智能控制在水輪機進水閥控制上的應用

吳友林

（湖北洪城通用機械股份有限公司，湖北 荊州 434000）

1 引言

水輪機進水閥有三種形式：蓄能罐式進水閥、重錘式進水閥、電動閥。本文所描述的對象是蓄能罐式進水閥。水輪機進水閥安裝在水輪發電機組的蝸殼進口，主要有兩個作用：①在水輪機組檢修時關閉，截斷上游來水；②在機組出現事故，導葉失靈的情況下，為防止機組過速，動水緊急關閉。在上述兩種情形下，要求閥門能可靠動作，不得拒動和發生誤動作，否則，將會嚴重影響電站的安全。另外，在發電機組待機或檢修期間，要確保維護工作按時完成，否則將會影響電站的發電效益。因此，水輪機進水閥不僅要求可靠性很高，還應該具備能提高維護效率的功能。

隨著自動控制技術的不斷發展，現場“無人值班，少人值守”的理念在最近這些年被電站廣泛提及。水輪機進水閥自動控制系統也不例外地要適應這些要求。作為閥門廠家有義務應在保證產品性能價格比的前提下，應用先進的自動控制理念和控制技術，來充分提高產品的性能，保證電站的安全可靠運行和提高電站的發電效益。

2 自動控制技術的發展趨勢

自動控制就是能按規定程序對機器或裝置進行自動操作或控制的過程。簡單地說，不需要人工（或極少人）干預的控制就是自動控制。如進水閥的開閥控制，電站監控系統發出開閥指令，進水閥就會自動按照設定的流程動作：開旁通閥——蝸殼充水（平壓）——解除液壓鎖定——開主閥——關旁通閥。

圖1 自動控制技術的發展過程示意圖

自動控制技術的發展是與當時的自動控制領域的自動化元件的技術和控制對象的要求相適應的。它經歷了最簡單的開環控制、反饋控制（閉環控制）、最優控制、隨機控制到智能控制的發展過程。不同階段的控制技術的復雜性是不同的，如圖1所示。

自動控制系統的發展是與自動控制技術的發展相適應的，它經歷了如下發展過程，如圖2所示。

圖2 自動控制系統的發展過程示意圖

可見，自動控制技術的發展方向是通信技術、計算機技術、網絡技術與現代控制技術相結合的智能控制。

3 智能控制系統

“智能”到目前為止還沒有一個明確的定義，但從工業控制的角度來說，“智能”可分為“人工智能”和“擬人智能”。就是人們通過視覺、聽覺、觸覺、味覺等各種自然傳感機制來獲取信息，并對這些信息進行分析判斷，指導人的行為。“人工智能”和“擬人智能”就是將人的思維、邏輯推理和判斷能力模擬應用在控制上，用來對控制對象的使用狀況和性能進行分析判斷，發出預警和報警信息，代替對控制對象發生故障后的人工分析和判斷過程。

因此，智能控制是一種最新的自動控制技術，是一類無須人的干預就能夠獨立完成某一控制過程，能夠監控整個過程，并能模擬人的邏輯思維和推斷能力對控制對象進行故障診斷（預警和報警），指導消除或排除故障的自動控制技術，代表了自動控制的發展方向。

智能控制系統是建立在智能控制技術發展的基礎上的。專家控制系統是智能控制系統的一種形式，是一個應用專家系統技術的控制系統，其核心就是應用人工智能技術和計算機技術，根據某領域一個或多個專家提供的知識和經驗，進行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程。該程序系統存儲有某一特定領域的人類專家知識，來解決需要通過人類才能解決的現實問題的計算機程序系統。

進水閥專家控制系統依據智能控制的理念，根據對進水閥在不同工況下的運行狀況的長期跟蹤，并對設備運行中出現的問題和現象進行總結，形成一整套能準確反映閥門性能的目標參數及對應的曲線，這些參數和曲線作為參考程序儲存在閥門控制系統PLC內，就是PLC設備監測和故障診斷程序系統，也就是進水閥專家系統。進水閥專家系統能夠為用戶維護提供指導，并能對設備運行過程中可能發生的問題發出預警，對已經出現的故障發出報警。

