智能控制在水輪機進(jìn)水閥控制上的應(yīng)用

吳友林

（湖北洪城通用機械股份有限公司，湖北 荊州 434000）

1 引言

水輪機進(jìn)水閥有三種形式：蓄能罐式進(jìn)水閥、重錘式進(jìn)水閥、電動閥。本文所描述的對象是蓄能罐式進(jìn)水閥。水輪機進(jìn)水閥安裝在水輪發(fā)電機組的蝸殼進(jìn)口，主要有兩個作用：①在水輪機組檢修時關(guān)閉，截斷上游來水；②在機組出現(xiàn)事故，導(dǎo)葉失靈的情況下，為防止機組過速，動水緊急關(guān)閉。在上述兩種情形下，要求閥門能可靠動作，不得拒動和發(fā)生誤動作，否則，將會嚴(yán)重影響電站的安全。另外，在發(fā)電機組待機或檢修期間，要確保維護(hù)工作按時完成，否則將會影響電站的發(fā)電效益。因此，水輪機進(jìn)水閥不僅要求可靠性很高，還應(yīng)該具備能提高維護(hù)效率的功能。

隨著自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)場“無人值班，少人值守”的理念在最近這些年被電站廣泛提及。水輪機進(jìn)水閥自動控制系統(tǒng)也不例外地要適應(yīng)這些要求。作為閥門廠家有義務(wù)應(yīng)在保證產(chǎn)品性能價格比的前提下，應(yīng)用先進(jìn)的自動控制理念和控制技術(shù)，來充分提高產(chǎn)品的性能，保證電站的安全可靠運行和提高電站的發(fā)電效益。

2 自動控制技術(shù)的發(fā)展趨勢

自動控制就是能按規(guī)定程序?qū)C器或裝置進(jìn)行自動操作或控制的過程。簡單地說，不需要人工（或極少人）干預(yù)的控制就是自動控制。如進(jìn)水閥的開閥控制，電站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出開閥指令，進(jìn)水閥就會自動按照設(shè)定的流程動作：開旁通閥——蝸殼充水（平壓）——解除液壓鎖定——開主閥——關(guān)旁通閥。

圖1 自動控制技術(shù)的發(fā)展過程示意圖

自動控制技術(shù)的發(fā)展是與當(dāng)時的自動控制領(lǐng)域的自動化元件的技術(shù)和控制對象的要求相適應(yīng)的。它經(jīng)歷了最簡單的開環(huán)控制、反饋控制（閉環(huán)控制）、最優(yōu)控制、隨機控制到智能控制的發(fā)展過程。不同階段的控制技術(shù)的復(fù)雜性是不同的，如圖1所示。

自動控制系統(tǒng)的發(fā)展是與自動控制技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)的，它經(jīng)歷了如下發(fā)展過程，如圖2所示。

圖2 自動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程示意圖

可見，自動控制技術(shù)的發(fā)展方向是通信技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)相結(jié)合的智能控制。

3 智能控制系統(tǒng)

“智能”到目前為止還沒有一個明確的定義，但從工業(yè)控制的角度來說，“智能”可分為“人工智能”和“擬人智能”。就是人們通過視覺、聽覺、觸覺、味覺等各種自然傳感機制來獲取信息，并對這些信息進(jìn)行分析判斷，指導(dǎo)人的行為?！叭斯ぶ悄堋焙汀皵M人智能”就是將人的思維、邏輯推理和判斷能力模擬應(yīng)用在控制上，用來對控制對象的使用狀況和性能進(jìn)行分析判斷，發(fā)出預(yù)警和報警信息，代替對控制對象發(fā)生故障后的人工分析和判斷過程。

因此，智能控制是一種最新的自動控制技術(shù)，是一類無須人的干預(yù)就能夠獨立完成某一控制過程，能夠監(jiān)控整個過程，并能模擬人的邏輯思維和推斷能力對控制對象進(jìn)行故障診斷（預(yù)警和報警），指導(dǎo)消除或排除故障的自動控制技術(shù)，代表了自動控制的發(fā)展方向。

