【期刊】基于PLC的XT-1000型机械液压调速器改造.pdf

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1、1 4 2 84 2 描长春工程学院学报(自然科学版)2 0 0 8 年第9 卷第3 期J C h a n g c h u nI n s t T e c h(N a t S c i E d i)2 0 0 8。V 0 1 9。N o 3坚型!Q 塑：翌坠C N2 2-1 3 2 3 N基于P L C 的X T-10 0 0 型机械液压调速器改造郭瑞1，黄玉臣2(1 长春工程学院能源与动力学院，长春1 3 0 0 1 2；2 白山发电厂，桦甸1 3 2 4 0 0)摘要：针对X T-1 0 0 0 型调速器在运行过程中存在的问题，保留了原有的辅助接力器、主配压阅、主接力器和油压装置，采用以P L

2、 C 为硬件主体的伺服电机武可编程调速器对其进行技术改造。关键词：水轮机；调速器；P L C中图分类号：T K 7 3 0 4文献标识码：B文章编号：10 0 9 8 9 8 4(2 0 0 8)0 3 0 0 4 2 0 30 引言水轮发电机组能够把水能变成电能，供用户使用。用户除要求供电安全可靠外，还要求电能的频率及电压保持在额定值附近的某一范围内，如频率偏离额定值过大，就会影响用户的产品质量。水轮机调节的任务就是根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的有功功率输出，并维持机组转速在规定的范围内“】。完成水轮机调节任务的杨心设备就是水轮机调速器。某水力发电实验室现有一台X T-1 0 0 0

3、型机械液压调速器。出厂时间早，使用时间长，实验过程中频繁动作，导致调速器的调节品质差、转速死区大。随着水轮机调节技术日新月异的发展，原有的机械液压型调速器已经不能适应水轮机调节实验的教学要求，为了提高水轮机调节实验的技术水平，给学生提供一个良好的实验环境，更好地与工程实践相结合，水轮机调速器的改造迫在眉睫。水轮机调速器的改造一般有2 种方式：第1 种方式是整机更新，即直接更换一台以P L C(P r o g r a mL o g i cC o n t r o l l e r)或可编程计算机控制器为控制核心的微机调速器。此类改造的特点是，设备性能先进、技术水平高，但是改造费用昂贵。一般新购置一台

4、全新的小型微机调速器的价格在1 0 万一2 0 万元左右。第2 种方式是部分改造方式，保留能够继续使收稿E l 期：2 0 0 8-0 4-2 7作者简介：郭瑞(1 9 7 9 一)，男(汉)，吉林通化，硕士主要研究水电机组控制技术。用的液压放大元件和执行元件如：主配压阀、主接力器等，并在此基础上进行改造。拆除原有复杂的机械杆联式的自动调速控制柜。更换以P L C 为硬件主体的电气调速控制柜。这种改造方案不仅节省大量的资金(更换一台小型电气调速控制柜的资金约为4 万一5 万元)，而且改造工艺简单，工期短(一般3 5 d 即可改造完成)，改造后的调速器，结构简单、转速死区小、调节品质好、性能稳定

5、、自动化水平高、与上位机有通信接口，便于实现远程监控。通过比较，第2 种改造方案具有更好的性价比。改造前水力发电实验室的实验技术人员与武汉星联公司的技术人员一起对原X T-1 0 0 0 型调速器进行了认真分析检查，认为调速器供油系统(包括压力油罐、回油箱，油泵等)辅助接力器、主配压阀及主接力器等工作正常，可以继续发挥作用。因此，只需要对辅助接力器以上的部分进行改造(即采用第2 种改造方案)。1 改造方法1 1 改造后的调速器的主要部件经过详细的技术分析及论证后，对X T-1 0 0 0 型调速器进行改造，改造后的调速器以高性能的P L C作为调速器控制硬件的主体，用伺服电机作为电机转换部件，

