【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （ 2） 時(shí)鐘系統(tǒng) 系統(tǒng)提供一套高精度的 GPS 時(shí)鐘系統(tǒng)，時(shí)鐘誤差為二十四小時(shí)不超過。時(shí)鐘系統(tǒng)能與衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步。時(shí)鐘系統(tǒng)中衛(wèi)星同步時(shí)鐘能接收衛(wèi)星時(shí)鐘信息，并使主控級(jí)和 LCU 時(shí)鐘與衛(wèi)星時(shí)鐘同步 。 （ 3） 打印機(jī) 系統(tǒng)配置漢字激光打印機(jī)作各種信息及報(bào)表打印用，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，推薦以召喚打印為主、定時(shí)打印為輔的方法。 （ 4） 不間斷電源 （ UPS） 當(dāng) 電網(wǎng)突然掉電 ，而計(jì)算機(jī)不能停止工作或者需要一個(gè)充足的時(shí)間保護(hù)重要數(shù)據(jù)時(shí)，就要用到 UPS。隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前的 UPS 除了不間斷供電之外，還具備過壓、欠壓保護(hù)功能，軟件監(jiān) 控功能等等。其中在線式的 UPS 還具備與電網(wǎng)隔離、強(qiáng)抗干擾特性，是高可靠性控制系統(tǒng)的最佳選擇。 系統(tǒng)的軟件組成 1．中央控制單元 在本控制系統(tǒng)中， 中央控制單元 上位機(jī)（ PC）的組態(tài)軟件 采用組態(tài)王系列 軟件 ， 組態(tài)王軟件經(jīng)過七年開發(fā)，五年的各種突發(fā)環(huán)境的真實(shí)考驗(yàn)，九千例工程的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)組態(tài)軟件的客戶首選，并且作為首家國(guó)內(nèi)組態(tài)軟件應(yīng)用于國(guó)防，航空航天等重大領(lǐng) 域 。 2． 現(xiàn)地控制單元 下位機(jī)由于使用了 PLC 作為硬件設(shè)備，因此就要 選擇與 PLC 相應(yīng)的一款編程軟件，本系統(tǒng)采用與西門子公司的 S7300 型 PLC 相配套的 step7 編程軟件 。 Step7 是一款 功能非常強(qiáng)大的軟件， 即可編程，也可仿真， 且操作簡(jiǎn)單、易學(xué)，是工業(yè)控制領(lǐng)域中的重要組成部分。 8 小結(jié) 本章節(jié)主要從系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)入手，首先介紹了 整個(gè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能以及設(shè)計(jì)的一些原則 ，然后開始 確定整個(gè)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及通信方式， 即上位機(jī)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)通信，上位機(jī)與下位機(jī)之間采用 RS232 串口通信 ，下位機(jī)與傳感器 及其它輸入設(shè)備之間采用 ASI 及 PROFIBUSDP 通信方式。最后本章介紹了控制系統(tǒng)的軟、硬件組成， 提前對(duì)系統(tǒng)的軟、硬件予以簡(jiǎn)單 的介紹。 9 第三章 閘門的液壓?jiǎn)㈤]控制 3． 1 概述 在水電站 的發(fā)電過程中 ，舉足輕重的一步即是水流的勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)?電能的過程。