馬 程，李 毅，李重陽(yáng)，張慧玲

(深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東 深圳 518115)

抽水蓄能電站機(jī)組啟停頻繁，工況轉(zhuǎn)換多，因而對(duì)機(jī)電設(shè)備的可靠性、實(shí)時(shí)響應(yīng)速度都提出了比常規(guī)水電站更高的要求，尤其是主要機(jī)電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化大幅提高的新建抽水蓄能電站。通過(guò)模擬仿真系統(tǒng)，可以十分接近設(shè)備實(shí)際工況，從設(shè)備安裝開(kāi)始，就讓技術(shù)人員快速熟練掌握設(shè)備的原理和性能，為提高作業(yè)基本技能提供了可行的途徑。

抽水蓄能電站的液壓系統(tǒng)設(shè)備自動(dòng)化程度高，操作有一定風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)行、檢修維護(hù)都需要有一定的工作經(jīng)驗(yàn)，新手難以得到實(shí)際操作機(jī)會(huì)。因此，一個(gè)友好的仿真系統(tǒng)也不失為新員工學(xué)習(xí)掌握現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工具。

1 仿真技術(shù)發(fā)展

1.1 液壓仿真技術(shù)研究

液壓仿真技術(shù)始于20世紀(jì)50年代，從運(yùn)用傳遞函數(shù)法進(jìn)行仿真開(kāi)始，隨著液壓流體力學(xué)、現(xiàn)代控制理論、故障診斷和信息化技術(shù)的發(fā)展，液壓仿真得到迅速發(fā)展，逐步建立了液壓系統(tǒng)的分析數(shù)學(xué)模型。近年來(lái)，復(fù)雜液壓系統(tǒng)的研究發(fā)展到對(duì)于對(duì)象建立起定性和定量相結(jié)合。液壓仿真技術(shù)由數(shù)據(jù)建模、模型解算、仿真結(jié)果分析組成[1]。

1.2 液壓仿真技術(shù)應(yīng)用

液壓系統(tǒng)的應(yīng)用在我們身邊比比皆是，如汽車的制動(dòng)系統(tǒng)、挖掘機(jī)液壓操作系統(tǒng)等。美國(guó)波音公司EASY5工程系統(tǒng)仿真和分析軟件，集中了波音公司在工程仿真方面多年經(jīng)驗(yàn)，其中以液壓仿真系統(tǒng)最為完備，它包含了70多種主要的液壓原部件，建立了一批對(duì)應(yīng)真實(shí)物理部件的仿真模型，如泵、馬達(dá)、閥、管路、分流集流、液壓油等，它是專門為液壓工程師而設(shè)計(jì)的，通過(guò)建模和仿真分析得到更完善的系統(tǒng)性能，可以減少對(duì)實(shí)驗(yàn)室裝配和測(cè)試的依靠，使產(chǎn)品更快、更經(jīng)濟(jì)地進(jìn)入市場(chǎng)[2]。

2 抽水蓄能電站液壓設(shè)備仿真

2.1 液壓系統(tǒng)分析

以深圳抽水蓄能電站中的尾閘系統(tǒng)為例，每臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)一套平板式尾水事故閘門，由液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)啟閉功能?，F(xiàn)場(chǎng)控制PLC通過(guò)電氣回路與液壓設(shè)備組成機(jī)電一體化系統(tǒng)。同時(shí)與相應(yīng)機(jī)組進(jìn)水閥有機(jī)械(液壓油)、電氣的聯(lián)鎖關(guān)系，整個(gè)尾水閘門的控制、信號(hào)又與機(jī)組LCU密切關(guān)聯(lián)。

2.2 電氣仿真分析

蓄能電站尾水閘門控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)一樣，通過(guò)現(xiàn)地/遠(yuǎn)方操作指令，依據(jù)定時(shí)器、位置開(kāi)關(guān)、壓力信號(hào)等元件，通過(guò)液壓油的傳導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)閘門開(kāi)啟或者關(guān)閉。