6、用液压随动装置部件，作为执行机构。改造后的调速器分为4 个部分，电气控制部分、电机伺服装置、机械液压随动装置和油压装置。(1)电气控制部分电气控制部分是整个调速器的核心，该调速器选用的是目前运行速度较陕的日本三菱公司生产的F X 2 N 系列P L C 作为控制硬件的主体。其控制部分主要包括P L C 系统(P L C 主模块F X 2 N-3 2 M T、模拟量输人模块：F X O N 3 A)、频率信号整形模块、开关电源模块。主要功能是测量机组和电网的频率，按P I D规律对频差进行运算，产生具有P I D 规律的调节信号，实现频率、开度、功率等多种调节模式，实现开、停机操作和电气开度限制

7、等功能。万方数据郭瑞，等：基于P L C 的X T-1 0 0 0 型机械液压调速器改造4 3(2)电一机伺服装置即电信号转换成机械位移信号的装置。此装置由电机驱动装置加机械传动部件构成。电机驱动装置采用数控机床中成熟的直流伺服电机作为调速器的电，机转换部件的伺服驱动装置。机械传动部件采用了螺母丝杠机构的形式。此装置有很强的抗油污能力，结构简单，可靠性高，特别适合油质清洁度难以保证和管理水平不高的地方使用。(3)机械液压随动装置取消了原X T-1 0 0 0 型机械液压调速器的飞摆、引导阀、缓冲器、永态转差机构、反馈杠杆机构、转速调整机构开度限制机构和手动操作机构。保留原有的主配压阀、主接力器

8、、油压装置等机械部件作为执行机构。利用钢带将拉紧缸、主接力器反馈锥体、螺母丝杆机构与直流伺服电机连接起来，形成液压随动系统。(4)油压装置采用X T-1 0 0 0 型调速器原有的油压装置即可。此外，在改造过程中，为了营造良好人机对话界面，采用触摸式图形显示操作终端代替常规显示操作仪表。这种触摸式的图形显示操作终端包括机组状态、参数修改、内部参数、故障详情及帮助等多个操作画面。调速器的各项显示(频率、导叶开度、机组状况、控制模式等)、参数修改、手自动操作及故障分析均能够通过触摸式图形显示操作终端来完成。此种方式增强了调速器操作的灵活型和可靠性。1 2 改造后的电液执行机构的动作过程数字伺服电机

9、式调速器的电液执行机构用于直接控制接力器的动作。根据水轮发电机组的工作要求，采用武汉星联公司自主开发并申请专利的电液执行机构作为执行部件。其工作原理如下：用伺服电机控制的机械液压随动系统方案：(a)系统框图(图1)该方案的机械液压部分由电机伺服装置和机械液压随动系统两部分组成，电机伺服装置将电气控制信号y m 线性地转换成机械位移S。S 再去控制由主配压阀、接力器和钢带反馈组成的机械液压随动系统。P D-节一嘲L 伺t 孽-机俺矾张图l 伺服电机式调速器系统框图(b)用伺服电机控制的机械液压随动装置原理图(图2)由伺服电机(2)、丝杆螺母机构(3、5)和位移传感器(4)等组成电机伺服装置。在P

10、 L C 的控制下，构成小功率的伺服系统。将电气控制信号】，邶线性地转换成输出轴(6)的机械位移S。接力器反馈钢带连接输出轴(6)和接力器位移反馈杆(1 3)。钢带由拉紧缸(8)拉紧。同时拉紧缸活塞控制主配压阀的移动。当S 向下移动厶时，拉紧缸推动主配压阀向开机方向运动，直到接力器向开机侧移动，钢带将拉紧缸活塞向上移动缸，主配压阀回到中位为止。实现接力器位移跟踪调节器控制信号 知的功能脚。图2 机械液压随动装置原理l 手轮；2 伺服电机；3 丝杆；4 位移传感器；5 螺母；6 输出轴；7 钢带；8 拉紧缸；9 一紧急停机电磁阀；l O 开关时间调节机构；l l 一主配压阀；1 2 接力器活塞；

