CN112504106A - 水轮机调速器主配压阀位移监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种水轮机调速器主配压阀位移监测装置及方法，包括PLC控制器、隔离变送器和交换机，PLC控制器通过隔离变送器与磁致伸缩式位移传感器电连接，位移传感器用于检查主配压阀限位板的位置信号；PLC控制器与交换机通讯连接，交换机分别与工控机和现地控制单元通讯连接，PLC控制器由电源转换模块供电；磁致伸缩式位移传感器用于装设在主配压阀底座侧面，主配压阀底座与主配压阀阀芯连接。本发明结构设计合理，方便安装，操作简单，功能齐全，提高了调速器控制的安全性，降低了调速器主配压阀磁致伸缩式位移传感器故障或主配压阀跟随故障导致机组设备损坏和人员安全的风险。

Description

水轮机调速器主配压阀位移监测装置及方法
技术领域
本发明属于水轮机调速器主配压阀位移监测技术领域，特别涉及一种水轮机调速器主配压阀位移监测装置及方法。
背景技术
主配压阀是水轮机调速器控制的重要设备之一，其动作可靠性直接影响调速器的调节稳定性，甚至是机组的安全稳定运行。机组在运行过程中，水轮机调速器根据机组下发的有功功率信号调整导叶开度，导叶开度值一般采集接力器的位移，且要求其与主配压阀实际动作情况保持一致，若导叶开度给定值与调速器主配压阀位移值不同步或偏差值超过阈值时即可判断为主配压阀跟随故障，即判断为调速器出现严重故障，随之将调速器控制权限切换至调速器备用控制器。若主、备用控制器同时出现调速器严重故障，在五秒之内尚未切换至机手动状态时，将触发监控系统事故停机流程。因此调速器主配压阀位移监测是非常有必要的，且必须要求监测可靠、动作准确。目前，现有系统主要存在以下问题：
（1）主配压阀限位板被测量范围窄，非接触式传感器测量不能准确反映主配压阀的实际位移。目前，采用非接触式传感器测量主配压阀动作位移，而主配压阀板可测范围比较小，主配压阀曲面变化量不能满足非接触式传感器采集的精度，无法精准监测主配压阀位置变化，不能真实反映主配压阀动作的实际位移，存在较大的误差值，不能真实地判断调速器严重故障，不利于机组监控系统处理主配压阀跟随故障。而主配压阀阀芯位置可监测到主配压阀的实际位移。
（2）非接触式传感器易受外界因素，不能可靠测量实际位移。目前，主配压阀位移监测采用非接触式传感器，该传感器对有效感应距离要求比较高，并且容易受到电磁干扰和振动的影响，使得监测主配压阀位移时经常出现数据跳变情况，存在机组安全稳定运行的潜在隐患。
为保证水电站调速器主配压阀位移监测准确可靠，提高主配压阀跟随故障判断的可靠性，最大限度地减少事故造成的损失，保护人身安全以及资产安全，亟需设计一种水轮机调速器主配压阀位移监测装置及方法。
发明内容
鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的水轮机调速器主配压阀位移监测装置及方法，结构设计合理，方便安装，操作简单，功能齐全，提高了调速器控制的安全性，降低了调速器主配压阀磁致伸缩式位移传感器故障或主配压阀跟随故障导致机组设备损坏和人员安全的风险。
为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：
一种水轮机调速器主配压阀位移监测装置，包括PLC控制器、隔离变送器和交换机，PLC控制器通过隔离变送器与磁致伸缩式位移传感器电连接，位移传感器用于检查主配压阀限位板的位置信号；PLC控制器与交换机通讯连接，交换机分别与工控机和现地控制单元通讯连接，PLC控制器由电源转换模块供电；