而在這個(gè)過程當(dāng)中 ，閘門的啟閉起到了決定性的作用 。閘門的啟閉控制 是多年來的一個(gè)話題。 由于 閘門 所處的環(huán)境惡劣 ，因此需要一種 控制系統(tǒng)，既要滿足 一定的控制精度，也要克服惡劣的 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境 ，液壓控制系統(tǒng) 同時(shí)具備上述控制 要求，它是 多數(shù)水電站的最佳選擇。 液壓系統(tǒng)有它自己的特點(diǎn)， 下面分別論述。 （ 1） 液壓 系統(tǒng) 的優(yōu)點(diǎn)： 液壓元件的功率 慣量比大。一般液壓泵的重量是同功率電動(dòng)機(jī)的 10%～ 20%，尺寸約為 電動(dòng)機(jī)的 12%～ 13%，功率 重量比為同容量電機(jī)的 10 倍， 因此液壓元件可以組成結(jié)構(gòu)緊湊 、 體積小、重量輕、加速性能好的伺服系統(tǒng)，對(duì)于像本 閘門開閉控制系統(tǒng) ，由于在野外工作 ，因此 更應(yīng)采用液壓?jiǎn)㈤]控制。 易獲得較大的力和力矩 ，工作比較平穩(wěn)，反應(yīng)快，沖擊小，可在負(fù)載下直接換向或啟動(dòng)，快速性能好 ，系統(tǒng)響應(yīng)快。 容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作、集中操作或遠(yuǎn)距離控制，而且省力。操作簡(jiǎn)便、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和遙控。 易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。由于液壓元件中的油液介質(zhì)對(duì) 每個(gè) 部件進(jìn)行潤(rùn)滑作用， 使得零部件磨損減輕、使用壽命長(zhǎng)。 液壓系統(tǒng) 元件 實(shí)現(xiàn)了系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化， 所以容易設(shè)計(jì)、推廣使用。 整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有 很大的靈活性。 （ 2）液壓系統(tǒng)的 不足之處 ： 精密的液壓控制元件如電液伺服閥抗污能力較差 ，對(duì)工作液的清潔度要求較高。 液壓元件出現(xiàn)密封不嚴(yán)時(shí)容易產(chǎn)生泄露，對(duì)環(huán)境造成污染。 液壓 控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)不易追查原因，維修困難。 因此，在進(jìn)行液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí) ， 我們 應(yīng)該盡可能的去利用其優(yōu)點(diǎn)， 避開其缺點(diǎn) ，最大限度的減少損失。 10 過濾器 液壓泵 單向閥 先導(dǎo)溢流閥 二位二通電磁閥 三位四通電磁閥 調(diào)速閥 三位三通電磁閥 液壓鎖 節(jié)流閥 1 液壓缸 圖 液壓?jiǎn)㈤]原理圖 Schematic diagram of the hydraulic hoist 液壓 控制回路及液壓元件簡(jiǎn)介 （ 1） 液壓泵 用以 提供整個(gè)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力 。 （ 2）單向閥 單向?qū)ǎ聪蚪刂?。 （ 3） 壓力控制回路 如圖 ， 由 二位二通電磁閥 和先導(dǎo)溢流閥 4 組成。通過用 PLC程序控制 1DT 的得電來 使 系統(tǒng)建壓，控制 1DT 失電使系統(tǒng) 降壓 。 （ 4） 方向 控制回路 由電磁 換向閥組成。當(dāng)換向閥不得電時(shí)，工作在中位。