智能控制系統(tǒng)是建立在智能控制技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上的。專家控制系統(tǒng)是智能控制系統(tǒng)的一種形式，是一個應(yīng)用專家系統(tǒng)技術(shù)的控制系統(tǒng)，其核心就是應(yīng)用人工智能技術(shù)和計算機技術(shù)，根據(jù)某領(lǐng)域一個或多個專家提供的知識和經(jīng)驗，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程。該程序系統(tǒng)存儲有某一特定領(lǐng)域的人類專家知識，來解決需要通過人類才能解決的現(xiàn)實問題的計算機程序系統(tǒng)。

進(jìn)水閥專家控制系統(tǒng)依據(jù)智能控制的理念，根據(jù)對進(jìn)水閥在不同工況下的運行狀況的長期跟蹤，并對設(shè)備運行中出現(xiàn)的問題和現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)，形成一整套能準(zhǔn)確反映閥門性能的目標(biāo)參數(shù)及對應(yīng)的曲線，這些參數(shù)和曲線作為參考程序儲存在閥門控制系統(tǒng)PLC內(nèi)，就是PLC設(shè)備監(jiān)測和故障診斷程序系統(tǒng)，也就是進(jìn)水閥專家系統(tǒng)。進(jìn)水閥專家系統(tǒng)能夠為用戶維護(hù)提供指導(dǎo)，并能對設(shè)備運行過程中可能發(fā)生的問題發(fā)出預(yù)警，對已經(jīng)出現(xiàn)的故障發(fā)出報警。

4 智能控制在蓄能罐式進(jìn)水閥控制上的應(yīng)用

4.1 進(jìn)水閥智能控制系統(tǒng)的構(gòu)成

進(jìn)水閥控制系統(tǒng)以PLC（可編程控制器）為核心，將原來的繼電器控制邏輯由PLC程序代替，使控制系統(tǒng)的接線大量減少，從而減少了故障點的數(shù)量，使控制系統(tǒng)的可靠性大大提高。另外，控制系統(tǒng)設(shè)置了人機觸摸界面，將閥門和液壓系統(tǒng)的大量信息可視化?？刂葡到y(tǒng)還設(shè)有用于遠(yuǎn)程控制和技術(shù)服務(wù)的功能，如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程控制和技術(shù)服務(wù)功能

4.2 進(jìn)水閥智能控制系統(tǒng)要解決的問題

智能控制技術(shù)是將先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合的新技術(shù)。在進(jìn)水閥的智能控制系統(tǒng)上主要解決兩個問題。

（1）遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程技術(shù)服務(wù)

水電站大多建在偏遠(yuǎn)的山溝，那里的自然環(huán)境比較惡劣。因此，用戶為了提高電站工作人員的積極性和從員工人身安全考慮，把中控室建在電站附近的城鎮(zhèn)或者是生活、交通較為方便的地方。通過公用電話線路或局域網(wǎng)絡(luò)來對電站設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，如圖4所示。這就要求閥門控制系統(tǒng)要有遠(yuǎn)程通訊接口，并適應(yīng)和滿足電站遠(yuǎn)程監(jiān)控通訊規(guī)約。

圖4 公用電話線路及局域網(wǎng)絡(luò)

另外，為了提高電站的發(fā)電效益，用戶對設(shè)備維護(hù)的快速響應(yīng)要求也是很高的。設(shè)備廠家的技術(shù)服務(wù)人員到電站即使使用最快捷的交通工具，也要在路上花費大量的時間。如何解決這個問題呢？那就是閥門控制系統(tǒng)要有遠(yuǎn)程技術(shù)服務(wù)的功能，包括售后技術(shù)咨詢和遠(yuǎn)程的故障診斷及維修維護(hù)指導(dǎo)。通過公用電話線路與遠(yuǎn)程上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)或信息的交換，設(shè)備廠家技術(shù)專家或服務(wù)人員在用戶的要求或許可下，在公司本部通過計算機和現(xiàn)地PLC通訊，直接對PLC記錄的相關(guān)信息進(jìn)行分析和診斷，以確定故障范圍，提出解決方案。指導(dǎo)現(xiàn)場維護(hù)人員解決或消除故障，這就大大提高了工作效率。

