CN101581326A - 全数字集成式筒形阀电液同步控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于水轮发电机组进水阀门控制领域，具体的讲是全数字集成式筒形阀电液同步控制系统。本发明包括液压控制系统为数字量化缸，所述的数字量化缸包括缸体、活塞、机械反馈机构、接力器位移传感器、反馈耦合机构、耦合齿轮、数字阀、液控单向阀、步进电机，数字阀与步进电机相连，耦合齿轮安装在反馈耦合机构与数字阀阀芯之间，耦合齿轮上安装有接力器位移检测传感器，机械反馈机构连接反馈耦合机构和活塞，本发明所涉及的电液同步控制系统，既有机械同步方式的优点，又能克服现有电液同步方式的缺点，比现有电液同步方式可靠性高、控制精度高，结构简单，安装、操作、维护方便。

Description

全数字集成式筒形阀电液同步控制系统

技术领域：

本发明属于水轮发电机组进水阀门控制领域，具体的讲是全数字集成式筒形阀电液同步控制系统。

背景技术：

在水电站水轮发电机组进水阀门之一，即筒形阀的使用中，除筒形阀本体的设计、制造、安装外，筒形阀的控制，即如何保证多只接力器的同步，成为筒形阀控制的关键技术问题。

目前，国内筒形阀同步机构广泛采用的同步方式有两种：分别是机械同步方式和电液同步方式。

机械同步方式是在筒形阀体的上端，沿圆周均匀地布置多只液压接力器，每只接力器下端固定在阀体上。每只接力器的丝杠上端装有齿轮，通过链条使所有的齿轮同时运动。液压接力器活塞向上运动，筒形阀开启；液压接力器活塞向下运动，筒形阀关闭。各接力器活塞的同步移动由可逆传动的滚动螺旋副实现。滚动螺旋副是在接力器活塞杆上，固定一只滚动螺旋传动的螺母，螺母连接传动丝杠。当接力器活塞上、下移动，开启、关闭筒形阀时，丝杠随之正、反向旋转，通过丝杠上端的齿轮，将筒形阀的上下垂直运动，变为齿轮的径向旋转运动，齿轮带动链条，连动其他接力器的齿轮同速旋转，并反作用于其丝杠而实现多只接力器的同步。机械同步方式主要依靠丝杠、链条等运动部件相互配合，保证各接力器上下同步运动；接力器活塞的上升、下降运动由液压控制系统驱动。

机械同步方式有如下优点：

(1)筒形阀开启、关闭可自动、手动控制；

(2)在调试或电气失灵时，仍然可全手动开启、关闭筒形阀；

(3)管路少，连接点少，有利于电厂达标；

(4)调试、维护工作简单、方便。

机械同步方式也有如下缺点：

(1)同步精度无法量化；

(2)接力器油缸无自调节能力，链条同步对发生异步的油缸矫正能力差；

(3)只能定速启闭，不能按任意曲线启闭；

(4)在布置上场地空间要求较大。

电液同步方式由液压控制系统和电气控制系统组成，这两个控制系统缺一不可。液压控制系统必须由电气控制系统精密控制，电气控制系统必须通过液压控制系统执行，才能操作接力器，带动筒形阀开启与关闭。

基于当今世界的经验及技术，目前所有筒形阀控制装置生产厂家主要采用，而且可行的电液同步方案有两个：同轴油马达方案、伺服比例阀方案。主流电液同步方案是同轴油马达方案。

其优点：

(1)筒形阀开关控制规律可编程任意调整；

(2)对发生异步的接力器矫正能力好；

(3)可按程序指定启闭速度进行启闭控制。

其缺点：

(1)不能在任何操作方式下实现高精度同步；

(2)控制复杂；系统、管路、结构复杂，不利于电厂达标；

(3)系统安装、调试、维护困难；

(4)在场地布置上空间要求较大。

随着我国水电开发进度的加快，机组容量、尺寸越来越大，筒形阀的尺寸也越来越大，筒体重量也越来越重，原先比较成熟的机械同步方式就显示出其先天的缺陷性。只有采用电液同步方式才能满足现在水电开发大尺寸、大重量、大行程筒形阀的同步控制需求。但是，目前主要使用的前述两种电液同步方式的实际使用效果不是很理想。