4 智能控制在蓄能罐式進水閥控制上的應用

4.1 進水閥智能控制系統的構成

進水閥控制系統以PLC（可編程控制器）為核心，將原來的繼電器控制邏輯由PLC程序代替，使控制系統的接線大量減少，從而減少了故障點的數量，使控制系統的可靠性大大提高。另外，控制系統設置了人機觸摸界面，將閥門和液壓系統的大量信息可視化。控制系統還設有用于遠程控制和技術服務的功能，如圖3所示。

圖3 遠程控制和技術服務功能

4.2 進水閥智能控制系統要解決的問題

智能控制技術是將先進的網絡技術、信息技術與控制技術相結合的新技術。在進水閥的智能控制系統上主要解決兩個問題。

（1）遠程控制和遠程技術服務

水電站大多建在偏遠的山溝，那里的自然環境比較惡劣。因此，用戶為了提高電站工作人員的積極性和從員工人身安全考慮，把中控室建在電站附近的城鎮或者是生活、交通較為方便的地方。通過公用電話線路或局域網絡來對電站設備進行監控，如圖4所示。這就要求閥門控制系統要有遠程通訊接口，并適應和滿足電站遠程監控通訊規約。

圖4 公用電話線路及局域網絡

另外，為了提高電站的發電效益，用戶對設備維護的快速響應要求也是很高的。設備廠家的技術服務人員到電站即使使用最快捷的交通工具，也要在路上花費大量的時間。如何解決這個問題呢？那就是閥門控制系統要有遠程技術服務的功能，包括售后技術咨詢和遠程的故障診斷及維修維護指導。通過公用電話線路與遠程上位機進行數據或信息的交換，設備廠家技術專家或服務人員在用戶的要求或許可下，在公司本部通過計算機和現地PLC通訊，直接對PLC記錄的相關信息進行分析和診斷，以確定故障范圍，提出解決方案。指導現場維護人員解決或消除故障，這就大大提高了工作效率。

（2）進水閥專家系統的建立

遠程技術服務的前提是進水閥要有一個專家系統，這個專家系統能反映閥門系統相關部分的工作狀態，包括正常狀態、故障狀態和預警信息。這些信息儲存在PLC內，通過這些信息，可以判斷設備的狀態，對可能發生的故障采取預防措施，對已經發生的故障給以明確提示，并提出解決方案。

水輪機進水閥是機電液一體化的形式的產品。蓄能罐式進水液動蝶閥是以蓄能器將壓力能儲存起來，當需要開關閥門時，壓力能就會釋放出來。蓄能罐式進水液動蝶閥閥門部分是核心，液壓系統為閥門提供驅動能源，電氣控制系統的控制對象是液壓系統，并從閥門和液壓系統采集相關信息。從閥門系統來看，閥門機械結構一旦成型，基本不會出現什么問題。但液壓和電氣將是日常維護最頻繁的兩部分，液壓和電氣系統的性能也將直接關系著整個進水閥系統的整體性能。如何在現有技術的基礎上，有效地監控液壓系統、閥門系統的運行，并能隨時對液壓系統、閥門系統的各種信息作出準確的判斷，從而盡快的發現問題和解決問題，將問題或故障扼殺在萌芽狀態，以提高電站的發電效率和減少售后服務成本。這是進水閥電氣控制系統需要完成的另一個任務：專家系統的設計。