當(dāng)換向閥左位或者右位得電時(shí)，換向閥 則 工作在左位或右位 。 （ 5） 速度控制回路 由調(diào)速閥組成 ，通過控制油液流量的大小借以控制活塞的推進(jìn)速度。 （ 6） 液壓鎖定回路 圖 中共有 2 組，即 與 為一組， 與 為一組 。 每組由 2 個(gè)單向閥組成 ，主要作用為 使閘門能停在任意位置上。具體過程為 ，當(dāng)油液經(jīng)調(diào)速閥流 11 向單向閥 時(shí)，其另一端流向 ，使 反向?qū)ǎl門上升；當(dāng) 液壓泵停止工作時(shí)， 與 都被反向截止 ，閘門停止運(yùn)動(dòng)。 （ 7） 同步控制回路 由二位 二通換向閥 和 、節(jié)流閥 和 、 三位三通換向閥 8 組成 。根據(jù)液壓缸行程檢測(cè)偏差信號(hào) ，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)糾偏環(huán)節(jié) ，以達(dá)到同步的目的。 液壓系統(tǒng)工作原理 整個(gè)系統(tǒng)是通過電磁換向閥的得、失電來實(shí)現(xiàn)不同的控制要求 ，控制閘門的啟閉、同步糾偏以及其他各種功能 ?？刂茊卧?可編程邏輯控制器 （ PLC） ，通過讀取 PLC 的梯形圖程序 ，使得相應(yīng)的電磁換向閥得、失電， 實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的控制。 閘門的液壓?jiǎn)㈤]控制 閘門的升降控制 在閘門開啟的過程中，液壓泵首先要經(jīng)過一個(gè)軟啟動(dòng)的過程，軟啟動(dòng)過程結(jié)束后， 電 磁換向閥 的電磁鐵 1DT 得電 ，通過先導(dǎo)溢流閥 4 使系統(tǒng)的壓力調(diào)至工作壓力，即系統(tǒng)建壓。然后電磁換向閥 6 的電磁鐵 2DT 得電，油液通過調(diào)速閥 、 （ 、 ） ，流至液壓鎖 （ ） ，同時(shí)使 （ ） 反向?qū)?，最后油?流到液壓缸的下腔（有桿腔），推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng) ，而液壓缸上腔（無桿腔）的油液則經(jīng)過 （ ） 流回油箱 ，活塞桿縮回，閘門開啟 。 在閘門下降 的過程中， 電磁換向閥 6 的電磁鐵 3DT 得電，油液經(jīng)過液壓鎖 （ ） ，直接流向液壓缸的上腔，推動(dòng)活塞向下，同時(shí)液壓缸下腔的油液經(jīng) 過 （ ） 和調(diào)速閥流回油箱，活塞桿拉伸，閘門閉合。 啟閉機(jī)空載卸荷和過載保護(hù) 1． 空載卸荷 在整個(gè)水閘 控制 系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，需要 根據(jù)實(shí)際情況 頻繁的對(duì)閘門進(jìn)行調(diào)整 ， 這就需要頻繁的對(duì)液壓泵進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作。但是，由于 電機(jī) 啟停的瞬間電壓、電流都會(huì)很大， 即使有軟啟動(dòng)器，也無法完全避免 電機(jī) 瞬時(shí) 過熱，瞬間功率過大等缺陷， 頻繁的啟動(dòng) 電機(jī) 最終 會(huì)導(dǎo)致電能的損耗以及縮短 液壓泵 的 壽命，這對(duì)于水電站的發(fā)展、建設(shè)是非常不利的。 因此要 避免頻繁的啟動(dòng)電機(jī) ，延長(zhǎng)其使用壽命。 所以液壓系統(tǒng)在短時(shí)間停止工作時(shí) ，一般讓液壓泵卸荷運(yùn) 轉(zhuǎn) ， 就是讓泵以很小的輸出功率或以很低的壓力運(yùn)轉(zhuǎn) ，這樣可以節(jié)省功率消耗，減少液壓系統(tǒng)發(fā)熱 。 2． 過載保護(hù) 12 當(dāng)閘門開度控制失靈時(shí) ，或閘門到達(dá)極限位置液壓泵仍在執(zhí)行 啟、閉閘門動(dòng)作時(shí) ，會(huì)引起液壓系統(tǒng)中的壓力急劇上升 從而破壞液壓系統(tǒng)，甚至?xí)劤墒鹿?。