磁致伸缩式位移传感器上设有磁致伸缩式位移传感器导轨，磁致伸缩式位移传感器导轨与磁致伸缩式位移传感器连杆滑动连接，磁致伸缩式位移传感器连杆与调节杆连接，调节杆与固定块连接，固定块与主配压阀限位板连接；磁致伸缩式位移传感器用于装设在主配压阀底座侧面，主配压阀底座与主配压阀阀芯连接。
优选的方案中，所述的所述的PLC控制器、交换机、工控机和电源转换模块装设在电气控制箱内；所述PLC控制器包括CPU模块、DI模块、DO模块、AI模块、AO模块、PLC电源模块和通讯模块；
DI模块用于采集主配压阀位置的开关量信号和电源故障报警信号；
DO模块用于输出调速器控制命令，用于控制调速器启动和停止；
AI模块用于采集调速器主配压阀的磁致伸缩式位移传感器模拟量；
AO模块用于输出调速器主配压阀位移模拟量信号至工控机和数显表；
PLC控制器的CPU模块、工控机和现地控制单元分别通过以太网通讯方式与交换机进行数据传输；
电源模块用于给PLC控制器的DI模块、DO模块、AI模块、AO模块电源、工控机、交换机、隔离变送器、数显表和指示灯供电。
优选的方案中，所述的工控机安装在电气控制箱正面，用于显示磁致伸缩式位移传感器的模拟量信号、开关量动作记录和调速器运行状态信号。
优选的方案中，所述的电气控制箱正面设有指示灯、按钮、数显表、接线端子排和电源开关按钮；指示灯用于监视调速器主配压阀的磁致伸缩式位移传感器故障、主配压阀位置状态和电源故障信号。
优选的方案中，所述的电气控制箱底部设有万向轮。
优选的方案中，所述的电气控制箱侧部设有散热孔。
本专利可达到以下有益效果：
本发明结构设计合理，方便安装，操作简单，功能齐全，提高了调速器控制的安全性，降低了调速器主配压阀磁致伸缩式位移传感器故障或主配压阀跟随故障导致机组设备损坏和人员安全的风险。通过主配压阀限位板的固定块，提高了主配压阀的动作与磁致伸缩式位移传感器连杆动作的同步性，完善了主配压阀位移监测的控制策略，提高了主配压阀控制结构的完整性。通过磁致伸缩式位移传感器可以有效避免电磁干扰、支架易受振动带来的数据跳变问题，切实提高了测量调速器主配压阀位移的可靠性。通过电气控制箱可以控制和监测调速器主配压阀状态及信号，以便于降低现场风险，有效控制事故扩大。通过工控机可以查看主配压阀位移数据和故障事件记录。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明系统模块图；
图2为本发明电气控制箱三维结构图;
图3为本发明磁致伸缩式位移传感器连杆安装示意图。
图中：1-PLC控制器，2-电源转换模块，3-指示灯，4-按钮，5-数显表，6-交换机，7-现地控制单元LCU，8-工控机，9-隔离变送器，10-磁致伸缩式位移传感器，101-磁致伸缩式位移传感器导轨，102-磁致伸缩式位移传感器连杆，11-主配压阀限位板，12-万向轮，13-电源开关按钮，14-接线端子排，15-散热孔，16-电气控制箱，17-提手，18-固定块，19-调节杆，20-主配压阀阀芯，21-主配压阀底座、LCU-现地控制单元、HMI-工控机。
具体实施方式
优选的方案如图1至图3所示，一种水轮机调速器主配压阀位移监测装置，包括PLC控制器1、隔离变送器9和交换机6，PLC控制器1通过隔离变送器9与磁致伸缩式位移传感器10电连接，位移传感器10用于检查主配压阀限位板11的位置信号；PLC控制器1与交换机6通讯连接，交换机6分别与工控机8和现地控制单元7通讯连接，PLC控制器1由电源转换模块2供电；