（2）進(jìn)水閥專家系統(tǒng)的建立

遠(yuǎn)程技術(shù)服務(wù)的前提是進(jìn)水閥要有一個專家系統(tǒng)，這個專家系統(tǒng)能反映閥門系統(tǒng)相關(guān)部分的工作狀態(tài)，包括正常狀態(tài)、故障狀態(tài)和預(yù)警信息。這些信息儲存在PLC內(nèi)，通過這些信息，可以判斷設(shè)備的狀態(tài)，對可能發(fā)生的故障采取預(yù)防措施，對已經(jīng)發(fā)生的故障給以明確提示，并提出解決方案。

水輪機進(jìn)水閥是機電液一體化的形式的產(chǎn)品。蓄能罐式進(jìn)水液動蝶閥是以蓄能器將壓力能儲存起來，當(dāng)需要開關(guān)閥門時，壓力能就會釋放出來。蓄能罐式進(jìn)水液動蝶閥閥門部分是核心，液壓系統(tǒng)為閥門提供驅(qū)動能源，電氣控制系統(tǒng)的控制對象是液壓系統(tǒng)，并從閥門和液壓系統(tǒng)采集相關(guān)信息。從閥門系統(tǒng)來看，閥門機械結(jié)構(gòu)一旦成型，基本不會出現(xiàn)什么問題。但液壓和電氣將是日常維護(hù)最頻繁的兩部分，液壓和電氣系統(tǒng)的性能也將直接關(guān)系著整個進(jìn)水閥系統(tǒng)的整體性能。如何在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，有效地監(jiān)控液壓系統(tǒng)、閥門系統(tǒng)的運行，并能隨時對液壓系統(tǒng)、閥門系統(tǒng)的各種信息作出準(zhǔn)確的判斷，從而盡快的發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，將問題或故障扼殺在萌芽狀態(tài)，以提高電站的發(fā)電效率和減少售后服務(wù)成本。這是進(jìn)水閥電氣控制系統(tǒng)需要完成的另一個任務(wù)：專家系統(tǒng)的設(shè)計。

4.3 蓄能罐式水輪機進(jìn)水閥智能控制的專家系統(tǒng)

（1）蓄能罐內(nèi)氮氣壓力高低的判斷

通過蓄能器氮氣壓力的高低與蓄能器充油量之間的關(guān)系，來判斷蓄能罐內(nèi)氮氣的壓力的高低。蓄能器內(nèi)的氮氣壓力的高低，將會影響到充油量的多少。蓄能器充油越多，液壓站回油箱油位就會越低，這就是兩者之間的關(guān)系。進(jìn)水閥控制系統(tǒng)實時檢測油箱的油位與系統(tǒng)壓力，并通過專家程序?qū)崟r分析，判斷每一次補油后油位的下降量與系統(tǒng)壓力或氮氣之間的數(shù)據(jù)變化量，并儲存信息。如圖5所示，其反映了充氮壓力與充油壓力和放油壓力之間的關(guān)系。

圖5 充氮壓力與充油壓力和放油壓力

圖中Vw為P1-P2時的放油量；V0為氮氣壓力為P0時的容積。

專家系統(tǒng)判斷，當(dāng)系統(tǒng)壓力在15-17.5MPa、氮氣壓力為8-9 MPa時，對應(yīng)回油箱油位為H3；當(dāng)系統(tǒng)壓力在15-17.5MPa、氮氣壓力為7-98MPa時，對應(yīng)回油箱油位應(yīng)在H2-H3之間，為正常；當(dāng)系統(tǒng)壓力在15-17.5MPa、氮氣壓力為6-7 MPa時，對應(yīng)回油箱油位應(yīng)在H1-H2之間，屬非正?，F(xiàn)象，專家系統(tǒng)會提示：請檢查蓄能器氮氣壓力或系統(tǒng)是否漏油。發(fā)出相關(guān)信息，以提醒維護(hù)人員如圖6所示。

圖6 蓄能器氮氣壓力與油位的關(guān)系

（2）液壓系統(tǒng)的保壓性能的判斷

油泵電機在單位時間內(nèi)啟動的間隔時間與系統(tǒng)保壓性能的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 油泵電機在單位時間內(nèi)起動的間隔時間與系統(tǒng)保壓性能的關(guān)系

