專利名稱：數(shù)字式大型水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器雙通道交叉冗余系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水輪機(jī)調(diào)速控制裝置，尤其是一種數(shù)字式大型水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器雙通道交叉冗余系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
我國(guó)大部分水電站所配備的都是機(jī)械液壓型、電液型或微機(jī)型水輪機(jī)調(diào)速器。隨著控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，水輪機(jī)調(diào)速器的研究工作得到了不斷發(fā)展?，F(xiàn)在占主導(dǎo)地位的微機(jī)調(diào)速器的模式為微機(jī)調(diào)節(jié)器+電液隨動(dòng)系統(tǒng)。由于有微機(jī)技術(shù)作支持，水輪機(jī)控制策略得到了廣泛的研究，控制策略從以往的PI型控制，逐漸發(fā)展成PID、變能數(shù)PID，自適應(yīng)控制、自完善控制、魯棒控制、預(yù)測(cè)控制、變結(jié)構(gòu)控制、非線性控制等。這些控制策略在不同程度上改善了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能，其目的是提高水輪機(jī)組運(yùn)行的可靠性，改善調(diào)節(jié)器品質(zhì)和性能。這是從控制方式上的改進(jìn)設(shè)計(jì)。
水輪機(jī)調(diào)速器中，電液隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率放大，位置信號(hào)跟隨，手動(dòng)操作，緊急停機(jī)等功能，它主要包括電液轉(zhuǎn)換器，主配壓閥，接力器，機(jī)械位移反饋部件，手動(dòng)、自動(dòng)功換部件，開度限制機(jī)構(gòu)，緊爭(zhēng)停機(jī)部件，手動(dòng)操作部件等。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，電液轉(zhuǎn)換是調(diào)速器最薄弱的環(huán)節(jié)，卡阻，斷線等故障經(jīng)常發(fā)生。長(zhǎng)期以來(lái)，電液轉(zhuǎn)換器采用的是動(dòng)圈力馬達(dá)—隨動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)，由于動(dòng)圈所接受的控制信號(hào)只是數(shù)十至數(shù)百毫安的弱電信號(hào)，因此其電磁操作力十分有限，如最大不超過(guò)數(shù)百克，隨著使用過(guò)程中油液清潔度的降低，會(huì)時(shí)刻受到閥芯卡澀的威脅，進(jìn)而引起整個(gè)液壓系統(tǒng)動(dòng)作異常，以致失控。由于受設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制作、現(xiàn)場(chǎng)施工、使用維護(hù)等諸多方面因素的制約，我國(guó)目前這類液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用效果大都不理想，尤其是其中電液轉(zhuǎn)換器的耐油污能力比較差，對(duì)工作環(huán)境的要求很高，從目前水電行業(yè)施工與運(yùn)行維護(hù)條件來(lái)看，是難以保證其工作可靠性的。電液轉(zhuǎn)換器的輸入端與調(diào)速控制器的輸出端相連，其輸出端與執(zhí)行機(jī)構(gòu)主配閥，接力器相連，由調(diào)速器經(jīng)電液轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)主配閥開度，控制水輪機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出功率。為了提高機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性，防止意外或人為事故的發(fā)生，對(duì)機(jī)組調(diào)速器加裝安全保護(hù)機(jī)構(gòu)，限制閥芯開度是保證水力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的必要措施。在以往的生產(chǎn)實(shí)踐中，曾有廠家生產(chǎn)過(guò)純機(jī)械式水輪機(jī)調(diào)速器開度限制器。它通過(guò)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)其絲桿螺母，經(jīng)絲桿螺母的直線位移來(lái)阻擋引導(dǎo)閥的行程，實(shí)現(xiàn)開度限制。這種開度限制機(jī)構(gòu)只可“就地”操作，不可“遠(yuǎn)方”控制。如果要實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)方”控制就必須增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并配套一臺(tái)蝸輪減速器和離合器，制造繁瑣，可造性和控制精度差，維護(hù)非常不便。同時(shí)，沒有實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)開度的功能，即不能實(shí)現(xiàn)邊開邊限和邊關(guān)邊限功能。
以上幾項(xiàng)分別從電氣控制，液電轉(zhuǎn)換，機(jī)械開度限制等幾方面對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行調(diào)節(jié)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，其目的是一致的，就是要不斷提高機(jī)組運(yùn)行的安全、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性。