本发明所涉及的电液同步控制系统，既有机械同步方式的优点，又能克服现有电液同步方式的缺点，比现有电液同步方式可靠性高、控制精度高，结构简单，安装、操作、维护方便。

发明内容：

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种全数字集成式筒形阀电液同步控制系统，包括液压控制系统和电气控制系统，其特征在于：所述液压控制系统为数字量化缸，所述的数字量化缸包括缸体、活塞、机械反馈机构、接力器位移传感器、反馈耦合机构、耦合齿轮、数字阀、液控单向阀、步进电机，所述数字阀与步进电机相连，所述耦合齿轮安装在反馈耦合机构与数字阀阀芯之间，所述耦合齿轮上安装有接力器位移检测传感器，所述机械反馈机构连接反馈耦合机构和活塞，所述电气控制系统包括控制部分和功率部分，所述控制部分包括可编程序控制器；所述功率部分包括电源转换装置、电源选择装置、步进电机控制器。

所述的机械反馈机构的滚动螺旋传动螺母，固定在活塞上；所述机械反馈机构的反馈传动螺旋杆，通过反馈耦合机构，与耦合齿轮、数字阀阀芯螺旋耦合。

所述数字量化缸是指液压控制装置与筒形阀接力器集成为一个整体。

所述机械反馈机构为扭转螺旋体。

所述传感器为多圈旋转绝对位置编码器。

所述可编程序控制器，包括电源模块、CPU模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、步进电机控制模块、通讯模块。

所述电气控制装置供电电源为220VDC电源和220VAC电源。

本发明具有以下优点：

一、全数字集成式筒形阀电液同步控制系统，摒弃了传统的从动控制理念，采用主动控制模式。传统的从动控制，是对控制对象施加控制信号，执行机构执行，用传感器检测控制对象的运动状态，将控制对象的运动情况反馈到控制器。在控制器内与目标值进行多次比较、调节、修正，形成闭环反馈控制系统，使控制对象最终到达预定目标值。在目标值周围，系统始终在进行随动闭环反馈动态调节。

本发明接力器活塞运动控制，是电气系统根据目标值，给出一定量的控制脉冲，液压系统就自动按数字量化值叠加动作，直至目标值。通俗地说，就是想让接力器活塞走多少位移量，就给接力器活塞位移量÷数字量化值个的控制脉冲，接力器活塞就自动走给定的位移量；

二、整个系统控制(包括电气系统和液压系统)，从行程检测、控制信号、接力器的液压运动操作，全程实现了精密数字化。接力器位置检测采用多圈旋转绝对位置编码器。在设计上，严格保证接力器活塞移动10mm，编码器旋转1圈。编码器旋转输出信号，就是标准的数字信号。

接力器活塞，在液压油操作下，是以数字量化值运动。控制脉冲与接力器活塞移动位移，具有严格的对应关系。

三、筒形阀任何开启与关闭操作，接力器都是高精度同步；

四、对发生异步的操作接力器(油缸)具有很强的矫正能力；

五、接力器位置检测精度高；

六、即使系统压力油源消失，也可保持筒形阀在任意开度位置(包括全开位置)长期基本锁定不变；

七、系统结构简单、器件少。液压控制系统，就是几只数字量化缸。具体数量与操作接力器数量一致，它是由筒形阀结构设计决定。可大大减少了安装空间，减少了工地安装与调试的时间。

附图说明：

图1为全数字集成式筒形阀电液同步控制系统结构示意图(6个数字量化缸)；

图2为数字量化缸结构示意图；

图3为电气系统结构框架图(6个数字量化缸)。

所示附图中1、数字量化缸  2、缸体  3、活塞  4、机械反馈机构  5、接力器位移传感器  6、反馈耦合装置  7、耦合齿轮  8、数字阀  9、液控单向阀  10、步进电机

具体实施方式：

本发明提出的是一种全数字集成式筒形阀电液同步控制系统，包括液压控制系统和电气控制系统。其特征在于：所述液压控制系统包括数字量化缸，所述的数字量化缸包括缸体(2)、活塞(3)、机械反馈机构(4)、接力器位移传感器(5)、反馈耦合机构(6)、耦合齿轮(7)、数字阀(8)、液控单向阀(9)、步进电机(10)。所述数字阀(8)与步进电机(10)相连，所述耦合齿轮(7)安装在反馈耦合机构(6)与数字阀(8)阀芯之间。所述耦合齿轮(7)上安装有接力器位移检测传感器(5)，所述机械反馈机构(4)连接反馈耦合机构(6)和活塞(3)。所述电气控制系统包括控制部分和功率部分，所述控制部分包括可编程序控制器；所述功率部分包括电源转换装置、电源选择装置、UPS电源、步进电机控制器。

