李慶

（東方電氣自動控制工程有限公司， 四川德陽， 618000）

1 前言

隨著人工智能控制技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展， 根據(jù)整個發(fā)電設(shè)備制造行業(yè)的國內(nèi)外發(fā)展趨勢， 研發(fā)汽輪機智能控制設(shè)備和智能控制系統(tǒng)適應(yīng)整個行業(yè)的發(fā)展要求， 更是儲備自身核心技術(shù)為持續(xù)進行前沿技術(shù)的研究提供技術(shù)支持。

為了更好地利用工業(yè)4.0、 互聯(lián)網(wǎng)+進行轉(zhuǎn)型。從智能設(shè)備、 智能運行、 智能檢修、 廠級智慧決策以及集團級智慧決策等方面對智慧電廠的建設(shè)提出了更安全、 更高效、 更智能、 更綠色、 可持續(xù)發(fā)展等終極目標(biāo)。 其中最根本途徑是要實現(xiàn)這種基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)

智能總線型電液比例控制技術(shù)也得到飛速發(fā)展， 該技術(shù)是將基于現(xiàn)場總線智能通訊集成到電液比例閥上， 是一種集成了比例閥， 電子傳感器，電子放大器， 智能總線接口和數(shù)字顯示為一體的設(shè)備， 目前常規(guī)電液比例閥的控制性能和動態(tài)特性已經(jīng)基本達(dá)到比例閥的性能， 且很多使用比例閥控制的系統(tǒng)和設(shè)備都已逐步被電液比例閥所取代。 本文是基于對應(yīng)用了智能總線型電液比例閥的汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機的研究， 通過研究數(shù)據(jù)表明， 電液比例閥完全可替代比例閥應(yīng)用于汽輪機調(diào)速系統(tǒng)上， 并具有抗污染性能好， 經(jīng)濟性高等優(yōu)點， 最重要的是可實現(xiàn)對汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機智能控制和智能通信為今后基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧電廠建設(shè)提供了重要的技術(shù)和功能支持。

2 智能總線型電液比例控制技術(shù)簡介

2.1 智能總線技術(shù)簡介

智能總線技術(shù)是主要應(yīng)用于自動化控制領(lǐng)域的新型技術(shù)， 為現(xiàn)場設(shè)備和儀表互連提供了一種通信網(wǎng)絡(luò)。 智能總線技術(shù)完全突破了傳統(tǒng)控制技術(shù)的一對一的結(jié)構(gòu)模式， 是把分散的單個控制對象通過智能總線技術(shù)連接起來， 并將控制對象變成智能網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點， 并使每個節(jié)點都能成為相互通訊的基站， 實現(xiàn)完成最終控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 智能總線技術(shù)是一種新型測控技術(shù)與計算機智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合后的產(chǎn)物。

2.2 電液比例閥技術(shù)簡介

電液比例閥主要由電子比例放大器， 比例電磁鐵， 閥芯， 閥體， 復(fù)位彈簧和閥芯位移傳感器組成。 其原技術(shù)原理是： 指令信號通過電子比例放大器轉(zhuǎn)化為電流信號作用到比例電磁鐵上產(chǎn)生一個與電流信號大小成比例的電磁力來推動比例閥閥芯產(chǎn)生一個相應(yīng)的位移。 并通過閥芯位移傳感器實時將閥芯實際位移量反饋給控制信號做比較。 從而實現(xiàn)了精確而連續(xù)比例控制。 圖1 是比例閥控制框圖。

圖1 電液比例閥控制框圖

工程應(yīng)用中電液比例閥傳遞函數(shù)通?？珊喕癁槎A振蕩環(huán)節(jié)：

式中， Kq為電液比例閥的流量增益； ων為電液比例閥固有頻率； δν為電液比例閥阻尼比。

2.3 智能總線型電液比例控制技術(shù)

