主閥拉線位移傳感器的應(yīng)用分析

余 濤

（廣東水電云南投資金平電力有限公司，云南 紅河 661100）

1 概述

傳統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)主閥控制都是采用光電接近開關(guān)或行程開關(guān)動(dòng)作信號(hào)作為主閥動(dòng)作判斷邏輯條件。在實(shí)際運(yùn)行過程中，因接力器串油或運(yùn)行過程中光電開關(guān)松動(dòng)以及電磁閥滲油導(dǎo)致主閥開度偏移，為防止水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行中主閥出現(xiàn)閥門沖關(guān)事故，現(xiàn)有主閥基本上設(shè)計(jì)有全開液壓鎖定機(jī)構(gòu)。在此整體設(shè)計(jì)上運(yùn)行中會(huì)存在接力器全開位置偏移，導(dǎo)致液壓鎖定機(jī)構(gòu)接觸過緊，使鎖定無法退出現(xiàn)象。在機(jī)組緊急事故停機(jī)中出現(xiàn)此現(xiàn)象將直接導(dǎo)致事故擴(kuò)大，構(gòu)成嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)?；谝陨蠁栴}提出將拉線位移傳感器應(yīng)用到主閥控制過程中，將最大程度上保證主閥動(dòng)作的可靠性。

2 實(shí)施方式

2.1 拉線式位移傳感器的基本原理及組成

拉線式位移傳感器，包括基體、與基體連接的用于測(cè)量的測(cè)量繩、固設(shè)在墻體上的固定螺桿，測(cè)量繩上固設(shè)有與固定螺桿的螺帽配合的上方呈開口設(shè)置的殼體，殼體內(nèi)設(shè)置有抵接盤，殼體側(cè)壁開設(shè)有若干貫穿殼體內(nèi)側(cè)壁的鎖槽，鎖槽內(nèi)均滑動(dòng)設(shè)置有鎖塊，鎖槽內(nèi)固設(shè)有與鎖塊、鎖槽內(nèi)壁固連的復(fù)位彈簧，復(fù)位彈簧自然狀態(tài)時(shí)，鎖塊部分突出于殼體內(nèi)壁；鎖塊與抵接盤對(duì)螺帽進(jìn)行軸向的限位，使殼體與螺帽固定連接，減小測(cè)量繩脫落的概率。拉線式位移傳感器原理是把機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，拉線式位移傳感器由不銹鋼繩、輪轂及旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器等組成，感應(yīng)器可以是絕對(duì)編碼器、增量編碼器、混合或?qū)щ娝芰闲D(zhuǎn)電位計(jì)、解析器或同步器。

2.2 主閥結(jié)構(gòu)圖

鎖定活塞與鎖定孔設(shè)計(jì)上留有2 mm的活動(dòng)裕度見圖1，以此保證鎖定正常投入、退出，在接力器鎖定配合所要求的精度較高。在運(yùn)行中因水流沖擊及液壓系統(tǒng)微小滲漏會(huì)出現(xiàn)接力器位移，最大位移在2.5 mm，因主閥全開、全關(guān)位置檢測(cè)傳感器采用的是光電接近開關(guān)（檢測(cè)范圍8 mm），此小范圍的移位在光電接近開關(guān)范圍內(nèi)，全開位置信號(hào)指示燈一致顯示正常，當(dāng)出現(xiàn)穿銷桿憋勁時(shí)，流程因鎖定未退出而出現(xiàn)流程停止?fàn)顟B(tài)。接力器出現(xiàn)移位，短期可以通過更換所有組合閥及接力器密封來保證微小滲漏問題，從而保證接力器不出現(xiàn)位移情況，但在頻繁操作主閥過程中難已保證主閥密封不出現(xiàn)磨損，據(jù)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)每臺(tái)機(jī)組一年操作主閥次數(shù)多達(dá)100多次，所以更換密封技術(shù)不是主要和根本問題。