11、l，接力器反馈杆；1 3 改造后的调速器具有以下特点(1)采用了高性能的P L C 作为调速器的控制硬件，无故障时间为M T I B F =1 80 0 0 h，可靠性高。具有转速、开度、功率等多种调节模式，并能实现模式自动转换。(2)具有与上位机通讯的接口，便于实现电站计算机监控。(3)采用电机伺服装置代替了电液转换器，调速器静态耗油量小、抗油污能力强、可靠性高。(4)用电气开度限制代替了机械开度限制，系统结构得到了简化，提高了调速器可靠性。万方数据长春工程学院学报(自然科学版)2 0 0 8，9(3)(5)手动操作时具有机械反馈，运行稳定可靠，且易于实现自动一+手动的无条件、无扰动转换。(

12、6)保留了油压装置、主接力器、主配压阀等大型的部件，能够在调速器改造过程中节省资金，缩短工期。2 测试结果比较改造前，由于实验设备及实验条件的制约，X T-1 0 0 0 型调速器仅能完成调速器的静特性试验，而无法完成动态特性实验。原调速器静态实验结果为厶：0 2 0，调速器的非线性度6，劣于国家标准要求D 1。根据参考文献【3】规定的方法对改造后调速器进行静态特性试验，试验结果如下：调速器转速死区L=0 0 8，调速器的非线性度2 3 5。结果明显优于改造前调速器。改造后的调速器新增加的动态特性实验由空载扰动实验和甩负荷实验2 个实验组成，试验时参数选择如下：兀=1 5 8 s；7 0-9

13、s；6=3 5；T s=8 s；L=o 7 s；空载扰动试验(扰动量8)结果：上扰：转速超调量=o 7；调节时间-2 4 4 s。下扰：转速超调量-2 0；调节时间=1 5 3 s。甩负荷试验结果：(1)甩1 0 0 负荷时。最大转速上升1 5，转速波动次数为0 5 次，调节时间3 4 7 s。(2)甩2 5 负荷时，接力器不动时间为0 1 2 s。通过将以上动态试验结果与文献 3】中规定的标准比较可知，改造后的调速器各项动态性能指标均优于标准。3 结语(1)通过本次改造解决了原X T o l 0 0 0 调速器出现的调节品质差、转速死区大等问题，改造后的调速器调节灵敏、性能优良，各项性能达到

14、国标b 1 要求。(2)改造后的调速器既能够完成静态特性实验，又可以完成动态特性实验，其实验能力和实验技术水平有了明显提高。(3)与X T 型调速器相比较，改造后的调速器结构简单、操作方便、维护工作量小、可靠性高。(4)改造过程简单、工期短、投资少，特别适合对小型水电站调速器进行技术改造。参考文献 1 沈祖诒水轮机调节【M 。北京：中国水利水电出版社，2 0 0 6 2 吴运华。吴应文中小型水轮机机械液压调速器技术改造 J 中国农村水利水电，2 0 0 3，(0 7)：6 l 百3 3 武汉长江控制设备研究所水轮机调速器与油压装置标准汇编 M j E 京：中国标准出版社，2 0 0 1 T h

15、 er e f o F l Uo fX T _ 1 0 0 0m e c h a n i c a lh y d r a u l i cg o v e r n o rb a s e do np r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e rG U OR u i，e ta 1(F a c u t l yo f E n e r g y P o w e r。C h a n g c h u nI n s t i t u t eo f T e c h n o l o g y。C h a n g c h u n1 3 0 0 1 2，C h i n

16、 a)A b s t r a c t：A i m i n ga tt h ep r o b l e m so fX T-I0 0 0m e c h-a n i c a lh y d r a u l i cg o v e r n o re x i s t i n gi nt h eo p e r a t i o n，w ek e e pt h eo r i g i n a lm a i ns e r v o m o t o r，a u x i l i a r ys e r v o m o-t o r。o i lp r e s s u r es y s t e ma n dm a i np r e

17、 s s u r ed i s t r i b u t i o nv a l v e，r e f o r mt h es e r v ee l e c t r i c a lg o v e m o ru s i n gt h eP L Ca st h eh a r d w a r e K e yw o r d s：h y d r a u l i ct u r b i n e；g o v e r n o r；P L C万方数据基于PLC的XT-1000型机械液压调速器改造基于PLC的XT-1000型机械液压调速器改造作者：郭瑞，黄玉臣，GUO Rui，HUANG Yu-chen作者单位：郭瑞,G

