陳 浩，張 堃，朱 斌

(三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443000)

水輪機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)主要是由調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)組成，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)速器電氣部分的控制[1]，液壓控制系統(tǒng)是處于執(zhí)行指令的環(huán)節(jié)，為調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)水輪機(jī)導(dǎo)葉動(dòng)作提供源動(dòng)力，進(jìn)而調(diào)節(jié)水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、功率及開停機(jī)[2]。隨著自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展，水電廠調(diào)速器控制系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)更新?lián)Q代，液壓控制系統(tǒng)精度和要求越來越高，新的液壓控制系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)完成后直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備調(diào)試應(yīng)用難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、周期長。通過對(duì)該大型水電站調(diào)速器液壓仿真系統(tǒng)的研究，以常規(guī)PLC為平臺(tái)，通過模塊化分類的編程算法，仿真現(xiàn)場(chǎng)液壓系統(tǒng)元器件的運(yùn)行動(dòng)作情況，開發(fā)水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)仿真裝置，通過該仿真裝置進(jìn)行液壓控制系統(tǒng)功能調(diào)試、開發(fā)、研究，確保液壓控制系統(tǒng)在投入使用時(shí)完全具備投運(yùn)功能，進(jìn)而減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試試驗(yàn)周期以及可能帶來的故障風(fēng)險(xiǎn)，也可為調(diào)速器液壓控制系統(tǒng)開發(fā)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 調(diào)速器液壓系統(tǒng)工作原理

液壓系統(tǒng)通常由壓油裝置、油壓裝置、控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)管理者四個(gè)部分構(gòu)成[3]。液壓系統(tǒng)的控制主要是通過對(duì)各類閥的動(dòng)作，使整個(gè)液壓系統(tǒng)的油位、油壓在正常范圍內(nèi)，確保機(jī)組在運(yùn)行時(shí)能正常開啟關(guān)閉導(dǎo)葉，并在出現(xiàn)故障時(shí)能夠快速關(guān)閉水輪機(jī)導(dǎo)葉，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本液壓仿真系統(tǒng)主要仿真壓油裝置與油壓裝置，包括回油箱、進(jìn)油閥、壓油泵、過濾器、油冷器、隔離閥、補(bǔ)氣閥、壓油罐及管道，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。液壓系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，液壓控制系統(tǒng)發(fā)令啟動(dòng)壓油泵，壓油泵將回油箱的油通過壓力管道打入壓油罐，隔離閥開啟，壓油罐的油通過管道將壓力油打入主接力器，控制導(dǎo)葉動(dòng)作[4]。液壓仿真系統(tǒng)其主要原理為將液壓控制系統(tǒng)DO輸出至液壓仿真裝置的DI，即將液壓系統(tǒng)閥類控制指令輸出至液壓仿真裝置，再通過仿真裝置內(nèi)部邏輯控制判斷仿真現(xiàn)場(chǎng)閥的動(dòng)作情況、反饋情況以及故障情況，并且將液壓仿真裝置的DO與AO反饋回液壓控制系統(tǒng)的DI與AI，以此驗(yàn)證液壓系統(tǒng)程序邏輯的正確性。

圖1 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿真系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)硬件部分由電源模塊、西門子300PLC，TP277觸摸屏構(gòu)成，通過PROFIBUS總線連接，內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu)及裝置設(shè)計(jì)如圖2所示，外部信號(hào)與控制系統(tǒng)接線采用獨(dú)立設(shè)計(jì)的PCB板連接，其PCB板設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 仿真系統(tǒng)裝置模塊電氣圖及外觀設(shè)計(jì)圖

圖3 PCB板連接線設(shè)計(jì)圖

3 仿真系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

在進(jìn)行仿真系統(tǒng)建模時(shí)將分為兩個(gè)部分，一部分為閥類控制與故障模擬、一部分為液壓系統(tǒng)壓力/油位動(dòng)態(tài)控制，控制系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 調(diào)速器液壓仿真裝置結(jié)構(gòu)圖

人機(jī)交互系統(tǒng)運(yùn)行在觸摸屏中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示讀取功能，設(shè)置液壓控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，模擬運(yùn)行故障；觸摸屏通過PROFIBUS總線與PLC連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的通信；液壓仿真控制器通過運(yùn)算后，將相應(yīng)的控制信號(hào)經(jīng)過處理后送至人機(jī)交互系統(tǒng)顯示，同時(shí)通過開關(guān)量輸出模塊與模擬量輸出模塊將信號(hào)送至液壓控制柜。在進(jìn)行故障模擬時(shí)可以通過人機(jī)交互系統(tǒng)將控制指令下發(fā)至PLC，以此來校驗(yàn)液壓控制系統(tǒng)功能的正確性，仿真控制器結(jié)構(gòu)編程分為兩部分。