磁致伸缩式位移传感器10上设有磁致伸缩式位移传感器导轨101，磁致伸缩式位移传感器导轨101与磁致伸缩式位移传感器连杆102滑动连接，磁致伸缩式位移传感器连杆102与调节杆19连接，调节杆19与固定块18连接，固定块18与主配压阀限位板11连接；磁致伸缩式位移传感器10用于装设在主配压阀底座21侧面，主配压阀底座21与主配压阀阀芯20连接。
进一步地，所述的PLC控制器1、交换机6、工控机8和电源转换模块2装设在电气控制箱16内；所述PLC控制器1包括CPU模块、DI模块、DO模块、AI模块、AO模块、PLC电源模块和通讯模块；
DI模块用于采集主配压阀位置的开关量信号和电源故障报警信号；
DO模块用于输出调速器控制命令，用于控制调速器启动和停止；
AI模块用于采集调速器主配压阀的磁致伸缩式位移传感器模拟量；
AO模块用于输出调速器主配压阀位移模拟量信号至工控机8和数显表5；
PLC控制器的CPU模块、工控机8和现地控制单元7分别通过以太网通讯方式与交换机6进行数据传输；
电源模块用于给PLC控制器的DI模块、DO模块、AI模块、AO模块电源、工控机8、交换机6、隔离变送器9、数显表和指示灯3供电。
所述主配压阀限位板移动时带动固定块、调节杆和磁致伸缩式位移传感器连杆同步移动以使磁致伸缩式位移传感器通过电磁感应线圈采集数据信号，磁致伸缩式位移传感器数据信号经过隔离变送器送至PLC控制器，PLC控制器、工控机和LCU之间经过交换机通过以太网通讯进行数据传输。所述PLC控制器输出主配压阀位置开关节点、主配压阀磁致伸缩式位移传感器模拟量信号，并与指示灯、按钮和数显表通过硬接线连接。所述电源模块通过硬接线与PLC控制器、交换机、工控机、隔离变送器、电气控制箱和磁致伸缩式位移传感器供电。
所述PLC控制器优先采用贝加莱系列BMEP582020的CPU模块、BMXCPS2010电源模块、BMX DDI 1602 DI模块、BMX DRA 1605 DO模块、BMX NRP 0201通讯模块、BMX AMI 0410AI模块、BMX AMO 0410 AO模块。
工控机优先采用西门子系列的6AV7-260-0BA10-0XX6。
交换机采用研华系列的EKI-2528。
隔离变送器采用魏德米勒系列的ACT20-CI-2CI。
位移开关采用欧姆龙系列HL5010。
电源转换模块优先采用POWER ONE 品牌的LWN 2601-6。
指示灯优先采用施耐德系列XB2-BVB3LC DC24V。
按钮优先采用施耐德系列XB2BA31C。
数显表优先采用Complee系列的CP-C72 4~20mA。
进一步地，工控机8安装在电气控制箱16正面，用于显示磁致伸缩式位移传感器10的模拟量信号、开关量动作记录和调速器运行状态信号。
进一步地，电气控制箱16正面设有指示灯3、按钮4、数显表5、接线端子排14和电源开关按钮13；指示灯3用于监视调速器主配压阀的磁致伸缩式位移传感器10故障、主配压阀位置状态和电源故障信号。
如图2所述，数显表安装在电气控制箱正面右侧第一排右侧，用于显示主配压阀位移值。所述指示灯安装在电气控制箱的正面右侧第二排右侧，用于监视调速器主配压阀磁致伸缩式位移传感器故障、主配压阀位置状态和电源故障信号。按钮安装在电气控制箱的正面右侧第三排右侧，用于故障复位和控制调速器主配压阀。电源转换模块安装在电气控制箱内，将AC220V/DC220V 转换为DC24V电源等级，供装置的所有设备供电。
进一步地，电气控制箱16底部设有万向轮12。
进一步地，电气控制箱16侧部设有散热孔15。所述散热孔安装在电气控制箱的右侧，用于柜内元器件热量的排出。