4.3 蓄能罐式水輪機進水閥智能控制的專家系統

（1）蓄能罐內氮氣壓力高低的判斷

通過蓄能器氮氣壓力的高低與蓄能器充油量之間的關系，來判斷蓄能罐內氮氣的壓力的高低。蓄能器內的氮氣壓力的高低，將會影響到充油量的多少。蓄能器充油越多，液壓站回油箱油位就會越低，這就是兩者之間的關系。進水閥控制系統實時檢測油箱的油位與系統壓力，并通過專家程序實時分析，判斷每一次補油后油位的下降量與系統壓力或氮氣之間的數據變化量，并儲存信息。如圖5所示，其反映了充氮壓力與充油壓力和放油壓力之間的關系。

圖5 充氮壓力與充油壓力和放油壓力

圖中Vw為P1-P2時的放油量；V0為氮氣壓力為P0時的容積。

專家系統判斷，當系統壓力在15-17.5MPa、氮氣壓力為8-9 MPa時，對應回油箱油位為H3；當系統壓力在15-17.5MPa、氮氣壓力為7-98MPa時，對應回油箱油位應在H2-H3之間，為正常；當系統壓力在15-17.5MPa、氮氣壓力為6-7 MPa時，對應回油箱油位應在H1-H2之間，屬非正常現象，專家系統會提示：請檢查蓄能器氮氣壓力或系統是否漏油。發出相關信息，以提醒維護人員如圖6所示。

圖6 蓄能器氮氣壓力與油位的關系

（2）液壓系統的保壓性能的判斷

油泵電機在單位時間內啟動的間隔時間與系統保壓性能的關系，如圖7所示。

圖7 油泵電機在單位時間內起動的間隔時間與系統保壓性能的關系

由圖7可知，液壓系統的保壓性能是通過系統壓力由額定上限到額定下限之間時間長短來衡量的，這段時間內油泵是不會起動的。也就是說，油泵電機在單位時間內起動的間隔時間與系統保壓性能是有關系的。系統壓力從上限到下限所需時間越長，系統的保壓性能越好，反之，則越差。

專家系統認為，實際壓降時間T2≥T1認為系統保壓性能良好；若T2≤T1，說明系統有壓降，在此條件下：若K≤T2≤T1（K為專家系統設定參考值），認為系統壓降在允許范圍內，但應發出預警，提示系統已出現一定的泄漏，需引起重視；若T2＜K（專家系統參考值），認為系統壓降過大，需立即檢修和維護，發出報警信息。

在單位時間內，油泵電機的啟動次數也可作為反映液壓系統保壓性能的另一個指標。

閥門在全開或全關狀態下，油泵電機啟動的間隔時間反映的是液壓系統的保壓性能。正常情況下，系統保壓不應低于50h。但50h以內油泵電機應允許一定的啟動次數，但不能太頻繁，否則視為系統有故障。

判斷關系式：0≤C2≤K≤C1

式中：C1為專家系統規定的在單位時間內允許油泵電機組起動的最低次數；C2為油泵電機在單位時間內實際起動過的次數；K為一定值，用來衡量系統正常與基本正常的臨界值。

判斷結果：若0≤C2≤K，則可認為正常；若K≤C2≤C1，則可認為基本正常，但發出預警，提示油泵電機起動較頻繁，請注意系統是否有可見泄漏；若C1≤C2，則認為系統有問題，應發出報警，請維護人員加緊檢修和維護。

（3）油泵及電機工作性能判斷、故障診斷

蓄能罐式進水液動蝶閥液壓系統設有兩臺油泵電機組。兩臺油泵電機組的運行方式有兩種：交替起動和聯合起動。正常補油時，交替運行，即奇數次1#油泵運行，則偶數次就由2#泵運行；在系統油壓偏低時，兩臺油泵同時起動。專家系統根據油泵特性，確定正常補油時間為T，當油泵實際運行時間T1＞T，而系統壓力還未達到額定上限值，則該泵應停止運行，同時立即起動另備泵。若備泵運行時間T2＜T時間內，系統壓力上升到上限，則可判斷主泵性能已降低，應進行檢查；若備泵運行時間達到T2后，系統壓力也不能達到上限，則可認為系統有嚴重泄漏，依據其它判斷條件，及時綜合檢查，排除故障。