因此要在液壓泵的旁邊并上一個(gè)降壓回路， 這樣可以 減小液壓泵的 壓力 ，實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。 3． 空載卸荷與過載保護(hù)的 具體 過程 本系統(tǒng)中的卸荷、過載保護(hù)回路 如圖 所示，先導(dǎo)溢流閥 4 與二位二通電磁換向閥 組成此回路，其中先導(dǎo)溢流閥的遠(yuǎn)程控制口 K 通過換向閥接回油箱。 當(dāng) 1TD 失電時(shí)， 系統(tǒng)卸荷；當(dāng) 1TD 得電時(shí)，液壓系統(tǒng) 在溢流閥的調(diào)定壓力下正常工作 ，當(dāng) 閘門由于意外造成系統(tǒng)壓力急劇上升時(shí)， 溢流閥開始溢流，系統(tǒng)過載 保護(hù) 。 自動(dòng)防下滑功能 閘門因自身重力的作用 以及 油液的泄露，會(huì)導(dǎo)致閘門產(chǎn)生不同程度上的下滑 ， 使 閘門開度與預(yù)先的設(shè)定值有所偏差，影響閘門啟閉的精度 。當(dāng) PLC 檢測(cè)到下滑位移大于設(shè)定值時(shí)，首先發(fā)出下滑報(bào)警信號(hào) ，同時(shí)啟動(dòng) PLC 程序自動(dòng)提升閘門，直到回到原來位置。 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)同步方案與策略研究 在一泵多缸的系統(tǒng)中 ，盡管液壓缸的有效工作面積相等，但是由于運(yùn)動(dòng)中所受負(fù)載不均衡 ，摩擦阻力也不相等 以及制造上的誤差等，不能使液壓缸同步動(dòng)作。同步回路的作用就是為了克服這些影響，補(bǔ)償他們?cè)诹髁可纤斐傻淖兓? 開、閉環(huán)控制系統(tǒng)的介紹 使兩個(gè)或兩個(gè)以上的液壓缸 ，在運(yùn)動(dòng)中保持相同位移或相同速度 的回路稱為 同步回路。同步控制分為 開環(huán)控制與閉環(huán)控制兩種。 由自動(dòng)控制原理可知，開環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是輸出與輸入 之間 不存在反饋 ，開環(huán)系統(tǒng)的控制精度 主要取決于液壓系統(tǒng)中液壓元件 的精度 ，因此在要求系統(tǒng)精度較高的 環(huán)境中不宜采用開環(huán)控制。 閉環(huán)同步控制 通過對(duì)輸出量進(jìn)行檢測(cè)、反饋 ，從而構(gòu)成反饋閉環(huán)控制，在很 大程度上消除或抑制 不良因素的影響，從而獲得高精度的同步驅(qū)動(dòng) 。綜上，本系統(tǒng)采用的是閉環(huán)控制， 即從液壓缸的上腔引出一條回路至油箱。 同步控制策略的研究 同步回路分為 流量同步、容積同步、 伺服 同步。下面對(duì)這三種同步回路 予以簡(jiǎn)單的介紹 。 容積同步回路又稱為串聯(lián)同步回路， 如圖 所示 ，圖中第一個(gè)液壓缸回油腔 排出 的 油液，被送入第二個(gè)液壓缸的進(jìn)油腔。 即圖中 1 缸的右腔排出的油液被送入到 2 缸的左腔中去 。為了達(dá)到同步，缸 1 右腔的面積必須與缸 2 左腔的面積相等。 這種回路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 。但是一般不用在 水利工程中 。因?yàn)樗こ讨胁捎玫囊簤簡(jiǎn)㈤]機(jī) 往往都是大容量 ，活塞桿行程長(zhǎng)， 若采用此回路，對(duì)液壓缸的面積要求精度高，也難以控制。 13 圖 容積同步回路 圖 流量同步回路 Synchronized circuit of volume Synchronized circuit of flow 2．