提手安装在电气控制箱的右侧，用于方便携带和收纳。磁致伸缩式位移传感器安装在调速器主配压阀底座侧面上，磁致伸缩式位移传感器连杆与调节杆19采用螺栓连接，调节杆与固定块18采用螺栓安装，主配压阀限位板的固定块直接与主配压阀限位板采用螺栓连接，主配压阀阀芯移动带动主配压阀限位板，进而移动带动固定块使磁致伸缩式位移传感器采集出主配压阀实际位移。
优选的方案中，所述的水轮机调速器主配压阀位移监测装置的监测方法，包括如下步骤：
步骤一，外部电源接至接线端子排14，电源转换模块2将DC220V电源转换输出为DC24V电源，由通过电源开关按钮13给电气控制箱内供电，电气控制箱指示灯3的电源指示信号灯点亮；
步骤二，当机组处于正常运行状态时，本监测装置PLC控制器1实时采集调速器主配压阀磁致伸缩式位移传感器信号。调速器主配压阀限位板磁致伸缩式位移传感器信号实时送至PLC控制器AI模块，PLC控制器通过AO模块输出主配压阀位移信号至工控机和数显表实时显示主配压阀位移量信号，工控机记录调速器主配压阀磁致伸缩式位移传感器故障记录；
当调速器主配压阀磁致伸缩式位移传感器移动距离与导叶开度指令信号的偏差值超过整定值时，判断主配压阀跟随故障；
当主配压阀磁致伸缩式位移传感器采集到数据小于低限设定值或大于高限值时判断主配压阀磁致伸缩式位移传感器故障；在工控机和指示灯显示故障报警信号指示，并将其信号通过以太网通讯上送至现地控制单元，触发事故停机流程进一步关闭导叶；
步骤三，当机组处于停机备用状态时，本监测装置可实时监测调速器主配压阀当前位移，按照上述步骤二执行。
整个装置的工作原理如下：
电源转换模块供装置内的所有设备提供DC24V电源，装置即可正常工作。当机组发出调节导叶开度指令时，调速器主配压阀根据导叶开度指令移动主配压阀，即当机组发出关闭导叶开度指令时，调速器主配压阀往关闭方向移动，主配压阀限位板往关闭方向移动；当机组发出开启导叶开度指令时，调速器主配压阀往开启方向移动，主配压阀限位板往开启方向移动；主配压阀限位板的固定块也随着主配压阀移动方向进行同步移动，固定块直接移动磁致伸缩式位移传感器。当调速器主配压阀限位板磁致伸缩式位移传感器移动距离与导叶开度指令信号的偏差值超过整定值时判断主配压阀跟随故障；当主配压阀限位板磁致伸缩式位移传感器采集到数据小于低限设定值或大于高限值时判断主配压阀磁致伸缩式位移传感器故障。磁致伸缩式位移传感器采集信号通过导线接至隔离变送器，然后传输到电气控制箱内PLC控制器的DI模块，经过PLC控制器的CPU模块运算和处理后送至PLC控制器的DO模块及指示灯，显示调速器主配压阀位置状态信号。工控机和LCU通过交换机读取主配压阀磁致伸缩式位移传感器信号，工控机显示其事件记录和故障信号。当现地控制单元LCU收到主用PLC控制器出现主配压阀跟随故障或主配压阀磁致伸缩式位移传感器故障时，即判断为调速器严重故障，随之将调速器控制权限切换至调速器备用控制器。若主、备用控制器同时出现调速器严重故障，且在五秒之内尚未切换至机手动状态时，将触发监控系统事故停机流程。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水轮机调速器主配压阀位移监测装置，包括PLC控制器（1）、隔离变送器（9）和交换机（6），其特征在于：PLC控制器（1）通过隔离变送器（9）与磁致伸缩式位移传感器（10）电连接，位移传感器（10）用于检查主配压阀限位板（11）的位置信号；PLC控制器（1）与交换机（6）通讯连接，交换机（6）分别与工控机（8）和现地控制单元（7）通讯连接，PLC控制器（1）由电源转换模块（2）供电；
