基于智能总线型电液比例控制技术汽轮机调节阀油动机研究分析

李庆

（东方电气自动控制工程有限公司， 四川德阳， 618000）

1 前言

随着人工智能控制技术和互联网技术的快速发展， 根据整个发电设备制造行业的国内外发展趋势， 研发汽轮机智能控制设备和智能控制系统适应整个行业的发展要求， 更是储备自身核心技术为持续进行前沿技术的研究提供技术支持。

为了更好地利用工业4.0、 互联网+进行转型。从智能设备、 智能运行、 智能检修、 厂级智慧决策以及集团级智慧决策等方面对智慧电厂的建设提出了更安全、 更高效、 更智能、 更绿色、 可持续发展等终极目标。 其中最根本途径是要实现这种基于物联网的设备安全生产管理系统

智能总线型电液比例控制技术也得到飞速发展， 该技术是将基于现场总线智能通讯集成到电液比例阀上， 是一种集成了比例阀， 电子传感器，电子放大器， 智能总线接口和数字显示为一体的设备， 目前常规电液比例阀的控制性能和动态特性已经基本达到比例阀的性能， 且很多使用比例阀控制的系统和设备都已逐步被电液比例阀所取代。 本文是基于对应用了智能总线型电液比例阀的汽轮机调节阀油动机的研究， 通过研究数据表明， 电液比例阀完全可替代比例阀应用于汽轮机调速系统上， 并具有抗污染性能好， 经济性高等优点， 最重要的是可实现对汽轮机调节阀油动机智能控制和智能通信为今后基于物联网的智慧电厂建设提供了重要的技术和功能支持。

2 智能总线型电液比例控制技术简介

2.1 智能总线技术简介

智能总线技术是主要应用于自动化控制领域的新型技术， 为现场设备和仪表互连提供了一种通信网络。 智能总线技术完全突破了传统控制技术的一对一的结构模式， 是把分散的单个控制对象通过智能总线技术连接起来， 并将控制对象变成智能网络中的一个节点， 并使每个节点都能成为相互通讯的基站， 实现完成最终控制任务的网络系统。 智能总线技术是一种新型测控技术与计算机智能网络技术结合后的产物。

2.2 电液比例阀技术简介

电液比例阀主要由电子比例放大器， 比例电磁铁， 阀芯， 阀体， 复位弹簧和阀芯位移传感器组成。 其原技术原理是： 指令信号通过电子比例放大器转化为电流信号作用到比例电磁铁上产生一个与电流信号大小成比例的电磁力来推动比例阀阀芯产生一个相应的位移。 并通过阀芯位移传感器实时将阀芯实际位移量反馈给控制信号做比较。 从而实现了精确而连续比例控制。 图1 是比例阀控制框图。

图1 电液比例阀控制框图

工程应用中电液比例阀传递函数通常可简化为二阶振荡环节：

式中， Kq为电液比例阀的流量增益； ων为电液比例阀固有频率； δν为电液比例阀阻尼比。

2.3 智能总线型电液比例控制技术

电液比例控制技术是通过以比例电磁铁推动液压阀的阀芯运动进而控制液压流体的运动方向和流量。 随着电子科技和比例控制技术的迅速发展， 目前集成了智能总线技术和智能控制技术于一体的电液比例阀已经被开发出来即智能总线型电液比例阀。

将智能总线型电液比例阀应用到被控对象中即形成一种新型的控制技术： 即配置了基于智能总线技术的数字式电子控制器。 在实际使用中可以将该比例阀乃至整个控制对象接入网络系统进而实现智慧电厂中智能监测， 智能检修要求。

图2 智能总线型电液比例控制技术方框图

3 汽轮机调节阀油动机的工作原理

因智能总线型电液比例阀在控制精度， 频响特性上都和常规伺服阀基本一致， 且其具有对油质清洁度要求不高， 价格低廉等优点。 完全可以替代常规电液伺服阀应用于汽轮机调节阀油动机中， 并通过智能总线技术实时监测汽轮机调节阀的工作状态。 通过该技术的应用率先研发了汽轮机关键智能设备： 基于智能总线型电液比例控制技术汽轮机调节阀油动机的原理如图3 所示； 该油动机是整个汽轮机调速系统最重要的设备之一，其动态性能的好坏直接影响汽轮机转速和负荷的控制、 一次调频、 OPC 超速控制等工况的控制效果， 进而影响整个汽轮机组的性能和安全性。

图3 汽轮机调节阀油动机原理图

如图3 所示， 汽轮机调节阀执行机构在机组正常工况下是通过由电液比例阀和位移传感器组成电液比例闭环控制系统来控制汽轮机调节阀门的开启和关闭位置， 在单个汽轮机调节阀做快关试验或在汽轮机组危急工况状态下汽轮机调节阀执行机构是通过卸掉超速限制油（OPC 油）来快速关闭汽轮机调节阀门的， 且整个快关时间小于0.3 s（包含延时）。