然而，對(duì)于大型水輪發(fā)電機(jī)組(主配閥徑＞80mm)而言，單一的前述技術(shù)是難以滿足其安全和可靠要求的。00259624.5號(hào)中國(guó)專利了一種水輪機(jī)電液調(diào)速器的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該專利在機(jī)利要求3和7中，對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器中電液隨動(dòng)系統(tǒng)的一些部件提出了冗余設(shè)計(jì)?！八龅臄?shù)字閥組、插裝閥組包括有成雙通道冗余聯(lián)接、并控制主接力器向開側(cè)快速移動(dòng)的數(shù)字閥及與之對(duì)應(yīng)聯(lián)接的插裝閥；有成雙通道冗余聯(lián)接、并控制主接力器向關(guān)側(cè)快速移動(dòng)的數(shù)字閥及與之對(duì)應(yīng)聯(lián)接的插裝閥；有控制主接力器向開側(cè)或關(guān)側(cè)作中低速移動(dòng)的數(shù)字閥?！?見00259624.5機(jī)利要求)，該發(fā)明“還包括有成雙通道冗余聯(lián)接、并控制主接力器向關(guān)側(cè)快速移動(dòng)的由普通電磁換向閥組成的緊急停機(jī)閥組，緊急停機(jī)閥組中的普通電磁換向閥與所述的控制主接力器向關(guān)側(cè)快速移動(dòng)的插裝閥聯(lián)接”(見00259624.5號(hào)專利權(quán)利要求7)。不過(guò)這些僅僅只限于部份機(jī)械構(gòu)件和輔助部件的冗余設(shè)計(jì)，對(duì)水輪機(jī)組的安全運(yùn)行所起作用是有限的。
本發(fā)明的目的是提供一種用于大型水輪發(fā)電機(jī)組上的全數(shù)字式微機(jī)調(diào)速器雙通道交叉冗余系統(tǒng)，它不僅在電液轉(zhuǎn)換系統(tǒng)上具有可相互無(wú)擾動(dòng)自動(dòng)切換的主輔兩組裝置，在電氣控制上具有可相互無(wú)擾動(dòng)自動(dòng)切換的主輔兩套調(diào)節(jié)器，而且具有當(dāng)雙機(jī)構(gòu)出現(xiàn)部分模塊故障時(shí)，可以容忍兩個(gè)單機(jī)的不同名模塊故障(容錯(cuò))，交叉構(gòu)成正常整機(jī)，使調(diào)速器能正常工作之功能，如此以確保大型水輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
所說(shuō)調(diào)速器包括調(diào)節(jié)器和電液隨動(dòng)系統(tǒng)，電液隨動(dòng)系統(tǒng)包括電液轉(zhuǎn)換器、主配閥、停機(jī)閥、先導(dǎo)閥、液壓閥、操作機(jī)構(gòu)、機(jī)械反饋機(jī)構(gòu)、開度限制機(jī)構(gòu)、位置傳感器以及導(dǎo)葉接力器各部件，調(diào)節(jié)器的信號(hào)輸出端與電液隨動(dòng)系統(tǒng)的各信號(hào)控制端相連，電信號(hào)經(jīng)電液隨動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和功率放大后，控制導(dǎo)葉接力器的位移從而控制導(dǎo)葉開度，其特征是所說(shuō)調(diào)速器包括一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)主通道和一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)輔通道兩大部分，自動(dòng)調(diào)節(jié)主通道包括兩冗余連接的微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器B以及一個(gè)機(jī)械液壓系統(tǒng)主通道，自動(dòng)調(diào)節(jié)輔通道包括一個(gè)微機(jī)調(diào)節(jié)器C和一個(gè)機(jī)械液壓輔通道/機(jī)械(電氣)手動(dòng)機(jī)構(gòu)；微機(jī)調(diào)節(jié)器A、B、C的數(shù)據(jù)端口、控制端口均徑MB+網(wǎng)絡(luò)通訊總線連接在一起，微機(jī)調(diào)節(jié)器A、B的信號(hào)輸出端口同時(shí)經(jīng)切換開關(guān)與機(jī)械液壓系統(tǒng)主通道中的切換閥以及比例伺服閥的控制端口相連；微機(jī)調(diào)節(jié)器C的一組信號(hào)輸出端口與機(jī)械液壓系統(tǒng)輔通道/機(jī)械(電氣)手動(dòng)機(jī)構(gòu)中的隨動(dòng)滑閥的控制端口相連。本發(fā)明所述調(diào)速器是主配壓閥以上并聯(lián)自動(dòng)主/輔雙通道式結(jié)構(gòu)，自動(dòng)主通道為成熟的具有適應(yīng)式變參數(shù)PID調(diào)節(jié)規(guī)律的、具有各自獨(dú)立的CPU、I/O通道和電源的雙調(diào)節(jié)器(A和B)(調(diào)速柜內(nèi))+比例伺服閥/FC20000閥為核心構(gòu)成的數(shù)字式電液調(diào)速器。自動(dòng)輔通道為微機(jī)調(diào)節(jié)器C(調(diào)速器控制柜內(nèi))+交流伺服電機(jī)/控制閥+FC20000配壓閥、具有適應(yīng)式變參數(shù)PID調(diào)節(jié)規(guī)律的獨(dú)立微機(jī)調(diào)節(jié)器；具有純機(jī)械手動(dòng)和電氣機(jī)械手動(dòng)功能。
在自動(dòng)主通道工作時(shí)，自動(dòng)輔通道不影響自動(dòng)主通道的工作，但跟蹤自動(dòng)主通道，其導(dǎo)葉接力器調(diào)節(jié)目標(biāo)值與自動(dòng)主通道完全一致，可實(shí)現(xiàn)主/輔通道的無(wú)擾動(dòng)切換。
