主阀拉线位移传感器的应用分析

余 涛

（广东水电云南投资金平电力有限公司，云南 红河 661100）

1 概述

传统水轮发电机主阀控制都是采用光电接近开关或行程开关动作信号作为主阀动作判断逻辑条件。在实际运行过程中，因接力器串油或运行过程中光电开关松动以及电磁阀渗油导致主阀开度偏移，为防止水轮发电机运行中主阀出现阀门冲关事故，现有主阀基本上设计有全开液压锁定机构。在此整体设计上运行中会存在接力器全开位置偏移，导致液压锁定机构接触过紧，使锁定无法退出现象。在机组紧急事故停机中出现此现象将直接导致事故扩大，构成严重的安全风险。基于以上问题提出将拉线位移传感器应用到主阀控制过程中，将最大程度上保证主阀动作的可靠性。

2 实施方式

2.1 拉线式位移传感器的基本原理及组成

拉线式位移传感器，包括基体、与基体连接的用于测量的测量绳、固设在墙体上的固定螺杆，测量绳上固设有与固定螺杆的螺帽配合的上方呈开口设置的壳体，壳体内设置有抵接盘，壳体侧壁开设有若干贯穿壳体内侧壁的锁槽，锁槽内均滑动设置有锁块，锁槽内固设有与锁块、锁槽内壁固连的复位弹簧，复位弹簧自然状态时，锁块部分突出于壳体内壁；锁块与抵接盘对螺帽进行轴向的限位，使壳体与螺帽固定连接，减小测量绳脱落的概率。拉线式位移传感器原理是把机械运动转换为电信号，拉线式位移传感器由不锈钢绳、轮毂及旋转感应器等组成，感应器可以是绝对编码器、增量编码器、混合或导电塑料旋转电位计、解析器或同步器。

2.2 主阀结构图

锁定活塞与锁定孔设计上留有2 mm的活动裕度见图1，以此保证锁定正常投入、退出，在接力器锁定配合所要求的精度较高。在运行中因水流冲击及液压系统微小渗漏会出现接力器位移，最大位移在2.5 mm，因主阀全开、全关位置检测传感器采用的是光电接近开关（检测范围8 mm），此小范围的移位在光电接近开关范围内，全开位置信号指示灯一致显示正常，当出现穿销杆憋劲时，流程因锁定未退出而出现流程停止状态。接力器出现移位，短期可以通过更换所有组合阀及接力器密封来保证微小渗漏问题，从而保证接力器不出现位移情况，但在频繁操作主阀过程中难已保证主阀密封不出现磨损，据运行统计每台机组一年操作主阀次数多达100多次，所以更换密封技术不是主要和根本问题。

图1 主阀结构及接力器锁定局部图

2.3 拉线位移传感器的实施

拉线位移传感器主要固定于接力器缸体上，拉线绳与活塞前端一起固定。传感器输出标准的4～20 mA信号给PLC模拟量采集模块。设备选型时根据活塞行程确定传感器量程。现在主流位移传感器都带有显示控制功能，在控制器参数设置上可以设置接力器全开、全关开度值，对信号的多样性带来控制的主导权。锁定无法退出因接力器位移引起，在锁定退出前需要判断接力器实际位置往哪个方向偏移，采用光电接近开关是无法判断出接力器实际位移。基于以上问题，将拉线位移传感器引入接力器行程中，即在通过位移传感器能够真实准确的反映出接力器实际位置。拉线式位移传感器是用来记录测量长度的线性距离、模拟量型、开关量型输出，采用标准化接口，坚固耐用且防水性能较好，适合短距离，高分辨率的场合（精度到达0.1 mm）。选用拉线式传感器能满足主阀开度及全开、全关位置信号实时上传。

3 应用

某水电站机组进水蝶阀，采用单接力器液压驱动直径DN2000的蝶阀，工作时拉线式位移传感器安装在液压缸外，钢丝绳头固定在接力器活塞杆和接力器连接件上，内部弹簧保证钢丝绳张紧度不变，以此来确保数据的准确性，进水蝶阀启闭时，接力器活塞杆的机械运动转换成可以计量的、成正比例关系的电信号，得出接力器的位移、方向和速率等相关信息。接力器在启闭工作状态时，将位移信号转换为4～20 mA标准电流刑法送入PLC模拟量输入模块中（西门子EM235模拟量模块码值为6 400-65 535），在程序转换过程将码值转换为开度信息。在进水蝶阀的开度指示上，控制系统通常把实际位移信号转化对应的二进制码值，在通过二进制码值转换为可识别的百分数字，阀门体关闭状态对应百分之零，全开状态对应100%，正常运转中进水蝶阀只有两种工作状态全开、全关，只有在检修过程中机组导叶在全关状态下可以进行进水蝶阀的中间位置操作，位移传感器在进水蝶阀控制中主要通过实时位移传感来监测蝶阀移位值变化和程序执行情况。拉线式移动感应器的优点MPS系列拉绳移动感应器，内部结构小巧，装配空间尺度小。检测范围长（0～1 500 mm），精确度高（0.3%～0.01%FS），保护级别为IP65。机壳与绳轮均进行了防腐加工，牵拉绳为不锈钢并外敷特氟龙，即可在严酷的自然环境下正常工作。可选择输出方案有电流型mA。