机械反馈机构(4)的滚动螺旋传动螺母，固定在活塞(3)上；所述机械反馈机构(4)的反馈传动螺旋杆，通过反馈耦合机构(6)，与耦合齿轮(7)、数字阀(8)阀芯螺旋耦合。机械反馈机构为扭转螺旋体，传感器为多圈旋转绝对位置编码器，数字量化缸数量为一个或者多个，可编程序控制器，包括机架、电源模块、CPU模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、步进电机控制模块、通讯模块。电气控制装置供电电源为220VDC电源和220VAC电源。

全数字集成式筒形阀电液同步控制系统，关键部件是组成液压控制系统基本单元的数字量化缸。数字量化缸是一个主动控制的液压执行机构。

全数字集成式筒形阀电液同步控制系统的液压控制系统，就是由几个基本单元---数字量化缸组成。数字量化缸的数量，就是筒形阀所需要接力器的数量。筒形阀所需要接力器的数量，是由设计计算决定。

在每个接力器顶部，安装有一套精密数字量化液压控制装置。液压控制装置与筒形阀接力器集成在一起，成为一个有机的整体，通过与接力器活塞巧妙联接的内置式高精度机械位置反馈机构，对筒形阀操作接力器的运动速度、位置进行实时反馈，形成位置闭环，速度可控，自动完成接力器的数字化运动操作。

我们把液压控制装置与筒形阀接力器的集成体，称为数字流体缸(简称：数字缸)，更准确的应该称为数字量化缸(简称：数字缸)。

数字量化缸就是带精密数字量化液压控制装置的接力器，即我们将接力器完全精密数字量化。数字量化缸是一个高度集成的液压控制元件。它由缸体(2)、活塞(3)、机械反馈机构(4)、接力器位移传感器(5)、反馈耦合机构(6)、耦合齿轮(7)、数字阀(8)、液控单向阀(9)、步进电机(10)等组成。集成在数字量化缸内的步进电机(10)，就是电气-液压控制系统的接口，它有如调速器的电液转换机构。步进电机(10)接收计算机发出的数字脉冲信号而转动，该转动带动数字阀(8)阀芯运动，通过反馈耦合机构(6)将阀芯旋转运动转变为直线运动，该直线运动打开数字阀(8)的阀口，从而将液压油引入操作接力器，并由液压油源驱动操作接力器活塞前进或后退。

在接力器活塞上，安装有可逆传动的机械反馈机构(4)，机械反馈机构(4)是一种扭转螺旋体。机械反馈机构(4)的滚动螺旋传动螺母，固定在活塞(3)上；机械反馈机构(4)的反馈传动螺旋杆，通过反馈耦合机构(6)，与耦合齿轮(7)、数字阀(8)阀芯螺旋耦合。在活塞(3)前进或后退过程中，由活塞(3)带动装在其上面的机械反馈机构(4)中滚动螺旋传动螺母的旋转运动，转化为反馈传动螺旋杆的直线运动。机械反馈机构(4)的直线运动，通过反馈耦合机构(6)，一方面作用于数字阀(8)阀芯，使阀芯回到动作前原位，形成位置负反馈；另一方面作用于耦合齿轮(7)，带动接力器位移传感器(5)转动，将活塞(3)的实际位置检测出来。

当步进电机(10)接收到电气控制系统发出的一个数字脉冲控制信号时，接力器活塞(3)就移动一个固定的行程(如0.01mm)。这个固定的行程值，称为数字量化值，数字量化值单位为mm。

根据系统控制精度的不同要求，数字量化值K可设计为0.01mm、0.02mm、0.05mm、0.1mm、0.5mm、1.0mm等。

数字量化值是由设计确定。通过内部一套机械反馈机构，严格保证控制脉冲与接力器活塞移动的对应关系，数字量化值。将接力器活塞的移动完全数字量化，使接力器活塞的移动量，只与控制脉冲数量有关。

在反馈耦合机构(6)与数字阀(8)阀芯之间，装有耦合齿轮(7)，耦合齿轮(7)伸出轴上，安装有接力器位移检测传感器(5)，传感器是一个多圈旋转绝对位置编码器，使之能准确知道接力器活塞(3)的实际位置。

