基于智能總線型電液比例控制技術(shù)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)研究分析

李慶

（東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司， 四川德陽(yáng)， 618000）

1 前言

隨著人工智能控制技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展， 根據(jù)整個(gè)發(fā)電設(shè)備制造行業(yè)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)， 研發(fā)汽輪機(jī)智能控制設(shè)備和智能控制系統(tǒng)適應(yīng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展要求， 更是儲(chǔ)備自身核心技術(shù)為持續(xù)進(jìn)行前沿技術(shù)的研究提供技術(shù)支持。

為了更好地利用工業(yè)4.0、 互聯(lián)網(wǎng)+進(jìn)行轉(zhuǎn)型。從智能設(shè)備、 智能運(yùn)行、 智能檢修、 廠級(jí)智慧決策以及集團(tuán)級(jí)智慧決策等方面對(duì)智慧電廠的建設(shè)提出了更安全、 更高效、 更智能、 更綠色、 可持續(xù)發(fā)展等終極目標(biāo)。 其中最根本途徑是要實(shí)現(xiàn)這種基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)

智能總線型電液比例控制技術(shù)也得到飛速發(fā)展， 該技術(shù)是將基于現(xiàn)場(chǎng)總線智能通訊集成到電液比例閥上， 是一種集成了比例閥， 電子傳感器，電子放大器， 智能總線接口和數(shù)字顯示為一體的設(shè)備， 目前常規(guī)電液比例閥的控制性能和動(dòng)態(tài)特性已經(jīng)基本達(dá)到比例閥的性能， 且很多使用比例閥控制的系統(tǒng)和設(shè)備都已逐步被電液比例閥所取代。 本文是基于對(duì)應(yīng)用了智能總線型電液比例閥的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)的研究， 通過(guò)研究數(shù)據(jù)表明， 電液比例閥完全可替代比例閥應(yīng)用于汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)上， 并具有抗污染性能好， 經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)， 最重要的是可實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)智能控制和智能通信為今后基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧電廠建設(shè)提供了重要的技術(shù)和功能支持。

2 智能總線型電液比例控制技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 智能總線技術(shù)簡(jiǎn)介

智能總線技術(shù)是主要應(yīng)用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域的新型技術(shù)， 為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表互連提供了一種通信網(wǎng)絡(luò)。 智能總線技術(shù)完全突破了傳統(tǒng)控制技術(shù)的一對(duì)一的結(jié)構(gòu)模式， 是把分散的單個(gè)控制對(duì)象通過(guò)智能總線技術(shù)連接起來(lái)， 并將控制對(duì)象變成智能網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)， 并使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能成為相互通訊的基站， 實(shí)現(xiàn)完成最終控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 智能總線技術(shù)是一種新型測(cè)控技術(shù)與計(jì)算機(jī)智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合后的產(chǎn)物。

2.2 電液比例閥技術(shù)簡(jiǎn)介

電液比例閥主要由電子比例放大器， 比例電磁鐵， 閥芯， 閥體， 復(fù)位彈簧和閥芯位移傳感器組成。 其原技術(shù)原理是： 指令信號(hào)通過(guò)電子比例放大器轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)作用到比例電磁鐵上產(chǎn)生一個(gè)與電流信號(hào)大小成比例的電磁力來(lái)推動(dòng)比例閥閥芯產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的位移。 并通過(guò)閥芯位移傳感器實(shí)時(shí)將閥芯實(shí)際位移量反饋給控制信號(hào)做比較。 從而實(shí)現(xiàn)了精確而連續(xù)比例控制。 圖1 是比例閥控制框圖。

圖1 電液比例閥控制框圖

工程應(yīng)用中電液比例閥傳遞函數(shù)通?？珊?jiǎn)化為二階振蕩環(huán)節(jié)：

式中， Kq為電液比例閥的流量增益； ων為電液比例閥固有頻率； δν為電液比例閥阻尼比。

2.3 智能總線型電液比例控制技術(shù)

電液比例控制技術(shù)是通過(guò)以比例電磁鐵推動(dòng)液壓閥的閥芯運(yùn)動(dòng)進(jìn)而控制液壓流體的運(yùn)動(dòng)方向和流量。 隨著電子科技和比例控制技術(shù)的迅速發(fā)展， 目前集成了智能總線技術(shù)和智能控制技術(shù)于一體的電液比例閥已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)即智能總線型電液比例閥。

將智能總線型電液比例閥應(yīng)用到被控對(duì)象中即形成一種新型的控制技術(shù)： 即配置了基于智能總線技術(shù)的數(shù)字式電子控制器。 在實(shí)際使用中可以將該比例閥乃至整個(gè)控制對(duì)象接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智慧電廠中智能監(jiān)測(cè)， 智能檢修要求。

圖2 智能總線型電液比例控制技術(shù)方框圖

3 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)的工作原理

因智能總線型電液比例閥在控制精度， 頻響特性上都和常規(guī)伺服閥基本一致， 且其具有對(duì)油質(zhì)清潔度要求不高， 價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。 完全可以替代常規(guī)電液伺服閥應(yīng)用于汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)中， 并通過(guò)智能總線技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài)。 通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用率先研發(fā)了汽輪機(jī)關(guān)鍵智能設(shè)備： 基于智能總線型電液比例控制技術(shù)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)的原理如圖3 所示； 該油動(dòng)機(jī)是整個(gè)汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)最重要的設(shè)備之一，其動(dòng)態(tài)性能的好壞直接影響汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的控制、 一次調(diào)頻、 OPC 超速控制等工況的控制效果， 進(jìn)而影響整個(gè)汽輪機(jī)組的性能和安全性。