由圖7可知，液壓系統(tǒng)的保壓性能是通過系統(tǒng)壓力由額定上限到額定下限之間時間長短來衡量的，這段時間內(nèi)油泵是不會起動的。也就是說，油泵電機在單位時間內(nèi)起動的間隔時間與系統(tǒng)保壓性能是有關(guān)系的。系統(tǒng)壓力從上限到下限所需時間越長，系統(tǒng)的保壓性能越好，反之，則越差。

專家系統(tǒng)認(rèn)為，實際壓降時間T2≥T1認(rèn)為系統(tǒng)保壓性能良好；若T2≤T1，說明系統(tǒng)有壓降，在此條件下：若K≤T2≤T1（K為專家系統(tǒng)設(shè)定參考值），認(rèn)為系統(tǒng)壓降在允許范圍內(nèi)，但應(yīng)發(fā)出預(yù)警，提示系統(tǒng)已出現(xiàn)一定的泄漏，需引起重視；若T2＜K（專家系統(tǒng)參考值），認(rèn)為系統(tǒng)壓降過大，需立即檢修和維護(hù)，發(fā)出報警信息。

在單位時間內(nèi)，油泵電機的啟動次數(shù)也可作為反映液壓系統(tǒng)保壓性能的另一個指標(biāo)。

閥門在全開或全關(guān)狀態(tài)下，油泵電機啟動的間隔時間反映的是液壓系統(tǒng)的保壓性能。正常情況下，系統(tǒng)保壓不應(yīng)低于50h。但50h以內(nèi)油泵電機應(yīng)允許一定的啟動次數(shù)，但不能太頻繁，否則視為系統(tǒng)有故障。

判斷關(guān)系式：0≤C2≤K≤C1

式中：C1為專家系統(tǒng)規(guī)定的在單位時間內(nèi)允許油泵電機組起動的最低次數(shù)；C2為油泵電機在單位時間內(nèi)實際起動過的次數(shù)；K為一定值，用來衡量系統(tǒng)正常與基本正常的臨界值。

判斷結(jié)果：若0≤C2≤K，則可認(rèn)為正常；若K≤C2≤C1，則可認(rèn)為基本正常，但發(fā)出預(yù)警，提示油泵電機起動較頻繁，請注意系統(tǒng)是否有可見泄漏；若C1≤C2，則認(rèn)為系統(tǒng)有問題，應(yīng)發(fā)出報警，請維護(hù)人員加緊檢修和維護(hù)。

（3）油泵及電機工作性能判斷、故障診斷

蓄能罐式進(jìn)水液動蝶閥液壓系統(tǒng)設(shè)有兩臺油泵電機組。兩臺油泵電機組的運行方式有兩種：交替起動和聯(lián)合起動。正常補油時，交替運行，即奇數(shù)次1#油泵運行，則偶數(shù)次就由2#泵運行；在系統(tǒng)油壓偏低時，兩臺油泵同時起動。專家系統(tǒng)根據(jù)油泵特性，確定正常補油時間為T，當(dāng)油泵實際運行時間T1＞T，而系統(tǒng)壓力還未達(dá)到額定上限值，則該泵應(yīng)停止運行，同時立即起動另備泵。若備泵運行時間T2＜T時間內(nèi)，系統(tǒng)壓力上升到上限，則可判斷主泵性能已降低，應(yīng)進(jìn)行檢查；若備泵運行時間達(dá)到T2后，系統(tǒng)壓力也不能達(dá)到上限，則可認(rèn)為系統(tǒng)有嚴(yán)重泄漏，依據(jù)其它判斷條件，及時綜合檢查，排除故障。

通過開閥力矩與系統(tǒng)壓力的之間關(guān)系以及檢測電磁閥的工作狀態(tài)，來判斷閥門開啟是否正常。閥門在不同的開度，其開閥力矩是不一樣的，通過實時檢測系統(tǒng)的壓力來與不同開度時所需要的最小壓力值比較，來判斷閥門是否有卡阻，閥門開啟是否正常。另外，通過檢測電磁閥的工作狀態(tài)，來判斷開閥命令是否已經(jīng)執(zhí)行以及電磁閥的動作是否正常等等。