流量控制式同步回路 流量控制式同步回路大體上 可分為調(diào)速閥控制同步回路、電液比例調(diào)速 閥控制同步回路以及電磁換向閥控制同步回路。 （ 1） 調(diào)速閥控制的同步回路 如圖 所示為兩個(gè)并聯(lián)的液壓缸分別用調(diào)速閥控制的同步回路 。兩個(gè)調(diào)速閥分別調(diào)節(jié)兩缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)兩缸運(yùn)動(dòng)同步時(shí)，則流量也調(diào)整的相同 ；若兩缸不同步，則改變調(diào)速閥的流量 便能 使 雙缸同步 。此法同樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且可以調(diào)速，但是由于受到油溫變化以及調(diào)速閥性能差異等影響 ，同步精度較低，一般在 5%～ 7%左右。 （ 2） 電液比例調(diào)速閥控制回路 此回路中 使用了一個(gè)普通調(diào)速閥和一個(gè)比例調(diào)速閥 ，由4 個(gè)單向閥組成的橋式回路包圍著，它們分別控制兩個(gè)液壓缸的運(yùn) 動(dòng)。當(dāng)兩 缸不同步時(shí)，檢測(cè)裝置就會(huì)發(fā)出信號(hào) ，調(diào)節(jié)比例調(diào)速閥的開度，使雙缸同步。這種回路的同步精度高 ，位置精度可達(dá) ，能夠滿足大多數(shù)工作部件所要求的同步精度。 （ 3） 電磁換向閥 控制同步回路 本液壓系統(tǒng)的同步控制方案 采 用此種同步回路 ， 同步 回路由圖 中二位二通電磁閥 、 ， 節(jié)流閥 、 ， 以及三位三通電磁閥 8 組成。 當(dāng)雙缸運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)不同步時(shí) ，根據(jù)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情況 ，控制 三位三通 換向閥 8 的電磁鐵 4DT、 5DT的得失電 ，從而改變液壓缸中的油量，達(dá)到同步控制目的。 此方法控制簡(jiǎn)單，耐油液污染能力強(qiáng) ， 成本較低， 并且可實(shí)施較高精度的連續(xù)調(diào)節(jié) ，但其控制精度不如 伺服同步控制 。 液壓伺服系統(tǒng)通常采用電液伺服閥 ，且多為閉環(huán)控制，以傳遞信息為主，傳遞動(dòng)力為輔 ，追求控制特性的完善 。 伺服同步控制 能形成精確的控制 系統(tǒng) ，其控制質(zhì)量 受工作條件變化的影響較小 。但是精密的液壓 控制 元件 抗污能力差，對(duì)工作液的清潔度要求高。并且液壓傳動(dòng)裝置對(duì)油溫和負(fù)載變化都比較敏感，不適宜在低溫及高溫下工作。 糾偏原理與控制流程研究 14 上文已經(jīng)提出了雙缸運(yùn)行不同步的原因及其解決方案 ，實(shí)際上解決雙缸運(yùn)行不同步 的過程便是糾偏的過程 。本系統(tǒng)采用電磁換向閥控制同步回路 ，其與 PLC 的連接如圖 所示 。兩個(gè)液壓缸分別接上閘門開度儀， 以檢測(cè)閘門 兩端的開度 。 閘門開度儀再把檢測(cè)出來的閘門開度送入到 PLC 中 ，經(jīng)過比較后，通過用戶編制的 PLC 梯形圖程序 ，來控制三位三通電磁換向閥中電磁鐵的得失電，從而實(shí)現(xiàn)了 閘門左右的糾偏 。 閘門糾偏有左超糾偏與右超糾偏之分 。左超表示在閘門啟閉運(yùn)行過程中 ，閘門左端 開度高于閘門右端 開度 ；右超表示在閘門啟閉運(yùn)行過程中 ，閘門右端開度高于閘門左端 開度 。 當(dāng)閘門左超時(shí) ，電磁鐵 4DT 得電（相對(duì)于圖 ）， 右缸中活 塞下降，推動(dòng)閘門右端下降，最終使閘門左右開度相等 ； 同理 ，當(dāng)閘門右超時(shí) ，電磁鐵 5DT 得電 ， 左缸中的活塞下降 ，推動(dòng)閘門左端下降，最終使閘門左右開度相等。