電液比例控制技術(shù)是通過以比例電磁鐵推動液壓閥的閥芯運動進而控制液壓流體的運動方向和流量。 隨著電子科技和比例控制技術(shù)的迅速發(fā)展， 目前集成了智能總線技術(shù)和智能控制技術(shù)于一體的電液比例閥已經(jīng)被開發(fā)出來即智能總線型電液比例閥。

將智能總線型電液比例閥應(yīng)用到被控對象中即形成一種新型的控制技術(shù)： 即配置了基于智能總線技術(shù)的數(shù)字式電子控制器。 在實際使用中可以將該比例閥乃至整個控制對象接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進而實現(xiàn)智慧電廠中智能監(jiān)測， 智能檢修要求。

圖2 智能總線型電液比例控制技術(shù)方框圖

3 汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機的工作原理

因智能總線型電液比例閥在控制精度， 頻響特性上都和常規(guī)伺服閥基本一致， 且其具有對油質(zhì)清潔度要求不高， 價格低廉等優(yōu)點。 完全可以替代常規(guī)電液伺服閥應(yīng)用于汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機中， 并通過智能總線技術(shù)實時監(jiān)測汽輪機調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài)。 通過該技術(shù)的應(yīng)用率先研發(fā)了汽輪機關(guān)鍵智能設(shè)備： 基于智能總線型電液比例控制技術(shù)汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機的原理如圖3 所示； 該油動機是整個汽輪機調(diào)速系統(tǒng)最重要的設(shè)備之一，其動態(tài)性能的好壞直接影響汽輪機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的控制、 一次調(diào)頻、 OPC 超速控制等工況的控制效果， 進而影響整個汽輪機組的性能和安全性。

圖3 汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機原理圖

如圖3 所示， 汽輪機調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)在機組正常工況下是通過由電液比例閥和位移傳感器組成電液比例閉環(huán)控制系統(tǒng)來控制汽輪機調(diào)節(jié)閥門的開啟和關(guān)閉位置， 在單個汽輪機調(diào)節(jié)閥做快關(guān)試驗或在汽輪機組危急工況狀態(tài)下汽輪機調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)是通過卸掉超速限制油（OPC 油）來快速關(guān)閉汽輪機調(diào)節(jié)閥門的， 且整個快關(guān)時間小于0.3 s（包含延時）。

通過理論研究可知應(yīng)用了智能總線型電液比例閥的汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機在控制精度上， 響應(yīng)速度上均和電液伺服閥控制技術(shù)的汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機基本一致。 且電液比例閥對液壓油質(zhì)清潔度要求沒有伺服閥高。 因此具有更高可靠性。 由此可知電液比例閥完全可以替代伺服閥應(yīng)用到汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)上； 并能通過智能總線技術(shù)實時監(jiān)測汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)汽輪機閥門的工作狀態(tài)。 采用智能總線的現(xiàn)場總線技術(shù)， 分散在現(xiàn)場的閥門位置控制器與汽輪機電液控制系統(tǒng)之間可以傳輸大量的信息， 從而實現(xiàn)閥門位置控制器執(zhí)行較為復(fù)雜的任務(wù)， 提高了信號這個表述含義不清線的利用率， 節(jié)省了硬件投入。 現(xiàn)場總線的接線比傳統(tǒng)硬接線更為簡單， 基于智能總線技術(shù)， 僅使用一條傳輸線， 就可以掛接多個智能設(shè)備， 節(jié)約了現(xiàn)場安裝成本。

4 汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機仿真分析

通過對基于智能總線型電液比例控制技術(shù)的汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機的理論研究， 可將此油動機簡化為基于電液比例閥控制的包含彈性負(fù)載的位置控制系統(tǒng)， 其傳遞函數(shù)框圖如圖4 所示。