磁致伸缩式位移传感器（10）上设有磁致伸缩式位移传感器导轨（101），磁致伸缩式位移传感器导轨（101）与磁致伸缩式位移传感器连杆（102）滑动连接，磁致伸缩式位移传感器连杆（102）与调节杆（19）连接，调节杆（19）与固定块（18）连接，固定块（18）与主配压阀限位板（11）连接；磁致伸缩式位移传感器（10）用于装设在主配压阀底座（21）侧面，主配压阀底座（21）与主配压阀阀芯（20）连接。
2.根据权利要求1所述的水轮机调速器主配压阀位移监测装置，其特征在于：所述的PLC控制器（1）、交换机（6）、工控机（8）和电源转换模块（2）装设在电气控制箱（16）内；所述PLC控制器（1）包括CPU模块、DI模块、DO模块、AI模块、AO模块、PLC电源模块和通讯模块；
DI模块用于采集主配压阀位置的开关量信号和电源故障报警信号；
DO模块用于输出调速器控制命令，用于控制调速器启动和停止；
AI模块用于采集调速器主配压阀的磁致伸缩式位移传感器模拟量；
AO模块用于输出调速器主配压阀位移模拟量信号至工控机（8）和数显表（5）；
PLC控制器的CPU模块、工控机（8）和现地控制单元（7）分别通过以太网通讯方式与交换机（6）进行数据传输；
电源模块用于给PLC控制器的DI模块、DO模块、AI模块、AO模块电源、工控机（8）、交换机（6）、隔离变送器（9）、数显表和指示灯（3）供电。
3.根据权利要求2所述的水轮机调速器主配压阀位移监测装置，其特征在于：工控机（8）安装在电气控制箱（16）正面，用于显示磁致伸缩式位移传感器（10）的模拟量信号、开关量动作记录和调速器运行状态信号。
4.根据权利要求3所述的水轮机调速器主配压阀位移监测装置，其特征在于：电气控制箱（16）正面设有指示灯（3）、按钮（4）、数显表（5）、接线端子排（14）和电源开关按钮（13）；指示灯（3）用于监视调速器主配压阀的磁致伸缩式位移传感器（10）故障、主配压阀位置状态和电源故障信号。
5.根据权利要求4所述的水轮机调速器主配压阀位移监测装置，其特征在于：电气控制箱（16）底部设有万向轮（12）。
6.根据权利要求5所述的水轮机调速器主配压阀位移监测装置，其特征在于：电气控制箱（16）侧部设有散热孔（15）。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的水轮机调速器主配压阀位移监测装置的监测方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，外部电源接至接线端子排（14），电源转换模块（2）将DC220V电源转换输出为DC24V电源，由通过电源开关按钮（13）给电气控制箱内供电，电气控制箱指示灯（3）的电源指示信号灯点亮；
步骤二，当机组处于正常运行状态时，本监测装置PLC控制器（1）实时采集调速器主配压阀磁致伸缩式位移传感器信号;调速器主配压阀限位板磁致伸缩式位移传感器信号实时送至PLC控制器AI模块，PLC控制器通过AO模块输出主配压阀位移信号至工控机和数显表实时显示主配压阀位移量信号，工控机记录调速器主配压阀磁致伸缩式位移传感器故障记录；
当调速器主配压阀磁致伸缩式位移传感器移动距离与导叶开度指令信号的偏差值超过整定值时，判断主配压阀跟随故障；
当主配压阀磁致伸缩式位移传感器采集到数据小于低限设定值或大于高限值时判断主配压阀磁致伸缩式位移传感器故障；在工控机和指示灯显示故障报警信号指示，并将其信号通过以太网通讯上送至现地控制单元，触发事故停机流程进一步关闭导叶；
步骤三，当机组处于停机备用状态时，本监测装置可实时监测调速器主配压阀当前位移，按照上述步骤二执行。
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