传感器DJA转按模块d通讯模块、_AFX2W-422Nr全开、全关位這行理开羌*1幽批匕囲阍功液奔启中询鑼电器*操作显示鉤端开关电源了4中间遷电器开关电源1色倍号指示灯tlUBLCU图系统硬件构成图3

13、.11控制系统基本原理该系统主要由硬件和控制软件两部分组成，其中硬件部分包含可编程控制器（本方案PLC选用三菱公司的FX2N80MT）及其配套的A/D模块、通讯模块、接力器行程测量组件（选用磁感应高精度、高速脉冲输出）、信号功率放大板、液压比例阀、电源、操作开关、按钮以及信号灯等组成；其系统硬件构成如图一所示。软件由三菱公司配套可在WINDOWS下编程的FXGP-WIN-C开发而得。系统的基本控制策略如下：整个系统可视为以位移量偏差为负反馈的闭环电液随动系统，在多只接力器不同步的情况下，以其中一只为基准，在给定的启、闭规律基础上按经典PI控制算法，产生控制量作用到液压比例阀上，液压比例阀控制油

14、流量大小校正发生的不同步的偏差以保证各油缸的同步运行，其基本控制原理框图。如图二所示。3.2各部分工作元器件特性321控制运算部件PLC及其各功能模块PLC（FX2N-80MT）是整个系统的核心控制部件，其丰富齐备的控制运算指令、优越的性能、现场编程调试的方便已成为实现各种控制的现场级设备。其主要性能指标有：运算速度：0.08uS/步（基本指令），1.52uS数100uS（应用指令）；用户程序内存容量：16K,系统程序内存容量：8K；应用指令：128种298个；输入口：5组每组8个，其中高速记数口8个（X000X007）；响应速度：8个点合计小于等于20KHZ,自带电源容量：24V600mA；

15、输入电源：AC/DC170V250V。各功能模块：1）模数转换模块FX2N-4AD:用于接收压力传感器输出的4-20mA电流信号，将其变为PLC程序可用的0-1000的十进制数。其性能指标如下：功耗：DC5V30mA，模拟量输入范围：电压DC-10V一一+10V最大-15V一+15V（输入阻抗200K），电流DC-20mA一一+20mA最大-32mA+32mA（输入阻抗250）,；输出数字范围：-2047一+2047；分辨率：电压5mV，电流20uA；线性度：1%F.S，采样速度:普通通道15mS，高速通道:6mS；3）数模转换模块FX2N-2DA：将PLC运算得到的控制量数值转化为电压信号输

16、入到比例阀放大板控制液压比例阀。其性能指标如下：DC5V30mA,数值输入范围：-2047+2047；模拟量电压输出：-10V+10V，线性度：1%F.S，分辨率：电压5mV（10VX1/2000），转化速度：普通通道18mS，高速通道：3.5mS3.2.2测量部件：位移传感器选用美国MTSTemposonicsIII（PB/PH）非接触式位移传感器原理：由询问信号的电流脉冲所产生的磁场（沿波导管运行）与位置磁铁产生的磁场相交产生一个应变脉冲信号，然后计算这个信号被探测所需的时间周期，便能换算出准确的位置。性能及指标：分辨率：2um；响应速度：比其他测量方式：快4到20倍；提供网络数字输出SS

17、ICANBUSPROFIBUSDEVICENET；符合欧洲CE规格3.2.3执行部件:比例阀（包括放大板）此环节是电气控制信号与机械液压系统连接的关键部分，直接影响到控制系统性能的发挥，所以选用德国REXROTH的VT5005带阀芯位置反馈的自动式比例方向控制阀，其放大电路技术数据如下：电源电压DC24V,功率50VA,控制电压土9V,最大输出电流：2.2A3.2.4操作显示终端本系统选用三菱的GOT940触摸操作显示终端，其画面可通过配套的GT-DESIGE软件制作并通过专用通讯电缆AC30R-9SS与PC机连接进行数据传送及调试。安装此显示终端可丰富人机界面，同时监视多个参数，对即时分析筒

18、阀开启、关闭的运行状态提供方便3.3、控制策略利用三菱PLC丰富的指令编制控制程序，对于现场调试及不断完善、优化控制程序具有重大意义。整个控制程序的流程框图如图三所示。3.3.1具有启闭运动规律的调节给定量圆形筒阀在启闭过程中，根据其安装结构及位置可知：在运动到全行程的中间段时，各缸允许发生的偏差最小，为了保证液压调节系统的调节品质，可将给定量降低，放慢筒阀运行速度。在动水关闭过程中，为了控制蜗壳水压上升率，筒阀关闭速度可分段进行设置。其他启闭规律可在筒阀的运行实践中总结得到，通过编制具有启闭运动规律的调节给定量实现。把每一次开关动作完成后的最慢及行程最小的一缸作为下一次筒阀启闭运行的基准缸，

19、因为此缸响应调节量的能力最弱，让它只接收固定的给定输出，调节其它缸的输出量以适应基准缸。3.3.2基准缸判断把每一次开关动作完成后的最慢及行程最小的一缸作为下一次筒阀启闭运行的基准缸，因为此缸响应调节量的能力最弱，让它只接收固定的给定输出，调节其它缸的输出量以适应基准缸。3.3.3油压参与调节当某缸油压上升速率超过设定值，说明此油缸侧运动受卡阻，此时应降低基准缸的给定值，使系统调节变得更加平缓，顺利完成启闭操作。3.3.4保护及信号设置油缸油压或四油缸油压之间的差值超过某一整定值油压保护动作；链条张力过载保护通过行程开关接点进行调整；全开、全关极限位置也是在相应位置安装行程开关实现。为了防止油

20、路系统的油垂效应，在临近全开、全关位置时减小比例阀开度，并延时返回开启和关闭中间继电器。现场控制柜装设有以下信号：全开、全关、中间位置、1#-6#链条张力过载。3.3.5相关参数显示因为现场控制柜安装了操作显示终端，通过PLC算术指令的运算可以得到多个有关筒阀运行的参数并在一个画面内显示，如各缸的行程、各缸比例阀阀芯位置反馈电压、比例阀阀芯位置（占各阀全开的百分比）、油压、运行速度、筒阀下滑、每次开关经历时间以及各个故障信号、全开全关信号、中间位置信号、下滑信号以及各缸油压、控制量、比例阀开度与位移的关系曲线等。4、设手动调节功能，保证控制系统的可靠性当链条张力过载筒阀卡死在中间位置或PLC控制系统故障时，可将“手动/自动”切换开关置“手动”位，各缸比例阀直接由功放输入给定电位器调整。5、与计算机监控系统通讯，提供现场更多信息为了与计算机监控系统各机组LCU的工控机通讯，特在PLC内开辟一个连续的数椐寄存器与中间继电器寄存器区，将要上装的数据和状态变量放在一起，