18、UO Rui(长春工程学院,能源与动力学院,长春,130012)，黄玉臣,HUANG Yu-chen(白山发电厂,桦甸,132400)刊名：长春工程学院学报（自然科学版）英文刊名：JOURNAL OF CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCE EDITION)年，卷(期)：2008，9(3)引用次数：0次 参考文献(3条)参考文献(3条)1.沈祖诒 水轮机调节 20062.吴运华.吴应文 中小型水轮机机械液压调速器技术改造期刊论文-中国农村水利水电 2003(7)3.武汉长江控制设备研究所 水轮机调速器与油压装置标准汇编 2001 相似

19、文献(10条)相似文献(10条)1.学位论文 吴艾 步进式水轮机智能PCC双调节调速器的研制 2005 本论文在国家自然基金(50379044)的资助下完成。本文针对转桨式水轮机在开发低水头水力资源中的应用，研制出了一种基于PCC的新型步进式水轮机双调整调速器，使水轮机保持在高效区运行。调速器采用模块结构进行设计，该调速器具有频率调节模式、功率调节模式和开度调节模式。可实现自动、电气手动和机械手动等运行方式。在调节过程中实现了闭环开停机控制策略，并可在频率调节、开度调节、功率调节三种调节模式之间自动或手动无扰动切换。系统随动系统采用无油自复中的电液随动系统，大大提高了随动系统的可靠性。为了操作

20、的方便，采用彩色触摸屏作为人机接口，并且在人机界面中能够实现各种实验数据显示以及性能指标的计算。最后通过仿真分析说明了插值算法可以很好地描述协联关系，使调速器在运行过程中具有较高的精确度和可靠性。该调速器的研制完成后，在青铜峡水电厂9号机组作了静特性、空载扰动、空载稳定性、甩负荷等实验，实验完程后，在该机组试运行一个月，实验及运行结果表明，该双调节调速器具有良好的动静态特性，能够满足水轮机调节系统的各种要求，是一种性能优良的新型水轮机调速器。2.期刊论文 杨博.解大.陈陈.高芳.凌晓波 低频减负荷方案中计及调速器的水轮机模型的研究-水力发电2003,29(1)随着水力发电在我国电力系统中所占比

21、重的增加,水轮机在系统事故时的反应成为研究重点.基于计及调速器的水轮机模型,推导出频率差变化率与系统功率缺额的关系,在此基础上发展了自适应切负荷方法.通过考察水轮机模型与汽轮机模型在相同功率缺额时频率响应的差别,比较了水轮机模型投入切负荷方案与否的频率变化曲线不同,并通过设计不同的自适应切负荷方案,总结了该模型下低频切负荷方案的一些新特点.3.学位论文 杨君 基于PCC的步进式水轮机双调整调速器的研制 2004 本文针对转桨式水轮机在开发低水头水力资源中的应用，提出了一种基于PCC的步进式水轮机双调整调速器。该调速器在当前PCC步进式水轮机单调整调速器的基础上引入了桨叶自适应控制和基于RBF网

22、络的协联装置，可定期对转桨式水轮机协联关系进行自校正，保证水轮机始终运行在较高效率区。调速器采用模块结构进行设计，在调节过程中实现了闭环开机控制策略，并可在频率调节、开度调节、功率调节三种调节模式之间自动或手动无扰动切换。桨叶协调动作过程中，在当前数字协联对协联数据表格进行插值算法的基础上引入桨叶自适应控制，该方法以相对效率为判断依据，通过定导叶开度变步长搜索桨叶开度的方法，可在线寻找较优的协联数据，并通过学习能力、逼近能力较优的RBF神经网络学习协联数据对协联关系进行拟合、自校正，改善了转桨式水轮机长时间运行过程中协联数据的偏离，同时实现了全协联空间的连续取值。在设计时将协联关系的实现分为插