獨(dú)立的雙PLC冗余調(diào)節(jié)器，雙機(jī)交叉冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)方案，在不增加硬件開銷的條件下，用通信和軟件構(gòu)成交叉冗余雙PLC控制結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，使當(dāng)雙機(jī)均出現(xiàn)部分模塊故障時(shí)，可以容忍兩個(gè)單機(jī)的不同名模塊故障情況(容錯(cuò))，交叉構(gòu)成正常整機(jī)，使調(diào)速器能正常工作，從而真正實(shí)現(xiàn)雙機(jī)冗余容錯(cuò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高調(diào)速器的可靠性。


圖1為本發(fā)明電氣控制部分原理框2為機(jī)械液壓系統(tǒng)原理框圖。
具體實(shí)施例方式
微機(jī)調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)主通道+機(jī)械液壓系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)主通道實(shí)施方式1>.自動(dòng)主通道微機(jī)調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)主通道1的控制核心采用可獨(dú)立工作的雙PLC，具有適應(yīng)式變參數(shù)PID的調(diào)節(jié)規(guī)律，可編程控制器(微機(jī)調(diào)節(jié)器A在圖1中的標(biāo)號(hào)為5和微機(jī)調(diào)節(jié)器B在圖1中的標(biāo)號(hào)為6)采用Schneider公司Quantum可編程控制器，CPU型號(hào)為140CPU43412A型，字長(zhǎng)32位，主頻66MHz，安裝在調(diào)速柜內(nèi)。每一個(gè)微機(jī)調(diào)節(jié)器都有獨(dú)立的CPU、I/0通道、傳感器、測(cè)頻和電源機(jī)械液壓系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)主通道由BOSCH比例伺服閥13、緊急停機(jī)電磁閥16、手動(dòng)緊急停機(jī)閥17、GE FC20000閥(以上部件由GE公司成套供貨)、事故配壓閥和導(dǎo)葉分段關(guān)閉閥等組成。
切換閥13位于“主通道”位置比例伺服閥控制油送至FC20000閥輔助接力器控制腔(大腔)，F(xiàn)C20000閥輔助接力器小腔由壓力油供油。
自動(dòng)主通道工作時(shí)，自動(dòng)輔通道的微機(jī)調(diào)節(jié)器C通過(guò)MB+網(wǎng)絡(luò)通訊11(MODBUS PLUS)總線跟蹤主通道微機(jī)調(diào)節(jié)器A/微機(jī)調(diào)節(jié)器B的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)主通道/輔通道之間的無(wú)擾動(dòng)切換。
2>.自動(dòng)輔通道微機(jī)調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)輔通道+機(jī)械液壓系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)輔通道；微機(jī)調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)輔通道的控制核心(微機(jī)調(diào)節(jié)器C在圖1中的標(biāo)號(hào)為7)，具有適應(yīng)式變參數(shù)PID的調(diào)節(jié)規(guī)律，采用Schneider公司Premium系列—TSX P57303可編程控制器，安裝在調(diào)速器控制柜，取不同于調(diào)速柜的電源，當(dāng)調(diào)速柜的電源故障時(shí)，仍能正常工作。
機(jī)械液壓系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)輔通道12由交流伺服電機(jī)、控制閥、緊急停機(jī)電磁閥、手動(dòng)緊急停機(jī)閥、FC20000閥、事故配壓閥18、導(dǎo)葉分段關(guān)閉控制閥19和導(dǎo)葉機(jī)械反饋20等組成；交流伺服電機(jī)控制的位移與取至接力器的機(jī)械反饋位移相比較，構(gòu)成機(jī)械液壓隨動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)，兼具機(jī)械液壓手動(dòng)功能。它對(duì)油質(zhì)的要求低于機(jī)械液壓系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)主通道。交流伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)相比，具有是數(shù)字控制、自帶旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成位置環(huán)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和無(wú)失步問題等優(yōu)點(diǎn)切換閥位于“輔通道”位置，控制閥由微機(jī)調(diào)節(jié)器C和交流伺服電機(jī)和機(jī)械反饋控制，其控制油送至FC20000閥輔助接力器控制腔(大腔)，F(xiàn)C20000閥輔助接力器小腔由壓力油供油。
自動(dòng)輔通道工作時(shí)，自動(dòng)主通道的微機(jī)調(diào)節(jié)器A/微機(jī)調(diào)節(jié)器B通過(guò)MODBUSPLUS網(wǎng)跟蹤輔通道微機(jī)調(diào)節(jié)器C的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輔通道/主通道的無(wú)擾動(dòng)切換。