3.1 閥類仿真控制

液壓控制系統(tǒng)通過對(duì)液壓設(shè)備加卸載閥、隔離閥、壓油罐補(bǔ)氣裝置、回油箱油冷卻器、油過濾器等裝置的控制最終使回油箱液位、壓油罐油壓、壓油罐液位等電氣量運(yùn)行在正常范圍水平。液壓系統(tǒng)閥類動(dòng)作情況在仿真時(shí)流程基本一致，控制流程圖如圖5所示。

圖5 閥類動(dòng)作原理圖

在閥無全開反饋故障時(shí)，當(dāng)閥收到開啟令后延時(shí)一段時(shí)間后開度若大于98%且閥無運(yùn)行故障，則反饋給液壓控制系統(tǒng)閥全開反饋信號(hào)。

現(xiàn)場(chǎng)閥類主要包括：壓油泵加/卸載閥、補(bǔ)氣閥、冷卻水閥、鎖錠、隔離閥等。

3.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真控制

液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)為瞬態(tài)過程，仿真時(shí)將液壓系統(tǒng)分為幾個(gè)部分建模：每個(gè)部分系統(tǒng)動(dòng)態(tài)表示為流入和流出該封閉容腔流量的瞬態(tài)變化[5]。在進(jìn)行建模時(shí)采用經(jīng)典節(jié)點(diǎn)容腔建模法，設(shè)∑Q是進(jìn)出容腔流量總和，則由連續(xù)性方程可以得出容腔壓力基本方程為

(1)

其中，E0為體積彈性模量系數(shù)，其計(jì)算表達(dá)式為[6]

(2)

3.2.1 壓油泵仿真建模

在液壓系統(tǒng)中，壓油泵為調(diào)速系統(tǒng)生產(chǎn)壓力油，供給調(diào)速器執(zhí)行部件源源不斷的動(dòng)力。在隔離閥未打開時(shí)，壓油泵將壓力油打入管道；在隔離閥打開時(shí)，壓油泵將壓力油打入壓油罐中。在壓油泵建模時(shí)忽略油的損耗、油的壓縮性等因素，考慮壓油泵從回油箱吸收的油和打入系統(tǒng)的油是相等的，如式(3)所示。

Qipi(t)(輸入流量)=Qipo(t)(輸出流量)=
Qc(t)(實(shí)際輸出流量)

(3)

可得出單油泵加載時(shí)油泵建模模型：

Qipi(t)(輸入流量)=(0.15q0/3 600)+Q0

(4)

其中：q0為掃描周期150 ms的單泵流量；Q0為前一時(shí)刻地油泵輸入流量。

當(dāng)油泵卸載時(shí)：

Qipi(t)(輸入流量)=Qipo(t)(輸出流量)=0

(5)

3.2.2 管道仿真建模

管道壓力仿真建模時(shí)可分為兩種情況，第一種為隔離閥未開啟時(shí)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)容腔建模法可以對(duì)管道進(jìn)行建模[7]：

Pg(t)=E0(∑Qgi(t)-∑Qgo(t))/
(Vg+Pg(t-1))

(6)

其中：Pg(t)表示當(dāng)前管道壓力；∑Qgi(t)表示當(dāng)前進(jìn)入管道的流量；∑Qgo(t)表示當(dāng)前流出管道的流量；Vg表示管道體積；Vg+Pg(t-1)表示上一周期管道壓力。

另一種情況為隔離閥處于開啟狀態(tài)，此時(shí)管道壓力和壓油罐壓力相等，即：

Pg(t)=Py(t)

(7)

3.2.3 壓油罐仿真建模

壓油罐是液壓系統(tǒng)中的一種能量?jī)?chǔ)存裝置，主要供給接力器與調(diào)速器恒定的壓力油源，能自動(dòng)補(bǔ)充耗油、耗氣及泄漏，以便維持油壓與油位在允許范圍內(nèi)[8]。本文主要對(duì)氣體加載非隔離式蓄能器進(jìn)行系統(tǒng)建模，氣體加載非隔離式蓄能器利用氣體的壓縮和膨脹來儲(chǔ)存、釋放壓力能。通常，氣體的壓力與體積的關(guān)系PVm=const，在進(jìn)行壓油罐建模的時(shí)候，考慮氣體是等溫過程，取m=1進(jìn)行建模。

