CN110821759B - 一种液压变桨故障快速定位和安全停机方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液压变桨故障快速定位和安全停机方法，包括以下步骤：变量数据采集、故障阀块快速判定和定位以及选择停机方式，变量数据采集为主控PLC通过CANopen通讯连接变桨PLC，变桨PLC连接连接带有反馈信号的电磁换向阀、比例换向阀、压力传感器以及位移传感器，两个带有反馈信号的电磁换向阀和一个三位四通比例换向阀信号通过变桨PLC传输到指控PLC作为控制逻辑判定，位移传感器监测缸体位移值获得实际桨距角；本发明采用带有反馈信号的电磁换向阀，准确的判定变桨故障阀块；通过对故障阀块的判定，执行不同方式下的停机，提高了机组的安全性；通过快速定位故障，降低现场运维人员的工作难度，提高工作效率。

Description

一种液压变桨故障快速定位和安全停机方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种液压变桨故障快速定位和安全停机方法。
背景技术
变桨系统是风机的关键系统，通过调整桨距角改变叶片气动特性可以实现机组转速和功率的调整。然而，变桨系统又是机组运行中故障率较高的系统。因叶轮位于塔筒顶部，进行维护时首先要锁定叶轮并调整一个合适的变桨叶片以满足运维人员所需的作业条件，导致变桨故障维护工时较长，操作复杂，对运维人员操作技能要求高。特别对于海上机组，因可维护性较差，更要保证变桨系统的稳定性和高可靠性以及故障快速准确定位能力，使得机组可以获得较高的可利用率。
专利CN 202867086 U提供了一种风力发电机安全停机的方式。通常主控系统给变桨系统下发停机指令，然而当主控系统故障或是宕机时不能够下发停机指令容易出现过速或飞车情况。该专利提出一种附加控制单元驱动器，通过检测故障条件下主控下发的电压信号或通讯信号以及主轴转速信号，在通讯信号中断或是检测到过速时可以通过控制单元下发停机指令，实现了控制系统的冗余配置，保证机组的安全停机。专利CN 101975142 A也提出了一种冗余变桨设计。在特殊工况发生时，通过集成在变桨控制系统底层的电机驱动器中，通过判定复位、旁路、冗余顺桨、紧急顺桨以及手动5种特殊工况模式的优先级判定停机模式，经变桨电机驱动器驱动桨叶顺桨。专利CN 102828909 A提出了一种叶片收桨失效式的一种安全保护方法，通过对安全保护PLC中监测转速过速信号以及变桨故障判定，执行偏航动作，增大机组的对风偏差，降低机组的叶轮转速，提高机组的安全性。
从上述专利可见，针对机组的安全停机主要采取冗余配置方式或是通过偏航动作降低机组的叶轮转速以抑制过速情况的发生。并没有专利涉及变桨系统中故障的快速诊断方式及该故障条件下的停机方式。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种液压变桨故障快速定位和安全停机方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种液压变桨故障快速定位和安全停机方法，包括以下步骤：变量数据采集、故障阀块快速判定和定位以及选择停机方式，
所述变量数据采集为主控PLC通过CANopen通讯连接变桨PLC，实现通讯控制和变量数据的传输、故障预警和停机判定，变桨PLC连接比例换向阀、压力传感器、位移传感器以及带有反馈信号的电磁换向阀，两个带有反馈信号的电磁换向阀和一个三位四通比例换向阀信号通过变桨PLC传输到指控PLC作为控制逻辑判定，压力传感器设有两个分别监测液压站蓄能器压力和执行器蓄能器压力，位移传感器监测缸体位移值获得实际桨距角；