通過以上來綜合判斷液壓和閥門系統(tǒng)的運行是否正常，從而發(fā)出相關(guān)信息。

通過閥門開關(guān)力矩與系統(tǒng)壓力之間的關(guān)系來控制液壓系統(tǒng)的壓力，滿足在開關(guān)閥過程中最大力矩時所需要的液壓系統(tǒng)的壓力，保證閥門能可靠開啟和關(guān)閉，如圖8-10所示。

圖8 開閥角度與力臂關(guān)系坐標(biāo)圖

圖9 閥軸與接力器示意圖

圖10 閥門安裝示意圖

閥門的開啟力矩M=液壓缸的輸出力F×力臂L（L=曲柄長度×COSα，α為閥軸的水平中心線與曲柄中心線之間的夾角）；

液壓缸的輸出力F=系統(tǒng)工作壓力P×活塞的有效面積 A，即 M=P×A×L。

式中，L是隨著閥門的開度變化而變化的，系統(tǒng)壓力P也是在不斷變化的，閥門不同的開度對應(yīng)的液壓系統(tǒng)的壓力是不一樣的。

從上面的關(guān)系式中可知，在油缸缸徑一定的前提下，要想增加開閥力矩，就會要求液壓系統(tǒng)壓力增大。如果設(shè)計時考慮開閥按閥前后的不平衡壓差為30%，則開閥力矩將會增加很多，成本會增加?？梢酝ㄟ^專家系統(tǒng)既可滿足不同角度下的開閥力矩，又可減少成本。即自動檢測在開關(guān)過程中不同角度對應(yīng)的力矩，根據(jù)力矩大小自動增加液壓系統(tǒng)的壓力，以滿足開關(guān)閥的需要。①在閥門前后分別設(shè)置一個壓力變送器或兩只電接點壓力表，用來作差壓檢測用；②不平壓設(shè)置最大10%。因正常狀況下，閥前后平壓基本無壓差且平壓所需時間也是很短的。專家系統(tǒng)可設(shè)定平壓所需最長時間T，當(dāng)在時間T到達(dá)后仍未平壓，而此時又必須開閥，升高系統(tǒng)壓力或者根據(jù)不同的開閥角度與所需液壓系統(tǒng)壓力的關(guān)系，通過閥門控制系統(tǒng)PLC的邏輯判斷，可讓系統(tǒng)壓力超過設(shè)定的上限，達(dá)到保證閥門能可靠打開的系統(tǒng)壓力。

其它數(shù)據(jù)存儲，用來長期的跟蹤閥門系統(tǒng)的運行狀況。如閥門開關(guān)次數(shù)、油泵電機的啟動次數(shù)、最近一次開關(guān)閥過程中的壓力變化和時間、閥門在最近1次的開、關(guān)閥時間等。作為分析判斷閥門工作狀況的依據(jù)，閥門在緊急狀況下動水關(guān)閥時，由于閥門的偏心作用及水流的作用，是有利于關(guān)閥的，因此，關(guān)閥力矩相對要小一些。通過PLC專家系統(tǒng)記錄的正常狀況下的關(guān)閥時間與實際關(guān)閥時間比較，即可得出閥門的關(guān)閥是否正常。

另外，通過對閥門開關(guān)次數(shù)的記錄，可以為密封圈的使用次數(shù)及壽命作統(tǒng)計，利于閥門廠家掌握一些數(shù)據(jù)，以便作技術(shù)更新等等。

5 結(jié)束語

智能控制技術(shù)在蓄能罐式水輪機進(jìn)水液動蝶閥控制系統(tǒng)上已有實際應(yīng)用。閥門控制系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和公共電話線路，特別是專家系統(tǒng)的建立，遠(yuǎn)程解決了電站在運行過程中的問題，大大縮短了檢修和維護(hù)工作周期，為電站效益的提高起到了重要作用。因此，水輪進(jìn)水閥控制系統(tǒng)上應(yīng)用現(xiàn)代控制技術(shù)，切實解決實際問題，使電站真正做到現(xiàn)場“無人值班，少人值守”已顯得迫不及待了。

［1］蔡自興.智能控制原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社.

［2］張 蓮，胡曉倩，王士彬，余成波.現(xiàn)代控制理論［M］.北京：清華大學(xué)出版社.