電氣控制系統(tǒng)的仿真技術(shù)比較成熟，液壓仿真系統(tǒng)具有完善的電氣仿真功能，無(wú)論是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段元件選型配置，還是控制程序編制和測(cè)試，都起到不可或缺的作用。通過(guò)電氣仿真，具有幾方面的優(yōu)點(diǎn)：①在辦公室或?qū)嶒?yàn)室就可以完成90%以上的工作量，從控制、信號(hào)、報(bào)警等都得到充分測(cè)試，盡可能避免由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件干擾影響必要的調(diào)試、減輕現(xiàn)場(chǎng)的工作強(qiáng)度；②最大限度地規(guī)避了調(diào)試中由于電器回路、程序缺陷等可能發(fā)生的潛在風(fēng)險(xiǎn)，降低人身傷害、設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)；③減小現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的時(shí)間要求，使系統(tǒng)設(shè)備經(jīng)濟(jì)、快速投入使用。

2.3 液壓仿真系統(tǒng)分析

尾閘機(jī)械部分主要設(shè)備[3]及參數(shù)如下：

(1)閘門液壓缸，1套，工作行程4.85 m，內(nèi)徑420 mm，啟門壓力6.8 MPa，啟門流量82.9 L/min。

(2)閘門鎖錠缸，2套，工作行程66 mm，內(nèi)徑40 mm，鎖緊力0～4.0 kN，脫鎖力0～4.1 kN。

(3)動(dòng)力源，2套，油箱容量1 250 L；電動(dòng)機(jī)15 kW，1 460 r/min；柱塞泵排量74 mL/r(調(diào)至75%)；雙筒回油濾清器1套。

(4)操作閥，1套，包括溢流閥、電磁換向閥、機(jī)械式二位三通球式換向閥、液控先導(dǎo)閥、單向閥等。

(5)穩(wěn)定器，1套，氣體蓄能器及控制閥組。

(6)自動(dòng)化元件，1項(xiàng)，閘門位置檢測(cè)裝置、壓力繼電器/傳感器、接近開(kāi)關(guān)、油位傳感器、溫度傳感器。

除此以外尾閘系統(tǒng)還有不同管徑不同壓力等級(jí)的油管路、球閥，以及用于消除振動(dòng)、噪聲的橡膠接頭、高壓軟管等輔助設(shè)施。

液壓仿真屬于CAI范疇，有多個(gè)適用于由以上機(jī)械設(shè)備組成仿真軟件，如FluidSIM、Automation Studio等都是比較優(yōu)秀的仿真系統(tǒng)，有完備的基本元件庫(kù)，如液壓馬達(dá)和缸等執(zhí)行元件、各種方向閥、控制閥、動(dòng)力源及輔助元件、狀態(tài)圖等，使用直觀方便。

FluidSIM還可以對(duì)方向閥等元件的特性進(jìn)行配置，如左右兩側(cè)的是否彈簧復(fù)位、先導(dǎo)式可以選擇“手控、機(jī)控、液控/電控”等方式，組態(tài)靈活，適應(yīng)性廣。

2.4 FluidSIM圖形化建模

尾閘液壓?jiǎn)㈤]機(jī)系統(tǒng)原理圖采用CAD繪制，不能直接轉(zhuǎn)換為仿真系統(tǒng)識(shí)別的圖形，需要在FluidSIM液壓系統(tǒng)仿真環(huán)境下進(jìn)行圖形化建模，并導(dǎo)入實(shí)際模型參數(shù)，然后在程序中進(jìn)行模擬，在FluidSIM中建模與實(shí)際工作環(huán)境是一致的，一方面可以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果，提高和改進(jìn)設(shè)計(jì)工作效率，另一方面也為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的安裝調(diào)試和培訓(xùn)提供友好平臺(tái)[4]。

圖形化建模的過(guò)程就是按照原理圖進(jìn)行繪制和配置。繪制比較簡(jiǎn)單，找到相應(yīng)的元件符號(hào)拖曳到頁(yè)面上，再用線連接起來(lái)。元件的配置相對(duì)復(fù)雜一些，閥、儀表等各種元件需要進(jìn)行流量、壓力、控制方式等參數(shù)按實(shí)際工程需要配置。