(3).手動(dòng)調(diào)節(jié)通道1>.電氣手動(dòng)電氣導(dǎo)葉開度限制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)電氣手動(dòng)控制，由微機(jī)調(diào)節(jié)器A或微機(jī)調(diào)節(jié)器B實(shí)現(xiàn)；電氣導(dǎo)葉開度限制增減操作現(xiàn)地(調(diào)速柜開關(guān)按鈕)/遠(yuǎn)方(電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，模擬信號(hào))。
并網(wǎng)運(yùn)行電氣導(dǎo)葉開度限制值位于與運(yùn)行水頭相適應(yīng)的最大開度，并可接受電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的控制信號(hào)。
如機(jī)組甩負(fù)荷，立即使電氣導(dǎo)葉開度限制控制導(dǎo)葉接力器關(guān)閉至與運(yùn)行水頭相適應(yīng)的空載開度附近。
電氣導(dǎo)葉開度/開度限制指示表(調(diào)速柜面板上)，-1～120％，雙指示型。
2>.純機(jī)械(液壓)手動(dòng)和電氣機(jī)械(液壓)手動(dòng)手動(dòng)控制的機(jī)械液壓通道由機(jī)械手輪(交流伺服電機(jī))、控制閥、緊急停機(jī)電磁閥、手動(dòng)緊急停機(jī)閥、FC20000閥、事故配壓閥、導(dǎo)葉分段關(guān)閉控制閥和導(dǎo)葉機(jī)械反饋等組成，它也是機(jī)械液壓系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)輔通道。比例伺服閥控制油被切斷，控制閥由壓力油供油，與導(dǎo)葉接力器機(jī)械反饋一起實(shí)現(xiàn)純機(jī)械(液壓)手動(dòng)操作功能，用手輪操作。為了便于運(yùn)行和檢修人員操作，用微機(jī)調(diào)節(jié)器C和交流伺服電機(jī)(安裝在調(diào)速器控制柜內(nèi)，取不同于調(diào)速柜的電源)控制機(jī)械導(dǎo)葉開度給定，可在現(xiàn)地(調(diào)速器控制柜的開關(guān)按鈕)/遠(yuǎn)方(電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，模擬信號(hào))對(duì)機(jī)械導(dǎo)葉開度控制給定實(shí)現(xiàn)電氣控制；同時(shí)，能方便、可靠地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)工況到機(jī)械手動(dòng)工況的無(wú)擾動(dòng)切換，且在機(jī)械手動(dòng)工況時(shí)，若機(jī)組甩負(fù)荷，能滿足將導(dǎo)葉關(guān)閉到與運(yùn)行水頭相適應(yīng)的空載開度附近的要求。
在調(diào)速器控制柜面板上設(shè)機(jī)械手動(dòng)/電氣機(jī)械手動(dòng)切換開關(guān)、和指示表；(4).工作方式切換各種方式間可實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。
自動(dòng)主通道/輔通道主通道雙機(jī)之間切換；主通道故障自動(dòng)切到輔通道；調(diào)速柜上的自動(dòng)主通道/輔通道切換開關(guān)；自動(dòng)/手動(dòng)調(diào)速柜上的自動(dòng)/手動(dòng)切換開關(guān)，可切到調(diào)速控制柜工作；電氣手動(dòng)/機(jī)械(液壓)手動(dòng)調(diào)速器控制柜上的電氣手動(dòng)/機(jī)械(液壓)手動(dòng)切換開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)方式切換。
微機(jī)調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)主通道雙機(jī)(微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器B)交叉冗余容錯(cuò)原理說(shuō)明(1)獨(dú)立的雙PLC冗余控制器1>.全冗余雙PLC控制器CPU、輸入模塊、輸出模塊、傳感器、測(cè)頻單元、電源均為冗余結(jié)構(gòu)，主要是“主機(jī)/熱備”功能。
2>.微機(jī)調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)主通道采用兩個(gè)獨(dú)立的PLC控制器(微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器B)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線MODBUS PLUS實(shí)現(xiàn)雙機(jī)狀態(tài)和數(shù)據(jù)一致；3>.每一個(gè)PLC控制器(微機(jī)調(diào)節(jié)器A或微機(jī)調(diào)節(jié)器B)與相應(yīng)的機(jī)械液壓系統(tǒng)等相配合，均能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)全部控制功能和保證達(dá)到全部調(diào)節(jié)性能要求；
4>.當(dāng)雙機(jī)(微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器B)之一故障時(shí)，可發(fā)出故障信號(hào)并自動(dòng)、無(wú)擾動(dòng)地切換到正常機(jī)工作，故障機(jī)可在線更換模塊、檢修；(2)雙機(jī)交叉冗余容錯(cuò)在不增加硬件開銷的條件下，用通信和軟件構(gòu)成交叉冗余雙PLC控制結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，可以容忍兩個(gè)單機(jī)的不同名模塊故障情況(容錯(cuò))，交叉構(gòu)成正常整機(jī)，使調(diào)速器能正常工作，從而真正實(shí)現(xiàn)雙機(jī)冗余容錯(cuò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高調(diào)速器的可靠性。