在设计上，保证接力器活塞移动10mm，编码器旋转1圈。编码器旋转1圈，有8192个测点；这意味着位移测量装置的分辨率为10mm÷8192≈1.22μm，即精度可达1.5μm，10mm的行程可分为8192个测点来检测。

数字量化缸的控制油路上，集成有液控单向阀(9)，它用于系统压力油源消失闭锁，防止筒形阀在开启位置下滑。

在步进电机(10)的端部，有一个伸出轴。用工具手动旋转步进电机(10)的伸出轴，犹如给步进电机(10)施加控制脉冲信号，同样可以精确控制数字量化缸活塞运动。提供无电源时的纯手动操作。

数字量化缸将原来复杂的位置闭环和速度控制，变成了简单的数字脉冲控制。这样，既简化了控制系统，也简化了系统结构，同时提高了响应速度。

由于液压控制装置的所有元件均装在接力器内部，大大提高了系统的安全性和可靠性，大大提高了系统的抗干扰能力。这种结构特别适宜于恶劣的工作环境和粗放的维护水平，提高了设备的可靠性，基本上可以做到现场零调试和零维护，长期稳定工作。

数字量化缸还有一个特点，其活塞杆移动位移的实际误差是由设计、生产、装配决定的，在接力器活塞杆移动过程中，只有一个基础误差，没有累积误差。

数字量化缸接口，包含液压接口与电气接口。

液压接口：每只数字量化缸有一个油口P接压力油源(电液同步控制系统图中的P、X为同一油口)；一个油口接排油(电液同步控制系统图中的T、Y为同一油口)。只需将数字量化缸的P油口，T油口，分别接到2根环形油管(1根压力油管P，1根回油管T)上，环形油管直接连接到电站油压设备，中间不再有其它液压设备及器件。

电气接口：电气控制系统与液压控制系统之间主要有2个电气接口，步进电机、位移传感器。步进电机是将电气系统控制信号，转化为液压控制系统执行机构；位移传感器是将液压控制系统执行情况，通过数字量化缸活塞的位置、行程变化，反馈给电气系统。步进电机、位移传感器通过电缆与筒形阀电气控制盘相连。

接力器位移检测传感器，是一个多圈旋转绝对位置编码器。与接力器活塞相连的传动机构与数字阀阀芯之间，装有耦合齿轮，编码器安装在耦合齿轮伸出轴上。耦合齿轮将接力器活塞直线运动，转变为旋转运动，在设计上，严格保证接力器活塞移动10mm，编码器旋转1圈。这样，就将接力器实际位移，通过编码器检测出具体的实际位置。

电气控制系统附图是以6个接力器为例，对多只(3至12只)接力器，系统图相同，只是增减接力器数量即可。

控制部分由PLC、触摸屏、空气开关、继电器、信号灯、切换开关、控制按钮、接线座组成。

功率部分由电源转换装置、24VDC电源选择装置、UPS电源、步进电机控制器、空气开关、继电器、信号灯、接线座组成。

电气控制装置的核心部分为PLC，由它控制与操作筒形阀开启、关闭，所有显示都在触摸屏界面上实现。现场操作命令，既可在触摸屏界面上操作，也可以在控制部分面板上操作。

可编程序控制器包括机架、电源模块、CPU模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、步进电机控制模块、通讯模块等。所有输入、输出模块，除筒形阀电气控制装置自己控制使用外，预留有一定余量的开关量输入、输出通道，模拟量输入、输出通道。

电气控制装置由220VDC、220VAC两类电源供电。220VDC电源、220VAC电源实现多路冗余。

正常状态下，第一个电源转换装置由第一路220VAC供电，提供第一路24VDC电源。当第一路220VAC电源消失时，自动切换由220VDC供电，由第二个电源转换装置，提供第二路24VDC电源(第二路24VDC电源始终处于热备用状态)。当第一路220VAC电源恢复时，又自动恢复由第一路220VAC供电。若第一路220VAC电源、220VDC同时消失，第一路24VDC电源、第二路24VDC电源也就同时消失，此时，就完全由第二路220VAC电源供电，经第三个电源转换装置，提供第三路24VDC电源，以保证筒形阀电气控制装置的可靠性。