對(duì)元件庫(kù)中沒(méi)有的元件，可以到網(wǎng)上搜索相應(yīng)的元件符號(hào)，或者用相應(yīng)的功能模塊替代。

對(duì)缸(活塞)可以配置標(biāo)尺，一個(gè)標(biāo)尺要以設(shè)置多個(gè)點(diǎn)，如接近開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、干簧開(kāi)關(guān)和滾輪開(kāi)關(guān)等方式，在到達(dá)預(yù)定位置后即觸發(fā)一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)。

首先，對(duì)尾閘液壓系統(tǒng)進(jìn)行圖形化建模(見(jiàn)圖1)。

圖1 液壓系統(tǒng)進(jìn)行圖形化建模

其次，對(duì)各個(gè)功能元件(如電磁閥、液壓缸等)功能配置，圖2為一個(gè)二位四通電磁換向閥功能配置，左端驅(qū)動(dòng)“彈簧復(fù)位”、右端驅(qū)動(dòng)選擇“機(jī)控”，并選擇閥體的位置功能。

圖2 液壓功能元件功能設(shè)置示例

接著，建立對(duì)應(yīng)的電氣仿真電路控制原理圖。狀態(tài)圖可以根據(jù)需要設(shè)定如缸、換向閥、壓力表、開(kāi)關(guān)等多種參數(shù)，把主要的模擬量、開(kāi)關(guān)量等狀態(tài)在仿真過(guò)程中同步展示出來(lái)。

2.5 模型仿真運(yùn)行

面向?qū)ο蟮膱D形化建模完成后，得到與實(shí)際系統(tǒng)高度相似的組態(tài)畫面，也就是仿真模型。在模擬啟動(dòng)以前，通過(guò)表面回路的檢查，可檢查當(dāng)前回路圖是否存在繪圖錯(cuò)誤。造成錯(cuò)誤的原因比如連線穿過(guò)元件、連線相互疊加、元件有重疊、連接口重疊或連接口之間不匹配、連接口未關(guān)閉、二個(gè)缸的標(biāo)注完全一致、不合適的標(biāo)簽等等。

仿真運(yùn)行有單步、連續(xù)兩種方式，連續(xù)仿真過(guò)程中也可以暫停。通過(guò)觀察仿真運(yùn)行過(guò)程可以檢查圖形化建模是否正確，運(yùn)行參數(shù)是否與實(shí)際相符。

從圖3可以觀察到當(dāng)前處于工作狀態(tài)的管路及液壓元件設(shè)備，管路的粗細(xì)表示管路當(dāng)前壓力相對(duì)大小，用顏色區(qū)分是有壓還是無(wú)壓管路，這對(duì)液壓系統(tǒng)分析非常直觀明了，對(duì)初學(xué)者可以直接感性理解系統(tǒng)的概況。如果系統(tǒng)發(fā)生故障，根據(jù)PLC操作步驟或者事件記錄，通過(guò)仿真系統(tǒng)可以迅速確定故障范圍，為設(shè)備檢修和恢復(fù)贏得寶貴時(shí)間。

3 結(jié) 語(yǔ)

抽水蓄能電站的壓力設(shè)備還包括進(jìn)水閥、調(diào)速器、調(diào)相壓水、壓力油罐自動(dòng)補(bǔ)氣等多個(gè)系統(tǒng)。壓力仿真系統(tǒng)對(duì)故障原因分析、實(shí)現(xiàn)快速檢修等的潛力還有待開(kāi)發(fā)，將來(lái)也許能成為技術(shù)人員學(xué)習(xí)和掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)提供了不可或缺的手段，把成熟的電氣仿真與機(jī)械仿真結(jié)合起來(lái)將更好體現(xiàn)機(jī)電一體化應(yīng)用。

圖3 閘門全開(kāi)位置投入鎖錠液壓動(dòng)態(tài)仿真示意

仿真系統(tǒng)目前主要用于液壓設(shè)備的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的圖形化建模和仿真還比較少。通過(guò)對(duì)蓄能電站的壓力設(shè)備建模仿真或許可以發(fā)現(xiàn)原系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的不足，為改進(jìn)提高創(chuàng)造有效手段。