1>.將單個(gè)調(diào)節(jié)器(微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器B)劃分成下列功能模塊F模塊(FA、FB)---頻率測(cè)量模塊I模塊(IA、IB)---開關(guān)量輸入模塊O模塊(OA、OB)---開關(guān)量輸出模塊D模塊(DA、DB)---模擬量輸出模塊A模塊(AA、AB)---模擬量輸入模塊C模塊(CA、CB)---通信模塊模塊正常時(shí)為1，故障為0。例如F4＝1，表明微機(jī)調(diào)節(jié)器A的頻率測(cè)量模塊正常；記模塊變量為MY(X)，Y＝A或B，則變量X可為F、I、O、D A和C。
2>.CA＝CB＝1是交叉冗余的必要條件，若CA*CB＝0，則為獨(dú)立雙機(jī)冗余結(jié)構(gòu)。ПMA(X)＝FA*IA*OA*DA*AA＝1表明微機(jī)調(diào)節(jié)器A各模塊工作正常。
ПMB(X)＝FB*IB*OB*DB*AB＝1表明微機(jī)調(diào)節(jié)器B各模塊工作正常。
ПMA(X)＝0表明微機(jī)調(diào)節(jié)器A中，至少有一個(gè)模塊工作不正常；ПMB(X)＝0表明微機(jī)調(diào)節(jié)器B中，至少有一個(gè)模塊工作不正常；3>.微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器B通過(guò)MODBUS PLUS網(wǎng)，實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)，使兩者數(shù)據(jù)狀態(tài)共享，且完全一致。
4>.雙機(jī)(微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器B)整機(jī)切換(獨(dú)立雙機(jī))
ПMA(X)＝1，ПMB(X)＝1?？扇藶樵凇癆”、“B”機(jī)間切換，使其中任一機(jī)為主機(jī)，另一機(jī)為輔機(jī)；若ПMA(X)＝0，ПMB(X)＝1，則自動(dòng)切到微機(jī)調(diào)節(jié)器B機(jī)工作。
微機(jī)調(diào)節(jié)器A為主機(jī)，ПMA(X)＝1，ПMB(X)＝0，表明微機(jī)調(diào)節(jié)器A正常，微機(jī)調(diào)節(jié)器B至少有一個(gè)模塊不正常，此時(shí)，無(wú)法由微機(jī)調(diào)節(jié)器A切至微機(jī)調(diào)節(jié)器B；反之亦然。
5>.雙機(jī)(微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器B)交叉構(gòu)成正常工作機(jī)CA＝CB＝1，滿足交叉冗余的必要條件。
微機(jī)調(diào)節(jié)器A為主機(jī)，如出現(xiàn)ПMA(X)＝0，ПMB(X)＝0(表明微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器B均至少有一個(gè)模塊不正常)，但MA(X)+MB(X)|X＝F，O，I，D，A＝1(表明微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器B的故障模塊不相同)，則可由微機(jī)調(diào)節(jié)器A、微機(jī)調(diào)節(jié)器B正常模塊共同構(gòu)成一正常工作機(jī)工作。
例如FA＝1，IA＝0，OA＝1，DA＝1，AA＝1FB＝1，IB＝1，OB＝0，DB＝0，AB＝1則工作機(jī)為FA，IB，OA，DA，AA，微機(jī)調(diào)節(jié)器A還是主機(jī)。
6>自動(dòng)切換邏輯-----設(shè)微機(jī)調(diào)節(jié)器A為主機(jī)。
微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器B均正常，不切換微機(jī)調(diào)節(jié)器AПMA(X)＝1。正常，微機(jī)調(diào)節(jié)器BПMB(X)＝0，不切換。
微機(jī)調(diào)節(jié)器AПMA(X)＝0；不正常，微機(jī)調(diào)節(jié)器BПMB(X)＝1；正常。切到微機(jī)調(diào)節(jié)器B為主機(jī)。
微機(jī)調(diào)節(jié)器AПMA(X)＝0。不正常，微機(jī)調(diào)節(jié)器BПMB(X)＝0，不正常。但MA(X)+MB(X)|X＝F，O，I，D，A＝1，CA＝CB＝1，則微機(jī)調(diào)節(jié)器A為主機(jī)，兩機(jī)正常模塊可交叉構(gòu)成正常整機(jī)工作。
微機(jī)調(diào)節(jié)器AПMA(X)＝0。不正常。微機(jī)調(diào)節(jié)器BПMB(X)＝0，不正常。且MA(X)+MB(X)|X＝F，O，I，D，A＝0，無(wú)法構(gòu)成交叉正常整機(jī)，切到自動(dòng)輔通道微機(jī)調(diào)節(jié)器C工作。
現(xiàn)場(chǎng)總線MB+網(wǎng)絡(luò)通訊11是用于智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與基于微處理器的控制室自動(dòng)化系統(tǒng)之間的全數(shù)字化、多站總線式的雙向串行多信息數(shù)字通信規(guī)程，是互操作以及數(shù)據(jù)共享的公共協(xié)議。現(xiàn)場(chǎng)總線用全數(shù)字的雙向通信代替了傳統(tǒng)的4mA～20Ma，0～10v模擬信號(hào)，原先的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接線方式如今可以改變成用1根通信電纜同時(shí)連接多臺(tái)設(shè)備。