故障阀块快速判定和定位为机组的实际桨距角、液压站蓄能器压力和执行器蓄能器压力作为故障阀块的判定条件，带有信号反馈的电磁换向阀的通断都会反馈给主控PLC通断信号反馈，监测出电磁换向阀的运行工作状态，机组的控制逻辑为通过对带有反馈信号的电磁换向阀的反馈DI以及电磁换向阀的DO输出指令进行程序监控，并结合机组的需求桨距角和实际桨距角执行对应的故障判定，判定出故障阀块，准确定位故障点；
选择停机方式：定位故障后通过判定桨距角大小执行停机方式的切换，保证机组停机的安全可靠。
具体的是，所述需求桨距角为主控PLC下发给变桨PLC的目标指令值，实际桨距角为通过位移传感器测得的缸体位移值，并经过非线性关系转化为实际桨距角经CANopen通讯传递给主控。
具体的是，所述液压变桨控制系统阀块主要包括比例换向阀、电磁换向阀、单向阀、溢流阀，其中电磁换向阀采用具有信号反馈触点的电磁阀，主控PLC监控反馈信号并进行逻辑判定。
具体的是，所述电磁换向阀阀块为常开型，电磁阀线圈通电时阀关闭，断电时阀打开；开关分别给主控PLC系统一个信号反馈，以NC表示常闭，NO表示常开。
具体的是，所述停机方式包含可控停机方式和紧急停机方式，可控停机方式为机组通过主控PLC下发停机指令，对应的阀块执行动作并给定需求变桨速率，紧急停机为机组通过蓄能器释能实现顺桨。
具体的是，所述选择停机方式根据实际桨距角判断，即给定判定阈值为40°，根据故障定位后，判定实际最小桨距角是否大于等于40°，如果成立，则首次执行正常停机；并经过一定时间后判定最小桨距角是否大于等于85°，如果成立，则说明通过控制程序执行停机，阀块仍能工作，需要对阀块进行检查，如果不能够实现顺桨，说明阀块出现卡死情况，为了机组安全，则执行蓄能器紧急停机，在实际最大桨距角小于40°时，在检测到故障时，为了机组安全，实行蓄能器紧急停机操作。
具体的是，所述故障阀块快速判定和定位为了排除非阀块因素，需要对液压回路的蓄能器压力做差值比较，如果液压站蓄能器压力传感器数值与执行器蓄能器压力传感器数值差值小于等于预设阈值，则说明此时管路或单向阀工作正常，排除了该因素影响，确认是阀块问题，预设阈值根据需要选择5～10bar之间进行选择。
具体的是，所述压力传感器为模拟量信号4～20mA，对应压力范围为0～400bar。
具体的是，所述主控PLC模块采用巴赫曼的MC205模块，变桨PLC模块为采用巴赫曼的CPC210模块。
本发明具有以下有益效果：
本发明设计的基于变桨系统在动作过程中容易发生变桨不同步以及卡桨等工况，通过采用两组带有反馈信号的电磁换向阀，判定阀块的输出和反馈信息以及液压压力值，经变桨PLC和主控PLC的变桨控制逻辑，准确的判定变桨系统的故障点，实现故障的准确定位；通过对不同故障的监控，根据叶片实际桨距角特性，执行不同的停机方式；该专利方法减小了现场的工作人员的维护难度，并提高了机组的可利用率、发电水平和安全性；采用带有反馈信号的电磁换向阀，准确的判定变桨故障阀块；通过对故障阀块的判定，执行不同方式下的停机，提高了机组的安全性；通过快速定位故障，降低现场运维人员的工作难度，提高工作效率，提升了机组的可利用率。
附图说明
图1为液压变桨故障快速定位和安全停机方法的通讯框图；
图2为变桨液压原理图框图；
图3为液压变桨故障快速定位和安全停机方法的控制实施流程图；
图中：1-油温计；2-电机；3-马达；4-电磁换向阀一；10-电磁换向阀二；11-电磁换向阀三；21-电磁换向阀四；5-单向阀一；22-单向阀二；25-单向阀三；31-单向阀四；6-溢流阀一；12-溢流阀二；23-溢流阀三；7-压力传感器一；13-压力传感器二；8-液压站蓄能器；9-执行器蓄能器；14-带反馈信号电磁换向阀一；16-带反馈信号电磁换向阀二；15-比例换向阀；17-节流阀一；20-节流阀二；24-节流阀三；26-节流阀四；18-位移传感器；19-活塞缸；27-散热器；28-换热器；29-过滤器；30-油液；32-冷却泵。