其建模算法為

Vy(t)=Vy(t-1)+∑Qyi(t)-∑Qy0(t-1)
Py(t)=(PV)/Vy(t)
Hy(t)=(Vy(t)-V0)/Sy

(8)

其中：Vy(t)為當(dāng)前壓油罐氣體體積；Vy(t-1)為前一周期壓油罐氣體體積；∑Qyi(t)當(dāng)前流入壓油罐油體積；∑Qy0(t-1)當(dāng)前流出壓油罐流油體積；Hy(t)為當(dāng)前壓油罐液位；Sy為壓油罐截面積。壓油罐的油位和油壓初始值由觸摸屏畫面設(shè)置。

3.2.4 回油箱仿真建模

回油箱是回油存儲(chǔ)器，為重新打入壓力油提供油源，并在回油箱內(nèi)對(duì)油進(jìn)行過濾、加熱等。回油箱在油位低時(shí)油泵將不能為液壓系統(tǒng)提供油源，此時(shí)液壓油泵不能運(yùn)行，在進(jìn)行回油箱建模時(shí)，回油箱仿真建模算法如下：

Vh(t)=Vh(t-1)+∑Qhi(t)-∑hy0(t-1)
Hh(t)=Vh(t)/Sh

(9)

其中：Vh(t)表示當(dāng)前回油箱體積；Vh(t-1)表示上一時(shí)刻回油箱體積；∑Qhi(t)表示當(dāng)前流入回油箱油量；∑hy0(t-1)表示當(dāng)前流出回油箱油量；Sh表示回油箱截面積；Hh(t)表示回油箱液位。

4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

通過人機(jī)界面可以實(shí)現(xiàn)液壓泵，壓油罐、管道、回油箱及閥組狀態(tài)顯示、故障模擬、參數(shù)設(shè)置等功能，部分設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 液壓系統(tǒng)仿真裝置畫面設(shè)計(jì)圖

5 仿真效果應(yīng)用

在缺少油泵控制柜、油泵電機(jī)、壓油罐、回油箱及管路等設(shè)備的情況下，完成了液壓系統(tǒng)控制柜的系統(tǒng)回路、功能、故障調(diào)試。具體包括：

1)驗(yàn)證液壓控制柜各狀態(tài)指示、故障報(bào)警、事件、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)等功能的正確性；

2)驗(yàn)證液壓控制柜啟泵時(shí)油泵延時(shí)啟泵信號(hào)、反饋信號(hào)動(dòng)作功能正常；

3)驗(yàn)證液壓系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)加/卸載閥、隔離閥動(dòng)作及復(fù)歸等開關(guān)量信號(hào)反饋正常；

4)驗(yàn)證仿真系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)壓力、壓油罐壓力、壓油罐油位、回油箱油位、油溫、泵流量等模擬量數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算后，液壓控制柜數(shù)據(jù)同步顯示并應(yīng)用；

5)仿真系統(tǒng)配合液壓控制系統(tǒng)完成啟停過程、運(yùn)行態(tài)、故障態(tài)、壓油泵啟停邏輯、壓油泵倒換邏輯、液壓系統(tǒng)開停機(jī)過程流轉(zhuǎn)等控制邏輯功能的驗(yàn)收調(diào)試。

6 結(jié) 語

新開發(fā)的水輪機(jī)調(diào)速器液壓仿真裝置主要仿真現(xiàn)場(chǎng)液壓系統(tǒng)元器件工作狀態(tài)反饋以及回油箱液位及油溫、管道系統(tǒng)壓力、壓油罐油氣壓力及油位等高精度的全方位自動(dòng)模擬功能。液壓仿真裝置擁有良好的人機(jī)界面可以展示被模擬系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，也可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和故障模擬，具備調(diào)試方便、簡(jiǎn)潔、數(shù)據(jù)直觀、周期短、功能齊全、安全性高等特點(diǎn)。該裝置經(jīng)過多次試驗(yàn)，功能完善，邏輯性強(qiáng)，可以仿真現(xiàn)場(chǎng)液壓系統(tǒng)的運(yùn)行情況，操作方便。每個(gè)部分采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊對(duì)應(yīng)編程，程序邏輯性強(qiáng)、安全可靠，并且留有繼續(xù)開發(fā)的功能接口，可根據(jù)實(shí)際工況再進(jìn)行優(yōu)化。