用于電機(jī)控制的運(yùn)動(dòng)控制模塊和開關(guān)量輸入/輸出模塊與CPU等相關(guān)模塊都安裝在PLC插槽上，并不是分散的結(jié)構(gòu)，電/機(jī)轉(zhuǎn)換器具有全數(shù)字接口。全數(shù)字調(diào)速器的電/機(jī)轉(zhuǎn)換采用交流伺服電/機(jī)轉(zhuǎn)換器帷有全數(shù)字位置與速度接口，自帶旋轉(zhuǎn)編碼器位置反饋，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好。機(jī)/電轉(zhuǎn)換采用帶有現(xiàn)場(chǎng)總線接口的多圈絕對(duì)值型旋轉(zhuǎn)編碼器，將導(dǎo)葉接力器的機(jī)械位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為送給調(diào)節(jié)器的數(shù)字信號(hào)。其他數(shù)據(jù)采集部分如水頭測(cè)量、機(jī)組功率測(cè)量都采用具有現(xiàn)場(chǎng)總線接口的智能測(cè)量模塊進(jìn)行測(cè)量，直接輸出與所選用的現(xiàn)場(chǎng)總線形式一致的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)娇刂破鳌?br> 以往的電液調(diào)速器對(duì)水頭、機(jī)組功率和導(dǎo)葉開度的測(cè)量機(jī)構(gòu)的輸出信號(hào)大多為0～10v或4Ma～20mA的模擬信號(hào)。而所述全數(shù)字式調(diào)速器中調(diào)節(jié)器與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊之間采用數(shù)字通信的方式采集水頭、機(jī)組功率、導(dǎo)葉開度值，使其在整個(gè)水輪機(jī)調(diào)速器的信號(hào)傳遞過(guò)程中全部為數(shù)字信號(hào)，出現(xiàn)模擬信號(hào)，改變了以往電液調(diào)速器中模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)并存的情況。僅僅就現(xiàn)場(chǎng)總線MB+網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計(jì)方案與以往調(diào)速器相比就具有以下優(yōu)點(diǎn)a.布線容易，互操作性強(qiáng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是1對(duì)N的結(jié)構(gòu)，1對(duì)傳輸線可以對(duì)應(yīng)多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字測(cè)量模塊。改變了以往用模擬測(cè)量模塊時(shí)每臺(tái)儀器要占用控制器中的1個(gè)輸入通道，減少了I/O裝置，以微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字儀表具有多種功能，把傳統(tǒng)的模擬儀表變成數(shù)字儀表，變單一功能為多項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)儀表的互操作。
b.精度高，可靠性高。每個(gè)傳感器都有單獨(dú)的信號(hào)放大調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換、載波與通信電路，輸出為數(shù)字信號(hào)，精度高；模擬量信號(hào)就近轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，避免了信號(hào)的衰減和變形；在系統(tǒng)整個(gè)信號(hào)傳輸過(guò)程中沒有模擬信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)總線的通信協(xié)議中有保障傳輸可靠性的約定，總線對(duì)通信介質(zhì)、信息檢驗(yàn)、信息糾錯(cuò)、重復(fù)地址檢測(cè)等方面都有嚴(yán)格的規(guī)定，當(dāng)因?yàn)楦蓴_而發(fā)生傳輸錯(cuò)誤時(shí)可以重發(fā)數(shù)據(jù)；儀表故障時(shí)能夠及時(shí)報(bào)告供值班人員及時(shí)處理。
c.避免漂移，參數(shù)整定方便。以往電液調(diào)速器中測(cè)量接力器行程采用模擬傳感器例如直線位移傳感器，實(shí)質(zhì)上就是滑動(dòng)變阻器，在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生漂移現(xiàn)象，阻值因?yàn)闇囟榷兓?，使測(cè)量不準(zhǔn)確。在使用過(guò)程中，變阻器參數(shù)也不易整定；但用多圈絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器內(nèi)部有溫度自動(dòng)補(bǔ)償電路，并且容易整定參數(shù)，調(diào)試時(shí)極為方便。
d.易于被多變量智能儀表應(yīng)用采用現(xiàn)場(chǎng)總線可以傳送多個(gè)過(guò)程變量，可以將儀表的參數(shù)一起上傳，有利于帶有多變量的數(shù)字儀表應(yīng)用；電量傳感器可以同時(shí)測(cè)量出機(jī)組三相有功功率、無(wú)功功率、頻率、功率因數(shù)、有功電能等電量參數(shù)。
e.器件選型靈活采用標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線后，解決了產(chǎn)品匹配問題，用戶可選擇不同廠家的產(chǎn)品，優(yōu)化組合，構(gòu)成自己最滿意的系統(tǒng)。