具体实施方式
以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地进一步详细的说明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，一种液压变桨故障快速定位和安全停机方法，包括以下步骤：变量数据采集、故障阀块快速判定和定位以及选择停机方式，变量数据采集为主控PLC通过CANopen通讯连接变桨PLC，实现通讯控制和变量数据的传输、故障预警和停机判定，变桨PLC连接比例换向阀、压力传感器、位移传感器以及带有反馈信号的电磁换向阀，两个带有反馈信号的电磁换向阀和一个三位四通比例换向阀信号通过变桨PLC传输到指控PLC作为控制逻辑判定，压力传感器设有两个分别监测液压站蓄能器压力和执行器蓄能器压力，位移传感器监测缸体位移值获得实际桨距角；故障阀块快速判定和定位为机组的实际桨距角、液压站蓄能器压力和执行器蓄能器压力作为故障阀块的判定条件，带有信号反馈的电磁换向阀的通断都会反馈给主控PLC通断信号反馈，监测出电磁换向阀的运行工作状态，机组的控制逻辑为通过对带有反馈信号的电磁换向阀的反馈DI以及电磁换向阀的DO输出指令进行程序监控，并结合机组的需求桨距角和实际桨距角执行对应的故障判定，判定出故障阀块，准确定位故障点；选择停机方式：定位故障后通过判定桨距该控制方法实现方式为主控监控变桨系统阀块模块的PLC输出和反馈信号，并根据液压变桨压力信号和控制逻辑实现变桨故障的快速定位。故障定位后根据实际桨距角给定不同的停机方式实现安全停机。
作为上述技术方案的进一步说明：
主控系统和变桨系统通过CANopen实现通讯控制和变量数据的传输。变桨故障通过CANopen通讯传递到主控PLC，实现故障预警和停机判定，并且主控监听报文心跳，实现通讯故障检测。主控PLC模块采用巴赫曼的MC205模块，变桨PLC模块为采用巴赫曼的CPC210模块。
当前变桨系统依据单缸液压变桨进行变桨控制，可参考图2，但同样控制检测方法适用于双缸或三缸液压变桨控制系统。
单缸液压变桨控制系统阀块主要包括比例换向阀15、电磁换向阀一14/电磁换向阀一16、单向阀一5、溢流阀一6，其中电磁换向阀一14/电磁换向阀一16采用具有信号反馈触点的电磁阀，主控PLC监控反馈信号并进行逻辑判定。带信号反馈的电磁阀的通断都会反馈给PLC系统通断信号反馈，监测出电磁换向阀的运行工作状态。当电磁换向阀通电打开时，公共线与开信号线相通；当电磁换向阀断电关闭时，公共线与关信号线相通。
电磁换向阀分为常闭型和常开型，常闭型：电磁阀线圈通电时阀打开，断电时阀关闭；开关分别给系统一个信号反馈提示。常开型：电磁阀线圈通电时阀关闭，断电时阀打开；开关分别给系统一个信号反馈，本专利电磁阀块为常开型,以NC表示常闭，NO表示常开。
机组的控制逻辑为通过对带有反馈信号的电磁阀的反馈DI以及电磁阀的DO输出指令进行程序监控，并结合机组的需求桨距角和实际桨距角执行对应的故障判定和停机方式判定。
液压变桨系统的压力通过压力传感器检测并经主控监控变量信号值。压力传感器为模拟量信号4～20mA，对应压力范围为0～400bar。需求桨距角为主控PLC下发给变桨PLC的目标指令值，实际桨距角为通过位移传感器测得的缸体位移值，并经过非线性关系转化为实际桨距角经CANopen通讯传递给主控。
停机方式主要包含可控停机方式和紧急停机方式两种。可控停机方式为机组通过主控下发停机指令，对应的阀块执行动作并给定需求变桨速率。紧急停机为机组通过蓄能器释能实现顺桨。