通過開閥力矩與系統壓力的之間關系以及檢測電磁閥的工作狀態，來判斷閥門開啟是否正常。閥門在不同的開度，其開閥力矩是不一樣的，通過實時檢測系統的壓力來與不同開度時所需要的最小壓力值比較，來判斷閥門是否有卡阻，閥門開啟是否正常。另外，通過檢測電磁閥的工作狀態，來判斷開閥命令是否已經執行以及電磁閥的動作是否正常等等。

通過以上來綜合判斷液壓和閥門系統的運行是否正常，從而發出相關信息。

通過閥門開關力矩與系統壓力之間的關系來控制液壓系統的壓力，滿足在開關閥過程中最大力矩時所需要的液壓系統的壓力，保證閥門能可靠開啟和關閉，如圖8-10所示。

圖8 開閥角度與力臂關系坐標圖

圖9 閥軸與接力器示意圖

圖10 閥門安裝示意圖

閥門的開啟力矩M=液壓缸的輸出力F×力臂L（L=曲柄長度×COSα，α為閥軸的水平中心線與曲柄中心線之間的夾角）；

液壓缸的輸出力F=系統工作壓力P×活塞的有效面積 A，即 M=P×A×L。

式中，L是隨著閥門的開度變化而變化的，系統壓力P也是在不斷變化的，閥門不同的開度對應的液壓系統的壓力是不一樣的。

從上面的關系式中可知，在油缸缸徑一定的前提下，要想增加開閥力矩，就會要求液壓系統壓力增大。如果設計時考慮開閥按閥前后的不平衡壓差為30%，則開閥力矩將會增加很多，成本會增加。可以通過專家系統既可滿足不同角度下的開閥力矩，又可減少成本。即自動檢測在開關過程中不同角度對應的力矩，根據力矩大小自動增加液壓系統的壓力，以滿足開關閥的需要。①在閥門前后分別設置一個壓力變送器或兩只電接點壓力表，用來作差壓檢測用；②不平壓設置最大10%。因正常狀況下，閥前后平壓基本無壓差且平壓所需時間也是很短的。專家系統可設定平壓所需最長時間T，當在時間T到達后仍未平壓，而此時又必須開閥，升高系統壓力或者根據不同的開閥角度與所需液壓系統壓力的關系，通過閥門控制系統PLC的邏輯判斷，可讓系統壓力超過設定的上限，達到保證閥門能可靠打開的系統壓力。

其它數據存儲，用來長期的跟蹤閥門系統的運行狀況。如閥門開關次數、油泵電機的啟動次數、最近一次開關閥過程中的壓力變化和時間、閥門在最近1次的開、關閥時間等。作為分析判斷閥門工作狀況的依據，閥門在緊急狀況下動水關閥時，由于閥門的偏心作用及水流的作用，是有利于關閥的，因此，關閥力矩相對要小一些。通過PLC專家系統記錄的正常狀況下的關閥時間與實際關閥時間比較，即可得出閥門的關閥是否正常。

另外，通過對閥門開關次數的記錄，可以為密封圈的使用次數及壽命作統計，利于閥門廠家掌握一些數據，以便作技術更新等等。

5 結束語

智能控制技術在蓄能罐式水輪機進水液動蝶閥控制系統上已有實際應用。閥門控制系統充分利用了現有的網絡技術和公共電話線路，特別是專家系統的建立，遠程解決了電站在運行過程中的問題，大大縮短了檢修和維護工作周期，為電站效益的提高起到了重要作用。因此，水輪進水閥控制系統上應用現代控制技術，切實解決實際問題，使電站真正做到現場“無人值班，少人值守”已顯得迫不及待了。

［1］蔡自興.智能控制原理與應用［M］.北京：清華大學出版社.

［2］張 蓮，胡曉倩，王士彬，余成波.現代控制理論［M］.北京：清華大學出版社.