圖3 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)原理圖

如圖3 所示， 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)在機(jī)組正常工況下是通過(guò)由電液比例閥和位移傳感器組成電液比例閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)控制汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥門的開(kāi)啟和關(guān)閉位置， 在單個(gè)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥做快關(guān)試驗(yàn)或在汽輪機(jī)組危急工況狀態(tài)下汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)是通過(guò)卸掉超速限制油（OPC 油）來(lái)快速關(guān)閉汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥門的， 且整個(gè)快關(guān)時(shí)間小于0.3 s（包含延時(shí)）。

通過(guò)理論研究可知應(yīng)用了智能總線型電液比例閥的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)在控制精度上， 響應(yīng)速度上均和電液伺服閥控制技術(shù)的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)基本一致。 且電液比例閥對(duì)液壓油質(zhì)清潔度要求沒(méi)有伺服閥高。 因此具有更高可靠性。 由此可知電液比例閥完全可以替代伺服閥應(yīng)用到汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)上； 并能通過(guò)智能總線技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)汽輪機(jī)閥門的工作狀態(tài)。 采用智能總線的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)， 分散在現(xiàn)場(chǎng)的閥門位置控制器與汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)之間可以傳輸大量的信息， 從而實(shí)現(xiàn)閥門位置控制器執(zhí)行較為復(fù)雜的任務(wù)， 提高了信號(hào)這個(gè)表述含義不清線的利用率， 節(jié)省了硬件投入。 現(xiàn)場(chǎng)總線的接線比傳統(tǒng)硬接線更為簡(jiǎn)單， 基于智能總線技術(shù)， 僅使用一條傳輸線， 就可以掛接多個(gè)智能設(shè)備， 節(jié)約了現(xiàn)場(chǎng)安裝成本。

4 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)仿真分析

通過(guò)對(duì)基于智能總線型電液比例控制技術(shù)的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)的理論研究， 可將此油動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化為基于電液比例閥控制的包含彈性負(fù)載的位置控制系統(tǒng)， 其傳遞函數(shù)框圖如圖4 所示。

圖4 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)傳遞函數(shù)框圖

將應(yīng)用了智能總線型電液比例控制技術(shù)的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)通過(guò)仿真軟件建立了整個(gè)裝置的簡(jiǎn)化仿真模型， 如圖5 所示， 并在仿真系統(tǒng)里設(shè)置了各個(gè)元器件的具體參數(shù)。

圖5 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)仿真模型

通過(guò)對(duì)基于智能總線型電液比例控制技術(shù)的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)仿真模型進(jìn)行仿真并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析， 通過(guò)仿真軟件繪制了整個(gè)系統(tǒng)的bode 圖， 如圖6 所示。

圖6 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性曲線

通過(guò)bode 圖可看出基于智能總線型電液比例控制技術(shù)的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)的幅值裕度為25 dB， 相位裕度為155°， 由此可知該系統(tǒng)是一個(gè)穩(wěn)定的液壓系統(tǒng)。

通過(guò)控制器給定75%的指令后， 通過(guò)智能總線可以在控制系統(tǒng)畫面上實(shí)時(shí)查看基于智能總線型電液比例控制技術(shù)的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果， 如圖7 所示： 系統(tǒng)表現(xiàn)為線性系統(tǒng)，且調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)位置反饋信號(hào)， 電液比例閥的控制信號(hào)均與指令信號(hào)在動(dòng)態(tài)頻率上保持一致， 最終的穩(wěn)態(tài)誤差小于5%， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)上閥門上升時(shí)間低于下降時(shí)間。 在0～75%的階躍信號(hào)下的響應(yīng)時(shí)間為1.2 s 左右。

圖7 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù)（PID 校準(zhǔn)前）

通過(guò)調(diào)整控制器中的PID 參數(shù)后， 并給定75%的指令， 通過(guò)智能總線可以在控制系統(tǒng)畫面上可實(shí)時(shí)查看基于智能總線型電液比例控制技術(shù)的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果， 如圖8 所示： 系統(tǒng)表現(xiàn)為線性系統(tǒng)， 且調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)位置反饋信號(hào)， 電液比例閥的控制信號(hào)均與指令信號(hào)在動(dòng)態(tài)頻率上保持一致， 最終的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.5%， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)上閥門上升時(shí)間低于下降時(shí)間。在0～75%的階躍信號(hào)下的響應(yīng)時(shí)間為1.4 s 左右。

圖8 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù) （PID 校準(zhǔn)后）

通過(guò)上述結(jié)果可知基于智能總線型電液比例控制技術(shù)的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)具有非常好的動(dòng)態(tài)特性， 其動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果在控制精度和響應(yīng)速度上均可滿足汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)使用要求。

5 結(jié)論

本文通過(guò)將智能總線型電液比例控制技術(shù)應(yīng)用到汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)中， 通過(guò)理論研究和仿真分析從而驗(yàn)證了基于智能總線型電液比例控制技術(shù)的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)在控制精度， 頻響特性上均不低于基于常規(guī)電液伺服控制系統(tǒng)， 且具有對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)油清潔度要求不高，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。 完全可以替代常規(guī)電液伺服閥應(yīng)用于汽輪機(jī)組調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中； 并能通過(guò)智能總線技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)汽輪機(jī)閥門的工作狀態(tài)，

智能總線技術(shù)是應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間、 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的數(shù)字通信技術(shù)， 其特點(diǎn)是以數(shù)字通信替代傳統(tǒng)模擬信號(hào)及普通開(kāi)關(guān)量信號(hào)的傳輸。 智能總線是一套具有高性能、 高可靠性等特點(diǎn)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線， 具有高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力， 被廣泛應(yīng)用于環(huán)境溫度惡劣、 電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)控制環(huán)境中。 通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用可為之后智慧電廠建設(shè)并最終實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。