需要说明的是，该方法假定机组的变桨控制系统没有出现掉电情况(此时UPS不能够提供备用电源)，掉电情况下机组执行紧急停机。
选择停机方式根据实际桨距角判断，即给定判定阈值为40°，根据故障定位后，判定实际最小桨距角是否大于等于40°，如果成立，则首次执行正常停机；并经过一定时间后判定最小桨距角是否大于等于85°。如果成立，则说明通过控制程序执行停机，阀块仍能工作，需要对阀块进行检查，如果不能够实现顺桨，说明阀块出现卡死情况，为了机组安全，则执行蓄能器紧急停机，在实际最大桨距角小于40°时，在检测到故障时，为了机组安全，实行蓄能器紧急停机操作。故障阀块快速判定和定位为了排除非阀块因素，需要对液压回路的蓄能器压力做差值比较，如果液压站蓄能器压力传感器数值与执行器蓄能器压力传感器数值差值小于等于预设阈值，则说明此时管路或单向阀工作正常，排除了该因素影响，确认是阀块问题，预设阈值根据需要选择5～10bar之间进行选择。
如图2所示，给出了整个液压变桨控制原理图，电机和马达为整个系统的动力装置，通过对变桨执行器压力及液压站压力的监控，当小于预设阈值时主控下发启动泵站指令开始建压。当变桨PLC监测到系统压力值低于设定阈值下限210bar时，电机2驱动马达3工作，油液经旁路电磁换向阀一4回到油箱30，主要起清洗管路和空载建压的功能。当空载建压2s后，旁路电磁换向阀一4得电吸合，开始对执行器建压。建压过程中电磁换向阀一4需要得电，电磁换向阀一4是一个关键的阀体，通常称为旁路电磁阀，不得电情况下可以实现管理的冲洗以及油液的过滤和增温。
机组建压过程中液压站蓄能器和执行器蓄能器都实现建压，其压力值可以通过压力传感器一7和压力传感器二13进行监控。
当油液经单向阀25进入变桨执行机构，则需要结合控制方式实现阀块的控制。
在正常开桨过程中，所有电磁阀得电，油液经三位四通比例换向阀15的左位进入有杆腔，液压油从无杆腔流出后经带反馈信号电磁换向阀二16、三位四通比例换向阀15的左位经过滤器回油箱30。
在正常顺桨过程中，所有电磁阀得电，油液经两个反馈信号电磁换向阀14(16)、三位四通比例换向阀15的右位进入无杆腔；有杆腔经单向阀二22形成差动回路实现快速顺桨。
在紧急停机时，此时执行器蓄能器9动作，油液经10和11两个电磁换向阀实现无杆腔供油，并将有杆腔的油液经电磁换向阀四21流入油箱30，实现紧急顺桨功能。
需要说明的是，采用两个电磁换向阀是实现冗余控制，保证机组停机安全。另外，在紧急停机过程中，液压站蓄能器8也可以提供辅助压力油供应，保证系统安全停机。
如图3所示，给出了变桨故障的快速定位和安全保护方法，机组变桨动作发生在启动过程中以及额定风速以上，此时变桨角度都会发生变化。机组变桨动作发生时，根据主控算法求出的需求桨距角θ通过CANopen总线将需求值下发给变桨PLC，并通过执行器阀体动作实现液压缸的移动，实现变桨动作，并经位移传感器检测液压缸位移，通过非线性变换转化为变桨实际角度。
一般变桨系统都为三叶片结构，定义三个叶片的桨距角为θ1，θ2，θ3。
三个叶片桨距角数据通过CANopen总线传递到主控进行两两对比分析，判定出最大桨距角θmax＝max{θ1，θ2，θ3}。
最大桨距角判定后，判定出最大桨距角偏差Δθmax＝{∣θ1-θ2∣,∣θ1-θ3∣θ2-θ3∣}，为后续桨叶不同步或是桨叶卡死做判定依据。根据最大桨距角出现偏差，说明变桨执行机构出现了不同步情况，不同步情况在整个变桨过程中都会存在，但需要保证不出现偏差大于设定阈值的情况。在最大桨距角偏差Δθmax大于2°，则说明执行机构存在不同步情况，为了进一步确定不同步原因，快速定位故障点，对变桨管路动作阀块进行判定。
