一種護環(huán)液壓脹形壓機的電氣控制系統(tǒng)

張宇 上海重型機器廠有限公司設計所 (200245)

張宇（1978年~），男，碩士，工程師，主任設計師，主要從事電氣系統(tǒng)設計及新產(chǎn)品開發(fā)。

0 引 言

護環(huán)是發(fā)電機組中的關(guān)鍵部件之一，是用來箍緊發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩端的繞組線圈。隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，護環(huán)不僅要承受巨大的離心力，還要承受裝配應力、彎曲應力和熱應力等，是發(fā)電機組中承受應力最大的部件。護環(huán)一旦在高速旋轉(zhuǎn)中開裂爆炸，就會造成嚴重的安全事故和巨大的人員財產(chǎn)損失，20世紀曾多次發(fā)生由此引起的電站事故，因此，我國對護環(huán)產(chǎn)品有著嚴格的技術(shù)標準和制造要求。

圖1 150MN護環(huán)液壓脹形壓機

世界上護環(huán)的主要生產(chǎn)商為德國的KRUPP/VSG、法國的克魯索、俄羅斯的烏拉爾、日本的JSW和神戶制鋼等公司，其中德國處于世界領先水平。我國自20世紀60年代起開始摸索制造小型護環(huán)，至今已形成了批量生產(chǎn)中小型機組護環(huán)的能力，而大型護環(huán)由于工藝和產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等因素仍需依賴進口。隨著國內(nèi)發(fā)電機組容量增大，600～1000MW超臨界/超超臨界機組成為主流，在電站大型化的發(fā)展趨勢下，發(fā)電機組所需要的護環(huán)強度等級和技術(shù)要求必然越來越高。

為了改變國內(nèi)大型護環(huán)依賴進口的現(xiàn)狀，突破生產(chǎn)制造過程中的工藝技術(shù)瓶頸，2011年初，上海重型機器廠有限公司與燕山大學合作，在完成減壓法液壓脹形內(nèi)在成形規(guī)律等關(guān)鍵性基礎技術(shù)研究以后，開始研制150MN護環(huán)液壓脹形壓機（見圖1）。通過兩年多的研制，于2013年2月壓機正式投入生產(chǎn)。這也是目前國內(nèi)研制的最大噸位的護環(huán)液壓脹形壓機。

1 主要技術(shù)參數(shù)

150MN護環(huán)液壓脹形壓機可以滿足國內(nèi)大型護環(huán)的市場需求。

150MN護環(huán)液壓脹形壓機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 150MN護環(huán)脹形壓機主要技術(shù)參數(shù)

2 設備組成

150MN護環(huán)液壓脹形壓機分為機械本體、電氣控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)三大部分。機械本體采用四柱式預應力結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定可靠。液壓控制系統(tǒng)分為低壓和高壓兩部分，低壓系統(tǒng)為主缸提供大流量油源，以滿足主缸快下速度要求。高壓系統(tǒng)為主缸提供足夠的壓力，以滿足主缸推力要求。此外，液壓系統(tǒng)還配有冷卻及過濾裝置。電氣控制系統(tǒng)是機組各部件按工藝要求協(xié)調(diào)動作的指揮中心，是整個機組達到設計性能的保證，精度控制是該系統(tǒng)的中心任務。從高控制精度、高可靠性、抗干擾、易維護的目的出發(fā)，將控制系統(tǒng)按功能分布，由電氣拖動系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)、檢測控制系統(tǒng)等組成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，實行集中監(jiān)控、分片管理、分散控制。設備布置如圖2所示。

圖2 150MN護環(huán)液壓脹形壓機的布置

3 電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成和功能

150MN護環(huán)液壓脹形壓機的電氣控制系統(tǒng)由電氣傳動控制系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)等組成。

3.1 電氣傳動控制系統(tǒng)

電氣傳動控制系統(tǒng)設有二級開關(guān)保護。第一級為供電系統(tǒng)的總進線開關(guān)，與供電變壓器進行隔離。各交流電機均配有第二級開關(guān)保護，計算機電源浮地，設置交流穩(wěn)壓電源，降低電源噪聲干擾。直流穩(wěn)壓電源采用免維護一體化電源。低壓電動機采用“星-三角”啟動方式，可降低電機啟動時的電流，減少電機啟動時設備對車間電網(wǎng)的沖擊。電氣傳動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)之間的各種啟動、聯(lián)鎖控制功能確保機組設備安全運行。壓機操作臺包括按鈕、指示燈和人機監(jiān)控界面(Human Machine Interface，HMI)。人機監(jiān)控界面通過WinCC fl exible高效組態(tài)軟件進行畫面編輯和可視化編程，兼有配方管理、報表系統(tǒng)和故障診斷等功能。