圖1 主閥結(jié)構(gòu)及接力器鎖定局部圖

2.3 拉線位移傳感器的實(shí)施

拉線位移傳感器主要固定于接力器缸體上，拉線繩與活塞前端一起固定。傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA信號(hào)給PLC模擬量采集模塊。設(shè)備選型時(shí)根據(jù)活塞行程確定傳感器量程?，F(xiàn)在主流位移傳感器都帶有顯示控制功能，在控制器參數(shù)設(shè)置上可以設(shè)置接力器全開、全關(guān)開度值，對(duì)信號(hào)的多樣性帶來控制的主導(dǎo)權(quán)。鎖定無法退出因接力器位移引起，在鎖定退出前需要判斷接力器實(shí)際位置往哪個(gè)方向偏移，采用光電接近開關(guān)是無法判斷出接力器實(shí)際位移。基于以上問題，將拉線位移傳感器引入接力器行程中，即在通過位移傳感器能夠真實(shí)準(zhǔn)確的反映出接力器實(shí)際位置。拉線式位移傳感器是用來記錄測(cè)量長(zhǎng)度的線性距離、模擬量型、開關(guān)量型輸出，采用標(biāo)準(zhǔn)化接口，堅(jiān)固耐用且防水性能較好，適合短距離，高分辨率的場(chǎng)合（精度到達(dá)0.1 mm）。選用拉線式傳感器能滿足主閥開度及全開、全關(guān)位置信號(hào)實(shí)時(shí)上傳。

3 應(yīng)用

某水電站機(jī)組進(jìn)水蝶閥，采用單接力器液壓驅(qū)動(dòng)直徑DN2000的蝶閥，工作時(shí)拉線式位移傳感器安裝在液壓缸外，鋼絲繩頭固定在接力器活塞桿和接力器連接件上，內(nèi)部彈簧保證鋼絲繩張緊度不變，以此來確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)水蝶閥啟閉時(shí)，接力器活塞桿的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成可以計(jì)量的、成正比例關(guān)系的電信號(hào)，得出接力器的位移、方向和速率等相關(guān)信息。接力器在啟閉工作狀態(tài)時(shí)，將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流刑法送入PLC模擬量輸入模塊中（西門子EM235模擬量模塊碼值為6 400-65 535），在程序轉(zhuǎn)換過程將碼值轉(zhuǎn)換為開度信息。在進(jìn)水蝶閥的開度指示上，控制系統(tǒng)通常把實(shí)際位移信號(hào)轉(zhuǎn)化對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼值，在通過二進(jìn)制碼值轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的百分?jǐn)?shù)字，閥門體關(guān)閉狀態(tài)對(duì)應(yīng)百分之零，全開狀態(tài)對(duì)應(yīng)100%，正常運(yùn)轉(zhuǎn)中進(jìn)水蝶閥只有兩種工作狀態(tài)全開、全關(guān)，只有在檢修過程中機(jī)組導(dǎo)葉在全關(guān)狀態(tài)下可以進(jìn)行進(jìn)水蝶閥的中間位置操作，位移傳感器在進(jìn)水蝶閥控制中主要通過實(shí)時(shí)位移傳感來監(jiān)測(cè)蝶閥移位值變化和程序執(zhí)行情況。拉線式移動(dòng)感應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)MPS系列拉繩移動(dòng)感應(yīng)器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)小巧，裝配空間尺度小。檢測(cè)范圍長(zhǎng)（0～1 500 mm），精確度高（0.3%～0.01%FS），保護(hù)級(jí)別為IP65。機(jī)殼與繩輪均進(jìn)行了防腐加工，牽拉繩為不銹鋼并外敷特氟龍，即可在嚴(yán)酷的自然環(huán)境下正常工作?？蛇x擇輸出方案有電流型mA。

（1）液壓缸“外置鋼絲繩收縮裝置+軸角編碼器+外置光電接近開關(guān)”。該設(shè)備主要由安裝于接力器活塞端部與接力器活塞桿頭部連接，移位傳感器的鋼筋繩力收縮設(shè)備、軸角編碼器和光電式限位控制器等構(gòu)成，傳感器在工作時(shí)利用內(nèi)在鋼筋繩力帶動(dòng)編碼設(shè)備生成SSI信號(hào)以及BCD碼，再由PLC相應(yīng)的轉(zhuǎn)換取得蝶閥的開度信息。這種方法帶來了高分辨率和更精確的開度信息，內(nèi)部集成限位裝置開關(guān)與外置的開關(guān)限位裝置保證了蝶閥終點(diǎn)位的綜合判別準(zhǔn)確度和一致性進(jìn)一步提高，由于拉線內(nèi)置結(jié)構(gòu)，其免維護(hù)性也大大提高，量程大可不受時(shí)間限制，且產(chǎn)品價(jià)格也較低廉，使之在電子工程上逐漸得以推廣與應(yīng)用。綜合分析采用單一信號(hào)源對(duì)控制的安全性存在一定的分析，為防范化解安全風(fēng)險(xiǎn)，通過開關(guān)量與模擬量雙控制，形成模擬量與開關(guān)量冗余控制方式，結(jié)合控制邏輯實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的化解。