带有反馈信号的电磁换向阀14和16功能相同，比例换向阀15为电压控制阀，电压范围为-10～+10V，其中-10～0V之间为阀体左位动作，0～+10V之间为阀体右位动作。考虑到PLC自身逻辑，在主控PLC系统正常开桨过程中，所有电磁阀得电，此时带有反馈信号的常开电磁换向阀14和16正常情况下反馈为TRUE，比例换向阀15输出信号为TRUE，未响应输出则执行FALSE。为此可以有以下四种情况：
情况一：DO_15＝FALSE,DI_14＝TRUE,DI_16＝TRUE；
情况二：DO_15＝TRUE,DI_14＝TRUE,DI_16＝TRUE；
情况三：DO_15＝TRUE,DI_14＝TRUE,DI_16＝FALSE；
情况四：DO_15＝TRUE,DI_14＝FALSE,DI_16＝TRUE；
需要说明的是，DO表示数字量输出，DI表示数字量输入。
情况一说明此时的变桨PLC模块指令存在问题，控制逻辑未下发正确的使能信号，导致比例换向阀没有接收到有效的动作指令，不能够实现变桨。此时属于PLC模块故障，通过比例阀未动作在程序中做逻辑故障判定。
情况二说明阀块都实现了动作，但变桨角度仍然存在偏差，这是实际中经常存在的问题，需要根据辅助条件进行分析。
需要说明的是，一般该问题都是因为油液有杂质导致比例换向阀换向卡死或是在气温较低时油质粘阻较大容易产生响应迟滞导致桨叶不同步或是桨叶卡死情况。
通过三个阀块反馈及输出正常但存在桨叶不同步或是桨叶卡死问题，还不能准确定位是比例换向阀15存在问题，需要进一步验证压力信号。通过对变桨液压站蓄能器压力信号和变桨执行器蓄能器压力信号的监控，求取两者信号的压力差值是否≤10bar，若成立则继续判定。
需要说明的是，在正常情况下变桨液压站蓄能器的压力值较变桨执行器的压力值偏高，因为两者存在一个沿程压力损失和单向阀开启压力差，但在可忽略范围内默认两者压力基本一致。若压力差高于10bar以上，则说明单向阀三25及其所处的管路存在问题。
在压力差值≤10bar时则说明此时机组供油回路正常，问题点应该是比例阀，所以可以确认比例换向阀15故障，需要及时更换或维护检查。
第三种情况及第四种情况可以根据控制信号直接判定故障源，因此可以快速锁定故障阀块。
在准确定位上述故障后，需要对故障情况下机组的安全停机做要求。因机组在实际桨距角40°以上其气动特性要降低很多，不会发生过速飞车情况，而在20°以下则气动特性较好，需要特别注意机组的安全保护。为此，根据需求桨距角对机组进行了停机模式的划分。
通过对变桨系统的故障器件的准确定位，说明该阀块存在故障或是响应迟滞。所谓的阀块故障不仅包括阀块不响应实际的控制指令，还包括该阀块响应时间错误。
在判定故障后，根据实际机组的桨距角进行判定。在桨距角较大，机组相对较安全情况下，判定实际最小桨距角是否满足θmin≥40°，若成立，则首次执行正常停机操作。若正常停机模式下机组的最小桨距角可以满足θmin≥85°，此时正常停机完成，说明阀块可以工作，但存在响应缓慢问题，需要查看是否存在杂质或是温度较低影响。若最小桨距角无法满足，则说明该阀块故障，此时执行紧急停机，由蓄能器动作保证机组安全停机。
在桨距角较小情况下，机组的气动特性较好，需要判定实际最大桨距角是否满足θmax<40°，若成立，则直接执行紧急停机。
需要说明的是，上述方法将故障模块判定在桨距角较大(桨距角≥40°)情况下做停机判定，在桨距角较小情况下(桨距角<40°)主要以机组安全性为主。
本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (9)