23、值和RBF神经网络两种方式；动作分为自动运行、电气协联、电气非协联和手动四种方式。4.会议论文 魏守平 我国水轮机数字式电液调速器评述 2005 本文对我国水轮机数字式电液调速器进行了探讨。文章围绕国内外大型数字式电液调速器比较、数字式电液调速器的微机调节器、机械液压系统、数字式电液调速器的调节和控制模式、数字式电液调速器的辅助功能、基于现场总线的全数字化水轮机微机调速器等进行了论述。5.期刊论文 李琪飞.李仁年.敏政.韩伟.LI Qi-fei.LI Ren-nian.MIN Zheng.HAN Wei 水轮机PID调速器最佳参数整定及寻优计算方法-排灌机械2006,24(4)由于水轮机的运行

24、工况有可能随时偏离设定的工况,所以PID调速器参数的整定对水轮机组的稳定运行十分重要.针对PID调速器调速的水轮机调节系统,从控制理论入手,依据其基本的状态方程,设定目标函数,利用变分原理通过对水轮机调速器可调参数整定进行分析和相应寻优计算,从而得出一种关于水轮机调节系统在转速扰动下调速器参数整定的方法和优化计算理论.通过工程算例,说明此种参数整定及寻优方法具有寻优效率高的特点,但缺点是必须构造相应的目标函数并经过较复杂的迭代计算.6.期刊论文 沈龙保 对水轮机自动调速器油压控制电路的改进-江西水利科技2001,27(3)YT-1000型油压自动调速器在运行中不能维持正常油压.在不增加任何设备

25、的情况下,只改动二次接线的处理方法,就能消除隐患,解决问题.7.期刊论文 汤浩明.TANG Hao-ming 高水头、大变幅电站机电设备的运行-贵州水力发电2008,22(1)天生桥一级水电站水头变幅比达1.7,水头变化导致水轮机的振动区变化,并引起调速器等控制设备出现异常、机组保护动作等故障.对此,本文提出了水轮机选型、运行和调速器等设备改造的意见和建议.8.会议论文 吴罗长.南海鹏.余向阳 基于RBF协联的水轮机PP41步进式双调整调速器 2004 转桨式水轮机调速器担负着导水机构和桨叶调整机构的双重调节任务,为了保证机组运行的可靠性和经济性,尽可能使其运行在高效区,需要保持良好的导叶动作

26、和桨叶动作的协联关系.近年来,可编程计算机控制器-PCC(ProgrammbleComputerController)在水轮机调速器领域得到了广泛的应用.它将计算机的多任务分时操作系统及高级编程语言引入到可编程逻辑控制器,从而使可编程计算机控制器同时具有PLC的高可靠性和计算机的快速、多任务及编程通用化的特点,能够实现复杂的控制任务.2001年推出的PowerPanel-PP41控制器集显示、键盘、通讯接口及开关量输入输出于一体,并具有六个旋入式模块插槽供用户扩展使用。本文提出的基于RBF的PP41步进式双调整调速器正是以PP41控制器为控制核心,并根据协联关系的特点,充分利用PP41的分时多

27、任务和高速处理数据的特点引入径向基函数(RBF)协联关系网络的新一代水轮机微机双调整调速器。9.期刊论文 顾丹峰.尹健.GU Dan-feng.YIN Jian 我国水轮机控制技术现状认识-云南水力发电2009,25(1)目前在我国水轮机调节行业中,广泛运用微型计算机技术、机电一体化技术和现代液压技术的新成果,水轮机微机调速器产品的主要技术指标一般都能达到国家技术标准的要求,较好地满足了我国水电建设事业的发展需要.混流式、轴流转浆式、贯流式、冲击式水轮机组所需配套的调速器都能由国内生产,三峡右岸电站水轮机控制设备实现国内采购就是这一状况的重大标志.国内调速器生产厂还与国际知名的调速器生产厂家配套生产微机调速器.国产化的水电控制设备已能配套出口到国外参与国际竞争.我国水轮机调节行业技术取得了巨大的进步,整体技术水平达到了国际先进水平.10.期刊论文 李保珠.马绍峰.邱天珍 鸭河口右岸电站调速器的改造-科技创新导报2008(29)CT-40系机械调速器,改进主要采用调速器整体不动不需拆除调速器基础部分,局部更换机械柜为微机控制型调速控制柜变改为数字同PCC调速器,缩短安装工期,节约技改资金约15万元左右.同时改造后,调速器降低了每年的大修费用.本文链接：http:/