圖4 汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機傳遞函數(shù)框圖

將應(yīng)用了智能總線型電液比例控制技術(shù)的汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機通過仿真軟件建立了整個裝置的簡化仿真模型， 如圖5 所示， 并在仿真系統(tǒng)里設(shè)置了各個元器件的具體參數(shù)。

圖5 汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機仿真模型

通過對基于智能總線型電液比例控制技術(shù)的汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機仿真模型進行仿真并對其結(jié)果進行分析， 通過仿真軟件繪制了整個系統(tǒng)的bode 圖， 如圖6 所示。

圖6 汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機動態(tài)特性曲線

通過bode 圖可看出基于智能總線型電液比例控制技術(shù)的汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機的幅值裕度為25 dB， 相位裕度為155°， 由此可知該系統(tǒng)是一個穩(wěn)定的液壓系統(tǒng)。

通過控制器給定75%的指令后， 通過智能總線可以在控制系統(tǒng)畫面上實時查看基于智能總線型電液比例控制技術(shù)的汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機動態(tài)響應(yīng)結(jié)果， 如圖7 所示： 系統(tǒng)表現(xiàn)為線性系統(tǒng)，且調(diào)節(jié)閥油動機位置反饋信號， 電液比例閥的控制信號均與指令信號在動態(tài)頻率上保持一致， 最終的穩(wěn)態(tài)誤差小于5%， 動態(tài)響應(yīng)上閥門上升時間低于下降時間。 在0～75%的階躍信號下的響應(yīng)時間為1.2 s 左右。

圖7 汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機性能數(shù)據(jù)（PID 校準(zhǔn)前）

通過調(diào)整控制器中的PID 參數(shù)后， 并給定75%的指令， 通過智能總線可以在控制系統(tǒng)畫面上可實時查看基于智能總線型電液比例控制技術(shù)的汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機動態(tài)響應(yīng)結(jié)果， 如圖8 所示： 系統(tǒng)表現(xiàn)為線性系統(tǒng)， 且調(diào)節(jié)閥油動機位置反饋信號， 電液比例閥的控制信號均與指令信號在動態(tài)頻率上保持一致， 最終的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.5%， 動態(tài)響應(yīng)上閥門上升時間低于下降時間。在0～75%的階躍信號下的響應(yīng)時間為1.4 s 左右。

圖8 汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機性能數(shù)據(jù) （PID 校準(zhǔn)后）

通過上述結(jié)果可知基于智能總線型電液比例控制技術(shù)的汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機具有非常好的動態(tài)特性， 其動態(tài)響應(yīng)結(jié)果在控制精度和響應(yīng)速度上均可滿足汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)使用要求。

5 結(jié)論

本文通過將智能總線型電液比例控制技術(shù)應(yīng)用到汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)汽輪機控制系統(tǒng)中， 通過理論研究和仿真分析從而驗證了基于智能總線型電液比例控制技術(shù)的汽輪機調(diào)節(jié)閥油動機在控制精度， 頻響特性上均不低于基于常規(guī)電液伺服控制系統(tǒng)， 且具有對汽輪機調(diào)節(jié)油清潔度要求不高，價格低廉等優(yōu)點。 完全可以替代常規(guī)電液伺服閥應(yīng)用于汽輪機組調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中； 并能通過智能總線技術(shù)實時監(jiān)測汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)汽輪機閥門的工作狀態(tài)，

智能總線技術(shù)是應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備之間、 現(xiàn)場設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的數(shù)字通信技術(shù)， 其特點是以數(shù)字通信替代傳統(tǒng)模擬信號及普通開關(guān)量信號的傳輸。 智能總線是一套具有高性能、 高可靠性等特點的工業(yè)現(xiàn)場總線， 具有高可靠性和良好的錯誤檢測能力， 被廣泛應(yīng)用于環(huán)境溫度惡劣、 電磁輻射強和振動大的工業(yè)控制環(huán)境中。 通過該技術(shù)的應(yīng)用可為之后智慧電廠建設(shè)并最終實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。