主閥拉線位移傳感器的應用分析

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

傳統水輪發電機主閥控制都是采用光電接近開關或行程開關動作信號作為主閥動作判斷邏輯條件。在實際運行過程中，因接力器串油或運行過程中光電開關松動以及電磁閥滲油導致主閥開度偏移，為防止水輪發電機運行中主閥出現閥門沖關事故，現有主閥基本上設計有全開液壓鎖定機構。在此整體設計上運行中會存在接力器全開位置偏移，導致液壓鎖定機構接觸過緊，使鎖定無法退出現象。在機組緊急事故停機中出現此現象將直接導致事故擴大，構成嚴重的安全風險。基于以上問題提出將拉線位移傳感器應用到主閥控制過程中，將最大程度上保證主閥動作的可靠性。

2 實施方式

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量的測量繩、固設在墻體上的固定螺桿，測量繩上固設有與固定螺桿的螺帽配合的上方呈開口設置的殼體，殼體內設置有抵接盤，殼體側壁開設有若干貫穿殼體內側壁的鎖槽，鎖槽內均滑動設置有鎖塊，鎖槽內固設有與鎖塊、鎖槽內壁固連的復位彈簧，復位彈簧自然狀態時，鎖塊部分突出于殼體內壁；鎖塊與抵接盤對螺帽進行軸向的限位，使殼體與螺帽固定連接，減小測量繩脫落的概率。拉線式位移傳感器原理是把機械運動轉換為電信號，拉線式位移傳感器由不銹鋼繩、輪轂及旋轉感應器等組成，感應器可以是絕對編碼器、增量編碼器、混合或導電塑料旋轉電位計、解析器或同步器。

2.2 主閥結構圖

鎖定活塞與鎖定孔設計上留有2 mm的活動裕度見圖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。在運行中因水流沖擊及液壓系統微小滲漏會出現接力器位移，最大位移在2.5 mm，因主閥全開、全關位置檢測傳感器采用的是光電接近開關（檢測范圍8 mm），此小范圍的移位在光電接近開關范圍內，全開位置信號指示燈一致顯示正常，當出現穿銷桿憋勁時，流程因鎖定未退出而出現流程停止狀態。接力器出現移位，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磨損，據運行統計每臺機組一年操作主閥次數多達100多次，所以更換密封技術不是主要和根本問題。

圖1 主閥結構及接力器鎖定局部圖

2.3 拉線位移傳感器的實施

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。傳感器輸出標準的4～20 mA信號給PLC模擬量采集模塊。設備選型時根據活塞行程確定傳感器量程。現在主流位移傳感器都帶有顯示控制功能，在控制器參數設置上可以設置接力器全開、全關開度值，對信號的多樣性帶來控制的主導權。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際位置往哪個方向偏移，采用光電接近開關是無法判斷出接力器實際位移。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準確的反映出接力器實際位置。拉線式位移傳感器是用來記錄測量長度的線性距離、模擬量型、開關量型輸出，采用標準化接口，堅固耐用且防水性能較好，適合短距離，高分辨率的場合（精度到達0.1 mm）。選用拉線式傳感器能滿足主閥開度及全開、全關位置信號實時上傳。