（2）以西門子S7-200PLC為例的程序修改，EM235分辨率為12位，第四位開始為數(shù)據(jù)位第一位，前三位為PLC相應(yīng)數(shù)據(jù)狀態(tài)值，整個(gè)數(shù)據(jù)值為兩個(gè)字節(jié)組成，碼值范圍為0～65 535。安裝標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA信號(hào)，4 mA對(duì)于數(shù)據(jù)為6 400碼值，20mA對(duì)于的碼值為65535，在程序換算過程進(jìn)行相應(yīng)的碼值比例換算成100%的數(shù)值顯示。

①數(shù)據(jù)換算程序見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)換算程序

②根據(jù)換算程序設(shè)定完成主閥全開值，根據(jù)全開設(shè)定值將鎖定活塞偏差范圍設(shè)定為1.5 mm的上下偏差繼電器見圖3。

③根據(jù)偏差方向進(jìn)行相應(yīng)的糾偏程序段。此處因涉及具體的信號(hào)定義，程序段不一一列舉。

④在糾偏過程中設(shè)置相應(yīng)的時(shí)間保護(hù)功能，防止局部小糾偏引起鎖定斷裂及其他不可預(yù)見的問題見圖4。

圖4 時(shí)間保護(hù)及整體開度控制邏輯圖

（3）總體方案設(shè)計(jì)。單片機(jī)控制器利用通過移動(dòng)感應(yīng)器所收集的蝶閥打開程度信息，根據(jù)內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理和決策方法，發(fā)出對(duì)電機(jī)門的控制指令，并利用數(shù)碼管信息提供有關(guān)蝶閥打開程度的反饋信息和控制信息。整個(gè)控制系統(tǒng)包含了位移傳感器測(cè)量模塊、單片機(jī)信息處理模塊、電力驅(qū)動(dòng)模塊、顯示器模組以及自適應(yīng)性模組。位移傳感器測(cè)量模塊，主要監(jiān)測(cè)蝶閥的開啟程度信號(hào)；單片機(jī)分析處理蝶閥的開啟程度信號(hào)，并根據(jù)內(nèi)部的智能算法，產(chǎn)生了控制指令；電力驅(qū)動(dòng)模塊通過接受由單片或微式電腦產(chǎn)生的控制指令，完成了對(duì)蝶閥開啟程度的實(shí)時(shí)控制；單片機(jī)通過分析處理蝶閥的開啟程度信號(hào)，并根據(jù)內(nèi)部的智能算法，生成了控制指令；電力驅(qū)動(dòng)模塊通過接收由單片或微型電腦生成的控制指令，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蝶閥開啟程度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；而屏幕顯示模塊，則利用數(shù)碼管信息交替屏幕上顯示的反饋信號(hào)和控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蝶閥開啟程度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；顯示模塊通過與數(shù)碼管的信息交互顯示了反饋信息和監(jiān)控信息，并增加了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)管理人員與控制器之間的人機(jī)交互功能；自適應(yīng)模塊則在完成驅(qū)動(dòng)器的初始上電時(shí)，與驅(qū)動(dòng)和閥體之間實(shí)現(xiàn)了短行程配合。使驅(qū)動(dòng)的發(fā)展在主軸中率先伸出并工作到上下極限位，由單片機(jī)實(shí)時(shí)判斷驅(qū)動(dòng)的定位信號(hào)，以確保閥門驅(qū)動(dòng)一直工作在安全區(qū)域內(nèi)。

4 總結(jié)

主閥可靠動(dòng)作保證水電廠在緊急事故停機(jī)中將事故縮小至安全范圍內(nèi)，將拉線位移傳感器的引入很好地將主閥因鎖定受力無法退出的故障得到解決。水電廠自動(dòng)元件的操作工況和管理人員的操作水平，是影響發(fā)電機(jī)組手動(dòng)啟停機(jī)成敗的最主要原因，因此唯有通過持續(xù)改善電氣設(shè)備檢測(cè)質(zhì)量、自動(dòng)化技術(shù)水平，并加強(qiáng)操作管理人員，有針對(duì)性地進(jìn)行電氣設(shè)備的日常巡檢、保養(yǎng)，方可保證水電廠機(jī)組的自動(dòng)啟機(jī)工作成功率在較高水平。