電氣傳動控制系統(tǒng)主要由電動機控制柜（見圖3）和操作臺（見圖4）兩部分組成。

圖3 電動機控制柜

圖4 操作臺

3.2 自動化控制系統(tǒng)

150MN護環(huán)液壓脹形壓機的自動化控制系統(tǒng)采用西門子PLC S7-300可編程控制系統(tǒng)和人機界面相結(jié)合的控制模式，將壓機的工作情況直觀地反映到人機界面上，方便控制，提高了工作效率。Simatic HMI人機界面結(jié)構(gòu)緊湊，適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，減少大量的組態(tài)時間，降低了工程的總費用。壓機通訊系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，減少了設備之間連接線纜數(shù)量，降低工程費用的同時也降低了故障率，提高系統(tǒng)的響應速度。

自動化控制系統(tǒng)主要由壓機PLC柜（見圖5）和人機界面（見圖6）兩部分組成。壓機PLC柜包括西門子PLC S7-300可編程控制器主框架、電源、各種模塊、部分擴展框架及保護元件、所有比例閥的控制放大板及控制板安裝支架、空開、中間繼電器、指示燈等。可編程控制器和HMI人機界面通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)壓機相關(guān)數(shù)據(jù)的交換和資源共享。壓機PLC柜主要負責150MN護環(huán)液壓脹形壓機的邏輯控制，對設備運行中的各種信號進行采集和傳輸，執(zhí)行來自人機界面和操作臺的各種指令。操作人員根據(jù)操作臺或人機界面上實時顯示的設備運行狀態(tài)，在人機界面上進行設備原始參數(shù)設置、修改，在人機界面或操作臺發(fā)出各種控制指令。維護人員在人機界面的電磁閥調(diào)試界面可以對電磁閥進行調(diào)試維護。

圖5 PLC柜

人機界面分為：主界面（見圖6）、操作界面（見圖7）、狀態(tài)顯示界面（見圖8）、數(shù)據(jù)存儲界面（見圖9）、實時曲線界面（見圖10）、報警記錄界面（見圖11）、電磁閥調(diào)試界面（見圖12）等7個界面?？梢栽谙鄳慕缑胬镞M行設備和工件的原始參數(shù)設置和修改，監(jiān)控設備工作狀態(tài)，發(fā)出各種控制指令，查看故障記錄等。當設備發(fā)生故障時，可以通過報警記錄畫面尋找故障點，排除故障，恢復生產(chǎn)。

圖6 人機操作界面

圖7 人機界面操作區(qū)

圖8 狀態(tài)顯示界面

圖9 數(shù)據(jù)存儲界面

圖10 實時曲線界面

圖11 報警記錄界面

圖12 電磁閥調(diào)試界面

3.3 檢測系統(tǒng)

機組的系統(tǒng)油溫、液位、油泵的出口壓力、主缸的壓力、主缸行程位移、工作臺的行走定位等參數(shù)，通過各種傳感器反饋給控制系統(tǒng)，由可編程控制器進行邏輯運算控制，并通過工業(yè)以太網(wǎng)與HMI進行通訊，所有參數(shù)均能在HMI觸摸顯示屏上以量化和圖形的動態(tài)方式即時顯示，便于操作人員在控制室中實時監(jiān)控、操作和判斷。護環(huán)脹形尺寸實時位移檢測系統(tǒng)（見圖13）是為此設備定制的，可以在線實時檢測護環(huán)脹形的尺寸變化，確保產(chǎn)品達到要求。

4 電控系統(tǒng)的冷調(diào)、試車和驗收

圖13 護環(huán)脹形尺寸實時位移檢測系統(tǒng)

4.1 電控系統(tǒng)的冷調(diào)

在設備安裝結(jié)束后，按照調(diào)試大綱的要求首先對電氣控制系統(tǒng)進行調(diào)試，確保設備能夠正常投運。第一步，對設備的電氣接線進行檢查，并對電氣設備的對地絕緣進行檢測，確保操作和維護人員的人身安全；第二步，對電機啟動柜和PLC柜分別進行帶電調(diào)試，保證控制系統(tǒng)的信號準確無誤，接觸器吸合動作正確；第三步，給電機通電，檢測電動機的轉(zhuǎn)向正確無誤；第四步，在人機操作系統(tǒng)的電磁閥調(diào)試界面（見圖12）對液壓控制系統(tǒng)中的比例溢流閥、大泵溢流閥、小泵溢流閥、充液缸、回程缸、進位缸、退位缸等電磁控制閥進行調(diào)試，保證信號與電磁閥動作匹配準確；第五步，對超高壓水系統(tǒng)進行調(diào)試，保證超高壓水系統(tǒng)壓力滿足設計要求。