在PLC指令系統(tǒng)中有支持MB+網(wǎng)絡(luò)通訊Modbus協(xié)議的存取數(shù)據(jù)的指令位READ_VAR，通過(guò)這一指令，PLC向從站傳感器發(fā)出讀取數(shù)據(jù)的命令，傳感器接收到讀取指令的數(shù)據(jù)幀后進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如果校驗(yàn)正確，則將指令要求的數(shù)據(jù)上傳至PLC，放置于指令指定的內(nèi)存單元中，供PLC使用；若CRC校驗(yàn)發(fā)生錯(cuò)誤，則傳感器按照Modbus通信協(xié)議返回錯(cuò)誤代碼，這時(shí)在PLC程序中設(shè)定要求控制器重發(fā)讀取數(shù)據(jù)命令，以讀取到正確的數(shù)據(jù)，同時(shí)為避免受到嚴(yán)重不可預(yù)料的干擾或傳輸發(fā)生故障時(shí)使控制器在一定時(shí)間內(nèi)一直無(wú)法獲取傳感器的正確數(shù)據(jù)，可在程序中設(shè)置讀取數(shù)據(jù)的最大時(shí)限，在這個(gè)時(shí)限內(nèi)沒有獲得傳感器數(shù)據(jù)則放棄，進(jìn)行下一次讀取數(shù)據(jù)的循環(huán)；同時(shí)設(shè)置計(jì)數(shù)器，當(dāng)一定次數(shù)內(nèi)讀取都失敗，則可判斷傳感器故障。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字式大型水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器雙通道交叉冗余系統(tǒng)，包括調(diào)節(jié)器和電液隨動(dòng)系統(tǒng)，電液隨動(dòng)系統(tǒng)包括電液轉(zhuǎn)換器、主配閥、停機(jī)閥、先導(dǎo)閥、液壓閥、操作機(jī)構(gòu)、機(jī)械反饋機(jī)構(gòu)、開度限制機(jī)構(gòu)、位置傳感器以及導(dǎo)葉接力器各部件，調(diào)節(jié)器的信號(hào)輸出端與電液隨動(dòng)系統(tǒng)的各信號(hào)控制端相連，電信號(hào)經(jīng)電液隨動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和功率放大后，控制導(dǎo)葉接力器的位移從而控制導(dǎo)葉開度，其特征是所說(shuō)調(diào)速器包括一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)主通道和一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)輔通道兩大部分，自動(dòng)調(diào)節(jié)主通道包括兩冗余連接的微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器B以及一個(gè)機(jī)械液壓系統(tǒng)主通道，自動(dòng)調(diào)節(jié)輔通道包括一個(gè)微機(jī)調(diào)節(jié)器C和一個(gè)機(jī)械液壓輔通道/機(jī)械(電氣)手動(dòng)機(jī)構(gòu)；微機(jī)調(diào)節(jié)器A、B、C的數(shù)據(jù)端口、控制端口均徑MB+網(wǎng)絡(luò)通訊總線連接在一起，微機(jī)調(diào)節(jié)器A、B的信號(hào)輸出端口同時(shí)經(jīng)切換開關(guān)與機(jī)械液壓系統(tǒng)主通道中的切換閥以及比例伺服閥的控制端口相連；微機(jī)調(diào)節(jié)器C的一組信號(hào)輸出端口與機(jī)械液壓系統(tǒng)輔通道/機(jī)械(電氣)手動(dòng)機(jī)構(gòu)中的隨動(dòng)滑閥的控制端口相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器雙通道交叉冗余系統(tǒng)，其特征是本發(fā)明還包括全冗余雙PLC控制器CPU、輸入模塊、輸出模塊、傳感器、測(cè)頻單元、電源均為冗余結(jié)構(gòu)，并具有“主機(jī)/熱備”能力；微機(jī)調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)主通道采用兩個(gè)獨(dú)立的PLC微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器B，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線MODBUS PLUS實(shí)現(xiàn)雙機(jī)狀態(tài)和數(shù)據(jù)一致；微機(jī)調(diào)節(jié)器A或微機(jī)調(diào)節(jié)器B與其相應(yīng)的機(jī)械液壓系統(tǒng)相配合，獨(dú)立實(shí)現(xiàn)控制功能達(dá)到調(diào)節(jié)性能要求。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器雙通道交叉冗余系統(tǒng)，其特征是微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器B之一故障時(shí)，可發(fā)出故障信號(hào)并自動(dòng)、無(wú)擾動(dòng)地切換到正常機(jī)工作，故障機(jī)可在線更換模塊、檢修。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器雙通道交叉冗余系統(tǒng)，其特征是用通信和軟件構(gòu)成交叉冗余雙PLC控制結(jié)構(gòu)，以容忍兩個(gè)單機(jī)的不同名模塊故障情況，交叉構(gòu)成正常整機(jī)，使調(diào)速器能正常工作。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器雙通道交叉冗余系統(tǒng)，其特征是，微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器B通過(guò)總線掛接有下列功能模塊，這些模塊均具有全數(shù)字式電路結(jié)構(gòu)，用數(shù)字通信的方式采集水頭、機(jī)組功率、導(dǎo)葉開度值，并在整個(gè)水輪機(jī)調(diào)速器的信號(hào)采用數(shù)字信號(hào)傳遞；這些功能模塊是F模塊(FA、FB)———頻率測(cè)量模塊I模塊(IA、IB)———開關(guān)量輸入模塊O模塊(OA、OB)———開關(guān)量輸出模塊D模塊(DA、DB)———模擬量輸出模塊A模塊(AA、AB)———模擬量輸入模塊C模塊(CA、CB)———通信模塊