（1）液压缸“外置钢丝绳收缩装置+轴角编码器+外置光电接近开关”。该设备主要由安装于接力器活塞端部与接力器活塞杆头部连接，移位传感器的钢筋绳力收缩设备、轴角编码器和光电式限位控制器等构成，传感器在工作时利用内在钢筋绳力带动编码设备生成SSI信号以及BCD码，再由PLC相应的转换取得蝶阀的开度信息。这种方法带来了高分辨率和更精确的开度信息，内部集成限位装置开关与外置的开关限位装置保证了蝶阀终点位的综合判别准确度和一致性进一步提高，由于拉线内置结构，其免维护性也大大提高，量程大可不受时间限制，且产品价格也较低廉，使之在电子工程上逐渐得以推广与应用。综合分析采用单一信号源对控制的安全性存在一定的分析，为防范化解安全风险，通过开关量与模拟量双控制，形成模拟量与开关量冗余控制方式，结合控制逻辑实现风险的化解。

（2）以西门子S7-200PLC为例的程序修改，EM235分辨率为12位，第四位开始为数据位第一位，前三位为PLC相应数据状态值，整个数据值为两个字节组成，码值范围为0～65 535。安装标准4～20 mA信号，4 mA对于数据为6 400码值，20mA对于的码值为65535，在程序换算过程进行相应的码值比例换算成100%的数值显示。

①数据换算程序见图2。

图2 数据换算程序

②根据换算程序设定完成主阀全开值，根据全开设定值将锁定活塞偏差范围设定为1.5 mm的上下偏差继电器见图3。

③根据偏差方向进行相应的纠偏程序段。此处因涉及具体的信号定义，程序段不一一列举。

④在纠偏过程中设置相应的时间保护功能，防止局部小纠偏引起锁定断裂及其他不可预见的问题见图4。

图4 时间保护及整体开度控制逻辑图

（3）总体方案设计。单片机控制器利用通过移动感应器所收集的蝶阀打开程度信息，根据内置的数据处理和决策方法，发出对电机门的控制指令，并利用数码管信息提供有关蝶阀打开程度的反馈信息和控制信息。整个控制系统包含了位移传感器测量模块、单片机信息处理模块、电力驱动模块、显示器模组以及自适应性模组。位移传感器测量模块，主要监测蝶阀的开启程度信号；单片机分析处理蝶阀的开启程度信号，并根据内部的智能算法，产生了控制指令；电力驱动模块通过接受由单片或微式电脑产生的控制指令，完成了对蝶阀开启程度的实时控制；单片机通过分析处理蝶阀的开启程度信号，并根据内部的智能算法，生成了控制指令；电力驱动模块通过接收由单片或微型电脑生成的控制指令，实现了对蝶阀开启程度的实时监测；而屏幕显示模块，则利用数码管信息交替屏幕上显示的反馈信号和控制信号，实现了对蝶阀开启程度的实时监测；显示模块通过与数码管的信息交互显示了反馈信息和监控信息，并增加了现场调试和维护管理人员与控制器之间的人机交互功能；自适应模块则在完成驱动器的初始上电时，与驱动和阀体之间实现了短行程配合。使驱动的发展在主轴中率先伸出并工作到上下极限位，由单片机实时判断驱动的定位信号，以确保阀门驱动一直工作在安全区域内。

4 总结

主阀可靠动作保证水电厂在紧急事故停机中将事故缩小至安全范围内，将拉线位移传感器的引入很好地将主阀因锁定受力无法退出的故障得到解决。水电厂自动元件的操作工况和管理人员的操作水平，是影响发电机组手动启停机成败的最主要原因，因此唯有通过持续改善电气设备检测质量、自动化技术水平，并加强操作管理人员，有针对性地进行电气设备的日常巡检、保养，方可保证水电厂机组的自动启机工作成功率在较高水平。