4.2 電控系統(tǒng)的試車

在電控系統(tǒng)的冷調(diào)結(jié)束后，按照150MN護環(huán)液壓脹形壓機的工藝要求開始對整個設備進行試車。150MN護環(huán)液壓脹形壓機的工藝操作流程如圖14所示。

圖14 工藝操作流程

在電機控制柜內(nèi)合閘，在操作臺上按鈕啟動主泵和輔助泵，觀察主缸所處位置，將主缸退回上限位置；將工作臺鎖緊缸退回至退出位；移出工作臺至退出位；此時，在人機操作界面狀態(tài)顯示區(qū)中，KM21、KM25、HSQ6、HSQ5.1、HSQ5.2、HSQ1等位置反饋信號燈相繼點亮。等待行車工吊裝減力柱、吊裝工件、吊裝保護罩后，在工件內(nèi)部開始初始注水，由于超高壓水系統(tǒng)的流量較小，只有4 L/min，因此采用水泵直接注水，加快注水速度。注水結(jié)束后，吊裝上模。在操作臺上操作按鈕移進工作臺，將鎖緊缸伸出至伸出位，鎖緊操作臺在外力作用下不發(fā)生移動。此時，在人機操作界面狀態(tài)顯示區(qū)中，HSQ3、HSQ4.1、HSQ4.2等位置反饋信號燈相繼點亮。在人機界面的操作區(qū)中將工件的原始尺寸、預壓壓力、增減壓步長、護環(huán)報警偏差和護環(huán)跳閘偏差等參數(shù)設置到HMI中，推上護環(huán)位移專用檢測裝置，在操作區(qū)進行位移清零，開啟超高壓水系統(tǒng)，準備試壓。在操作臺上按下主缸下壓按鈕，操作主缸緩慢壓下，觀察人機界面操作區(qū)中的主缸壓力的數(shù)值變化，當主缸壓力開始增加時，按下主缸懸停按鈕，再次確認參數(shù)設置無誤，按下主缸調(diào)壓按鈕，進入HMI的操作區(qū)界面進行操作。隨著超高水壓力值逐漸增大，主缸壓力也隨之增大，動態(tài)增減主缸壓力，確保上模能夠?qū)⒊邏核芊庠谧o環(huán)腔體中，達到動態(tài)平衡的同時，觀察護環(huán)尺寸的變化，保證護環(huán)的尺寸偏差在設定的報警值范圍內(nèi)。如發(fā)生護環(huán)的實際尺寸偏差超過預定的報警值，人機界面操作區(qū)中凸鼓或凹鼓的燈亮起，此時適當增、減主缸壓力以微調(diào)護環(huán)尺寸的變化情況。確實無法修正的，則進行主缸泄壓，關(guān)閉超高壓水系統(tǒng)，退回主缸，退出鎖緊缸，移出工作臺，吊走上模和保護罩，將護環(huán)工件送回返修。如護環(huán)脹形工件尺寸滿足工藝設定要求，則在達到成品尺寸后停止主缸壓力，進行主缸泄壓，關(guān)閉超高壓水系統(tǒng)，退回主缸，退出鎖緊缸，移出工作臺，吊走上模和保護罩等一系列操作，將成品護環(huán)送檢。將專用模具吊離，吊裝墊鐵，移入工作臺，伸出鎖緊缸，放下主缸，關(guān)閉全部電機，拉閘，完成一次完整的護環(huán)脹形全過程。在人機操作界面的數(shù)據(jù)存儲區(qū)和實時曲線區(qū)可以將護環(huán)的脹形尺寸進行存儲，便于工藝人員根據(jù)護環(huán)脹形的形變曲線改進工藝要求。在發(fā)生設備意外故障時，可以根據(jù)人機操作界面的報警記錄界面及時找到故障報警點，排除設備故障，盡快恢復設備運行。

4.3 電控系統(tǒng)的驗收

經(jīng)過了設備的試車過程，根據(jù)150MN護環(huán)液壓脹形壓機驗收大綱的要求對設備進行驗收。該設備的驗收記錄表格如表2所示。

表2 150MN護環(huán)脹形專用裝置驗收記錄

5 結(jié) 語

經(jīng)過兩年多的努力，首兩件護環(huán)終于試制成功，這標志著國內(nèi)較大噸位的150MN護環(huán)液壓脹形壓機正式投產(chǎn)。但由于護環(huán)產(chǎn)品的特殊性，制約產(chǎn)品合格率的因素較多，因此產(chǎn)品質(zhì)量仍不穩(wěn)定。在護環(huán)脹形形變過程的精密檢測技術(shù)、超高壓水的密封和泄壓技術(shù)等方面仍需要進一步研究。