第二路220VAC电源，跨接在UPS电源上，正常状态下，UPS电源处于浮充状态。UPS电源的输出，一方面提供给第三个电源转换装置，使第三路24VDC电源始终处于热备用状态；另一方面提供步进电机功率驱动模板220VAC电源。这样即使外接220VAC、220VDC完全消失，UPS电源也可保证在一定时间内，筒形阀电液同步控制系统可以操作，就大大提高数字量化缸筒形阀电液同步控制系统的可靠性。

第三路220VAC电源，提供控制部分内照明、通风风扇、电加热防潮、两相电源插座、三相电源插座等电源。

接力器位移传感器的24VDC电源，由电气控制装置提供。位移传感器与电气控制装置之间信号接口，采用数字量通讯。

全数字集成式筒形阀电液同步控制系统，控制筒形阀开启、关闭，由多只数字量化缸驱动。正常工作时，只要由筒形阀电气控制系统，按照编制好的程序，向多只数字量化缸上步进电机输出同频率、同数量的控制脉冲信号；筒形阀即可按给定的运行曲线高精度同步升降；脉冲频率代表接力器运行速度，脉冲总数代表行程，一一对应。

如果需要单独动作筒形阀某个数字量化缸时，只须给需要单独的数字量化缸发控制脉冲信号即可。这为筒形阀的初期安装、调试、纠偏、矫正提供了极大的方便。

集成于数字量化缸上的位移传感器，实时检测各数字量化缸实际位置、行程，并将检测信号实时送到筒形阀电气控制系统，筒形阀电气控制系统接收数字量化缸位置、行程信号，并测量、监视、分析、处理，并同时判定多只数字量化缸同步情况。

虽然筒形阀开启、关闭，在同频率、同数量的脉冲信号控制下，可以保持多只数字量化缸高精度同步升降运动。但为了增加系统可靠性，我们还是将数字量化缸位移传感器信号，送入电气控制系统，一方面做系统显示、另一方面构成一个大的闭环控制系统，既完成测量、监视、分析、处理等功能，使整个系统具备双重分布闭环控制功能。

保持筒形阀多只数字量化缸同步，是筒形阀控制中的重要环节。多只数字量化缸是否同步，我们通过多只数字量化缸位移信号，来测量、判定。多只数字量化缸的实际位置、行程，是由位移传感器、位移测量单元共同完成。位移传感器集成于数字量化缸内，位移测量单元在电气控制盘内。

Claims (7)

1、一种全数字集成式筒形阀电液同步控制系统，包括液压控制系统和电气控制系统，其特征在于：所述液压控制系统为数字量化缸，所述的数字量化缸包括缸体(2)、活塞(3)、机械反馈机构(4)、接力器位移传感器(5)、反馈耦合机构(6)、耦合齿轮(7)、数字阀(8)、液控单向阀(9)、步进电机(10)，所述数字阀(8)与步进电机(10)相连，所述耦合齿轮(7)安装在反馈耦合机构(6)与数字阀(8)阀芯之间，所述耦合齿轮(7)上安装有接力器位移检测传感器(5)，所述机械反馈机构(4)连接反馈耦合机构(6)和活塞(3)；所述电气控制系统包括控制部分和功率部分，所述控制部分包括可编程序控制器，所述功率部分包括电源转换装置、电源选择装置、步进电机控制器。

2、根据权利要求1所述的全数字集成式筒形阀电液同步控制系统，其特征在于所述的机械反馈机构(4)的滚动螺旋传动螺母，固定在活塞(3)上；所述机械反馈机构(4)的反馈传动螺旋杆，通过反馈耦合机构(6)，与耦合齿轮(7)、数字阀(8)阀芯螺旋耦合。

3、根据权利要求2所述的全数字集成式筒形阀电液同步控制系统，其特征在于所述机械反馈机构为扭转螺旋体。

4、根据权利要求3所述的全数字集成式筒形阀电液同步控制系统，其特征在于所述传感器为多圈旋转绝对位置编码器。

5、根据权利要求4所述的全数字集成式筒形阀电液同步控制系统，其特征在于所述数字量化缸数量为一个或者多个。

6、根据权利要求1所述的全数字集成式筒形阀电液同步控制系统，其特征在于所述可编程序控制器，包括电源模块、CPU模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、步进电机控制模块、通讯模块。

7、根据权利要求6所述的全数字集成式筒形阀电液同步控制系统，其特征在于所述电气控制装置供电电源为220VDC电源和220VAC电源。

Images