3 應用

某水電站機組進水蝶閥，采用單接力器液壓驅動直徑DN2000的蝶閥，工作時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，內部彈簧保證鋼絲繩張緊度不變，以此來確保數據的準確性，進水蝶閥啟閉時，接力器活塞桿的機械運動轉換成可以計量的、成正比例關系的電信號，得出接力器的位移、方向和速率等相關信息。接力器在啟閉工作狀態時，將位移信號轉換為4～20 mA標準電流刑法送入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），在程序轉換過程將碼值轉換為開度信息。在進水蝶閥的開度指示上，控制系統通常把實際位移信號轉化對應的二進制碼值，在通過二進制碼值轉換為可識別的百分數字，閥門體關閉狀態對應百分之零，全開狀態對應100%，正常運轉中進水蝶閥只有兩種工作狀態全開、全關，只有在檢修過程中機組導葉在全關狀態下可以進行進水蝶閥的中間位置操作，位移傳感器在進水蝶閥控制中主要通過實時位移傳感來監測蝶閥移位值變化和程序執行情況。拉線式移動感應器的優點MPS系列拉繩移動感應器，內部結構小巧，裝配空間尺度小。檢測范圍長（0～1 500 mm），精確度高（0.3%～0.01%FS），保護級別為IP65。機殼與繩輪均進行了防腐加工，牽拉繩為不銹鋼并外敷特氟龍，即可在嚴酷的自然環境下正常工作。可選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”。該設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備、軸角編碼器和光電式限位控制器等構成，傳感器在工作時利用內在鋼筋繩力帶動編碼設備生成SSI信號以及BCD碼，再由PLC相應的轉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，內部集成限位裝置開關與外置的開關限位裝置保證了蝶閥終點位的綜合判別準確度和一致性進一步提高，由于拉線內置結構，其免維護性也大大提高，量程大可不受時間限制，且產品價格也較低廉，使之在電子工程上逐漸得以推廣與應用。綜合分析采用單一信號源對控制的安全性存在一定的分析，為防范化解安全風險，通過開關量與模擬量雙控制，形成模擬量與開關量冗余控制方式，結合控制邏輯實現風險的化解。

（2）以西門子S7-200PLC為例的程序修改，EM235分辨率為12位，第四位開始為數據位第一位，前三位為PLC相應數據狀態值，整個數據值為兩個字節組成，碼值范圍為0～65 535。安裝標準4～20 mA信號，4 mA對于數據為6 400碼值，20mA對于的碼值為65535，在程序換算過程進行相應的碼值比例換算成100%的數值顯示。

①數據換算程序見圖2。

圖2 數據換算程序

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

③根據偏差方向進行相應的糾偏程序段。此處因涉及具體的信號定義，程序段不一一列舉。

④在糾偏過程中設置相應的時間保護功能，防止局部小糾偏引起鎖定斷裂及其他不可預見的問題見圖4。

圖4 時間保護及整體開度控制邏輯圖

（3）總體方案設計。單片機控制器利用通過移動感應器所收集的蝶閥打開程度信息，根據內置的數據處理和決策方法，發出對電機門的控制指令，并利用數碼管信息提供有關蝶閥打開程度的反饋信息和控制信息。整個控制系統包含了位移傳感器測量模塊、單片機信息處理模塊、電力驅動模塊、顯示器模組以及自適應性模組。位移傳感器測量模塊，主要監測蝶閥的開啟程度信號；單片機分析處理蝶閥的開啟程度信號，并根據內部的智能算法，產生了控制指令；電力驅動模塊通過接受由單片或微式電腦產生的控制指令，完成了對蝶閥開啟程度的實時控制；單片機通過分析處理蝶閥的開啟程度信號，并根據內部的智能算法，生成了控制指令；電力驅動模塊通過接收由單片或微型電腦生成的控制指令，實現了對蝶閥開啟程度的實時監測；而屏幕顯示模塊，則利用數碼管信息交替屏幕上顯示的反饋信號和控制信號，實現了對蝶閥開啟程度的實時監測；顯示模塊通過與數碼管的信息交互顯示了反饋信息和監控信息，并增加了現場調試和維護管理人員與控制器之間的人機交互功能；自適應模塊則在完成驅動器的初始上電時，與驅動和閥體之間實現了短行程配合。使驅動的發展在主軸中率先伸出并工作到上下極限位，由單片機實時判斷驅動的定位信號，以確保閥門驅動一直工作在安全區域內。

4 總結

主閥可靠動作保證水電廠在緊急事故停機中將事故縮小至安全范圍內，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。水電廠自動元件的操作工況和管理人員的操作水平，是影響發電機組手動啟停機成敗的最主要原因，因此唯有通過持續改善電氣設備檢測質量、自動化技術水平，并加強操作管理人員，有針對性地進行電氣設備的日常巡檢、保養，方可保證水電廠機組的自動啟機工作成功率在較高水平。