1.一种液压变桨故障快速定位和安全停机方法，其特征在于，包括以下步骤：变量数据采集、故障阀块快速判定和定位以及选择停机方式，
所述变量数据采集为主控PLC通过CANopen通讯连接变桨PLC，实现通讯控制和变量数据的传输、故障预警和停机判定，变桨PLC连接比例换向阀、压力传感器、位移传感器以及带有反馈信号的电磁换向阀，两个带有反馈信号的电磁换向阀和一个三位四通比例换向阀信号通过变桨PLC传输到指控PLC作为控制逻辑判定，压力传感器设有两个分别监测液压站蓄能器压力和执行器蓄能器压力，位移传感器监测缸体位移值获得实际桨距角；
故障阀块快速判定和定位为机组的实际桨距角、液压站蓄能器压力和执行器蓄能器压力作为故障阀块的判定条件，带有信号反馈的电磁换向阀的通断都会反馈给主控PLC通断信号反馈，监测出电磁换向阀的运行工作状态，机组的控制逻辑为通过对带有反馈信号的电磁换向阀的反馈DI以及电磁换向阀的DO输出指令进行程序监控，并结合机组的需求桨距角和实际桨距角执行对应的故障判定，判定出故障阀块，准确定位故障点；
选择停机方式：定位故障后通过判定桨距角大小执行停机方式的切换，保证机组停机的安全可靠。
2.根据权利要求1所述的液压变桨故障快速定位和安全停机方法，其特征在于，所述需求桨距角为主控PLC下发给变桨PLC的目标指令值，实际桨距角为通过位移传感器测得的缸体位移值，并经过非线性关系转化为实际桨距角经CANopen通讯传递给主控。
3.根据权利要求1所述的液压变桨故障快速定位和安全停机方法，其特征在于，所述液压变桨控制系统阀块主要包括比例换向阀、电磁换向阀、单向阀、溢流阀，其中电磁换向阀采用具有信号反馈触点的电磁阀，主控PLC监控反馈信号并进行逻辑判定。
4.根据权利要求3所述的液压变桨故障快速定位和安全停机方法，其特征在于，所述电磁换向阀阀块为常开型，电磁阀线圈通电时阀关闭，断电时阀打开；开关分别给主控PLC系统一个信号反馈，以NC表示常闭，NO表示常开。
5.根据权利要求3所述的液压变桨故障快速定位和安全停机方法，其特征在于，所述停机方式包含可控停机方式和紧急停机方式，可控停机方式为机组通过主控PLC下发停机指令，对应的阀块执行动作并给定需求变桨速率，紧急停机为机组通过蓄能器释能实现顺桨。
6.根据权利要求3所述的液压变桨故障快速定位和安全停机方法，其特征在于，所述选择停机方式根据实际桨距角判断，即给定判定阈值为40°，根据故障定位后，判定实际最小桨距角是否大于等于40°，如果成立，则首次执行正常停机；并经过一定时间后判定最小桨距角是否大于等于85°，如果成立，则说明通过控制程序执行停机，阀块仍能工作，需要对阀块进行检查，如果不能够实现顺桨，说明阀块出现卡死情况，为了机组安全，则执行蓄能器紧急停机，在实际最大桨距角小于40°时，在检测到故障时，为了机组安全，实行蓄能器紧急停机操作。
7.根据权利要求3所述的液压变桨故障快速定位和安全停机方法，其特征在于，所述故障阀块快速判定和定位为了排除非阀块因素，需要对液压回路的蓄能器压力做差值比较，如果液压站蓄能器压力传感器数值与执行器蓄能器压力传感器数值差值小于等于预设阈值，则说明此时管路或单向阀工作正常，排除了该因素影响，确认是阀块问题，预设阈值根据需要选择5～10bar之间进行选择。
8.根据权利要求1所述的液压变桨故障快速定位和安全停机方法，其特征在于，所述压力传感器为模拟量信号4～20mA，对应压力范围为0～400bar。
9.根据权利要求1所述的液压变桨故障快速定位和安全停机方法，其特征在于，所述主控PLC模块采用巴赫曼的MC205模块，变桨PLC模块为采用巴赫曼的CPC210模块。
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