6.一種水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器雙通道交叉冗余系統(tǒng)，其特征是，交叉冗余方法是若設(shè)模塊正常時(shí)為1，故障為0，a.CA＝CB＝1是交叉冗余的必要條件，若CA*CB＝0，則為獨(dú)立雙機(jī)冗余結(jié)構(gòu)，∏MA(X)＝FA*IA*OA*DA*AA＝1表明微機(jī)調(diào)節(jié)器A各模塊工作正常，∏MB(X)＝FB*IB*OB*DB*AB＝1為微機(jī)調(diào)節(jié)器B各模塊工作正常，∏MA(X)＝0為微機(jī)調(diào)節(jié)器A中，至少有一個(gè)模塊工作不正常；∏MB(X)＝0表明微機(jī)調(diào)節(jié)器B中，至少有一個(gè)模塊工作不正常；b.微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器B通過(guò)MODBUS PLUS網(wǎng)，實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)，使兩者數(shù)據(jù)狀態(tài)共享，且完全一致；c.微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器B整機(jī)切換獨(dú)立雙機(jī)，∏MA(X)＝1，∏MB(X)＝1，可人為在“A”、“B”機(jī)間切換，使其中任一機(jī)為主機(jī)，另一機(jī)為輔機(jī)；若∏MA(X)＝0，∏MB(X)＝1，則自動(dòng)切到微機(jī)調(diào)節(jié)器B機(jī)工作。d.微機(jī)調(diào)節(jié)器A為主機(jī)，∏MA(X)＝1，∏MB(X)＝0，為微機(jī)調(diào)節(jié)器A正常，微機(jī)調(diào)節(jié)器B至少有一個(gè)模塊不正常，此時(shí)，無(wú)法由微機(jī)調(diào)節(jié)器A切至微機(jī)調(diào)節(jié)器B；反之亦然。e.微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器交叉構(gòu)成正常工作機(jī)CA＝CB＝1，滿足交叉冗余的必要條件；微機(jī)調(diào)節(jié)器A為主機(jī)，如出現(xiàn)∏MA(X)＝0，∏MB(X)＝0表明微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器B均至少有一個(gè)模塊不正常，若MA(X)+MB(X)|X＝F，O，I，D，A＝1表明微機(jī)調(diào)節(jié)器A和微機(jī)調(diào)節(jié)器B的故障模塊不相同，則可由微機(jī)調(diào)節(jié)器A、微機(jī)調(diào)節(jié)器B正常模塊共同構(gòu)成一正常工作機(jī)工作；f.自動(dòng)切換邏輯，若微機(jī)調(diào)節(jié)器A為主機(jī)，微機(jī)調(diào)節(jié)器A∏MA(X)＝1，正常，微機(jī)調(diào)節(jié)器B∏MB(X)＝0，不切換，若微機(jī)調(diào)節(jié)器A∏MA(X)＝0；不正常，微機(jī)調(diào)節(jié)器B∏MB(X)＝1，正常，切到微機(jī)調(diào)節(jié)器B為主機(jī)；若微機(jī)調(diào)節(jié)器A∏MA(X)＝0，不正常，微機(jī)調(diào)節(jié)器B∏MB(X)＝0，不正常，但MA(X)+MB(X)|X＝F，O，I，D，A＝1，CA＝CB＝1，則微機(jī)調(diào)節(jié)器A為主機(jī)，兩機(jī)正常模塊可交叉構(gòu)成正常整機(jī)工作；若微機(jī)調(diào)節(jié)器A∏MA(X)＝0，不正常，微機(jī)調(diào)節(jié)器B∏MB(X)＝0，不正常，且MA(X)+MB(X)|X＝F，O，I，D，A＝0，無(wú)法構(gòu)成交叉正常整機(jī)，切到自動(dòng)輔通道微機(jī)調(diào)節(jié)器C工作。
全文摘要
一種數(shù)字式大型水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器雙通道交叉冗余系統(tǒng)，包括一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)主通道和一個(gè)輔通道兩大部分，自動(dòng)調(diào)節(jié)主通道包括兩冗余連接的微機(jī)調(diào)節(jié)器A和B以及一個(gè)機(jī)械液壓系統(tǒng)主通道，自動(dòng)調(diào)節(jié)輔通道包括一個(gè)微機(jī)調(diào)節(jié)器C和一個(gè)機(jī)械液壓輔通道/機(jī)械(電氣)手動(dòng)機(jī)構(gòu)；在主通道工作時(shí)，輔通道不影響主通道的工作，但跟蹤主通道，其導(dǎo)葉接力器調(diào)節(jié)目標(biāo)值與主通道完全一致，可實(shí)現(xiàn)主/輔通道的無(wú)擾動(dòng)切換。獨(dú)立的雙PLC冗余調(diào)節(jié)器，雙機(jī)交叉冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)方案，在不增加硬件開銷的條件下，用通信和軟件構(gòu)成交叉冗余雙PLC控制結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，可以容忍兩個(gè)單機(jī)的不同名模塊故障情況(容錯(cuò))，交叉構(gòu)成正常整機(jī)，使調(diào)速器能正常工作。
文檔編號(hào)F15B21/00GK1734085SQ20041006071
公開日2006年2月15日 申請(qǐng)日期2004年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月13日
發(fā)明者魏守平, 胡夢(mèng)蛟, 李紅, 胡乙進(jìn) 申請(qǐng)人:武漢事達(dá)電氣股份有限公司