通过理论研究可知应用了智能总线型电液比例阀的汽轮机调节阀油动机在控制精度上， 响应速度上均和电液伺服阀控制技术的汽轮机调节阀油动机基本一致。 且电液比例阀对液压油质清洁度要求没有伺服阀高。 因此具有更高可靠性。 由此可知电液比例阀完全可以替代伺服阀应用到汽轮机调节系统上； 并能通过智能总线技术实时监测汽轮机调节系统汽轮机阀门的工作状态。 采用智能总线的现场总线技术， 分散在现场的阀门位置控制器与汽轮机电液控制系统之间可以传输大量的信息， 从而实现阀门位置控制器执行较为复杂的任务， 提高了信号这个表述含义不清线的利用率， 节省了硬件投入。 现场总线的接线比传统硬接线更为简单， 基于智能总线技术， 仅使用一条传输线， 就可以挂接多个智能设备， 节约了现场安装成本。

4 汽轮机调节阀油动机仿真分析

通过对基于智能总线型电液比例控制技术的汽轮机调节阀油动机的理论研究， 可将此油动机简化为基于电液比例阀控制的包含弹性负载的位置控制系统， 其传递函数框图如图4 所示。

图4 汽轮机调节阀油动机传递函数框图

将应用了智能总线型电液比例控制技术的汽轮机调节阀油动机通过仿真软件建立了整个装置的简化仿真模型， 如图5 所示， 并在仿真系统里设置了各个元器件的具体参数。

图5 汽轮机调节阀油动机仿真模型

通过对基于智能总线型电液比例控制技术的汽轮机调节阀油动机仿真模型进行仿真并对其结果进行分析， 通过仿真软件绘制了整个系统的bode 图， 如图6 所示。

图6 汽轮机调节阀油动机动态特性曲线

通过bode 图可看出基于智能总线型电液比例控制技术的汽轮机调节阀油动机的幅值裕度为25 dB， 相位裕度为155°， 由此可知该系统是一个稳定的液压系统。

通过控制器给定75%的指令后， 通过智能总线可以在控制系统画面上实时查看基于智能总线型电液比例控制技术的汽轮机调节阀油动机动态响应结果， 如图7 所示： 系统表现为线性系统，且调节阀油动机位置反馈信号， 电液比例阀的控制信号均与指令信号在动态频率上保持一致， 最终的稳态误差小于5%， 动态响应上阀门上升时间低于下降时间。 在0～75%的阶跃信号下的响应时间为1.2 s 左右。

图7 汽轮机调节阀油动机性能数据（PID 校准前）

通过调整控制器中的PID 参数后， 并给定75%的指令， 通过智能总线可以在控制系统画面上可实时查看基于智能总线型电液比例控制技术的汽轮机调节阀油动机动态响应结果， 如图8 所示： 系统表现为线性系统， 且调节阀油动机位置反馈信号， 电液比例阀的控制信号均与指令信号在动态频率上保持一致， 最终的稳态误差小于0.5%， 动态响应上阀门上升时间低于下降时间。在0～75%的阶跃信号下的响应时间为1.4 s 左右。

图8 汽轮机调节阀油动机性能数据 （PID 校准后）

通过上述结果可知基于智能总线型电液比例控制技术的汽轮机调节阀油动机具有非常好的动态特性， 其动态响应结果在控制精度和响应速度上均可满足汽轮机调节系统使用要求。

5 结论

本文通过将智能总线型电液比例控制技术应用到汽轮机调节系统汽轮机控制系统中， 通过理论研究和仿真分析从而验证了基于智能总线型电液比例控制技术的汽轮机调节阀油动机在控制精度， 频响特性上均不低于基于常规电液伺服控制系统， 且具有对汽轮机调节油清洁度要求不高，价格低廉等优点。 完全可以替代常规电液伺服阀应用于汽轮机组调节控制系统中； 并能通过智能总线技术实时监测汽轮机调节系统汽轮机阀门的工作状态，

智能总线技术是应用于现场设备之间、 现场设备和控制系统之间的数字通信技术， 其特点是以数字通信替代传统模拟信号及普通开关量信号的传输。 智能总线是一套具有高性能、 高可靠性等特点的工业现场总线， 具有高可靠性和良好的错误检测能力， 被广泛应用于环境温度恶劣、 电磁辐射强和振动大的工业控制环境中。 通过该技术的应用可为之后智慧电厂建设并最终实现基于物联网的设备安全生产管理系统奠定技术基础。