《全数字集成式筒形阀电液同步控制系统》包括液压控制系统和电气控制系统。其特征在于:所述液压控制系统包括数字量化缸,所述的数字量化缸包括缸体(2)、活塞(3)、机械反馈机构(4)、接力器位移传感器(5)、反馈耦合机构(6)、耦合齿轮(7)、数字阀(8)、液控单向阀(9)、步进电机(10)。所述数字阀(8)与步进电机(10)相连,所述耦合齿轮(7)安装在反馈耦合机构(6)与数字阀(8)阀芯之间。所述耦合齿轮(7)上安装有接力器位移检测传感器(5),所述机械反馈机构(4)连接反馈耦合机构(6)和活塞(3)。所述电气控制系统包括控制部分和功率部分,所述控制部分包括可编程序控制器;所述功率部分包括电源转换装置、电源选择装置、UPS电源、步进电机控制器。
机械反馈机构(4)的滚动螺旋传动螺母,固定在活塞(3)上;所述机械反馈机构(4)的反馈传动螺旋杆,通过反馈耦合机构(6),与耦合齿轮(7)、数字阀(8)阀芯螺旋耦合。机械反馈机构为扭转螺旋体,传感器为多圈旋转绝对位置编码器,数字量化缸数量为一个或者多个,可编程序控制器,包括机架、电源模块、CPU模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、步进电机控制模块、通讯模块。电气控制装置供电电源为220伏DC电源和220伏AC电源。
全数字集成式筒形阀电液同步控制系统,关键部件是组成液压控制系统基本单元的数字量化缸。数字量化缸是一个主动控制的液压执行机构。
全数字集成式筒形阀电液同步控制系统的液压控制系统,就是由几个基本单元---数字量化缸组成。数字量化缸的数量,就是筒形阀所需要接力器的数量。筒形阀所需要接力器的数量,是由设计计算决定。
在每个接力器顶部,安装有一套精密数字量化液压控制装置。液压控制装置与筒形阀接力器集成在一起,成为一个有机的整体,通过与接力器活塞巧妙联接的内置式高精度机械位置反馈机构,对筒形阀操作接力器的运动速度、位置进行实时反馈,形成位置闭环,速度可控,自动完成接力器的数字化运动操作。
我们把液压控制装置与筒形阀接力器的集成体,称为数字流体缸(简称:数字缸),更准确的应该称为数字量化缸(简称:数字缸)。
数字量化缸就是带精密数字量化液压控制装置的接力器,即我们将接力器完全精密数字量化。数字量化缸是一个高度集成的液压控制元件。它由缸体(2)、活塞(3)、机械反馈机构(4)、接力器位移传感器(5)、反馈耦合机构(6)、耦合齿轮(7)、数字阀(8)、液控单向阀(9)、步进电机(10)等组成。集成在数字量化缸内的步进电机(10),就是电气-液压控制系统的接口,它有如调速器的电液转换机构。步进电机(10)接收计算机发出的数字脉冲信号而转动,该转动带动数字阀(8)阀芯运动,通过反馈耦合机构(6)将阀芯旋转运动转变为直线运动,该直线运动打开数字阀(8)的阀口,从而将液压油引入操作接力器,并由液压油源驱动操作接力器活塞前进或后退。
在接力器活塞上,安装有可逆传动的机械反馈机构(4),机械反馈机构(4)是一种扭转螺旋体。机械反馈机构(4)的滚动螺旋传动螺母,固定在活塞(3)上;机械反馈机构(4)的反馈传动螺旋杆,通过反馈耦合机构(6),与耦合齿轮(7)、数字阀(8)阀芯螺旋耦合。在活塞(3)前进或后退过程中,由活塞(3)带动装在其上面的机械反馈机构(4)中滚动螺旋传动螺母的旋转运动,转化为反馈传动螺旋杆的直线运动。机械反馈机构(4)的直线运动,通过反馈耦合机构(6),一方面作用于数字阀(8)阀芯,使阀芯回到动作前原位,形成位置负反馈;另一方面作用于耦合齿轮(7),带动接力器位移传感器(5)转动,将活塞(3)的实际位置检测出来。
当步进电机(10)接收到电气控制系统发出的一个数字脉冲控制信号时,接力器活塞(3)就移动一个固定的行程(如0.01毫米)。这个固定的行程值,称为数字量化值,数字量化值单位为毫米。
根据系统控制精度的不同要求,数字量化值K可设计为0.01毫米、0.02毫米、0.05毫米、0.1毫米、0.5毫米、1.0毫米等。
数字量化值是由设计确定。通过内部一套机械反馈机构,严格保证控制脉冲与接力器活塞移动的对应关系,数字量化值。将接力器活塞的移动完全数字量化,使接力器活塞的移动量,只与控制脉冲数量有关。
在反馈耦合机构(6)与数字阀(8)阀芯之间,装有耦合齿轮(7),耦合齿轮(7)伸出轴上,安装有接力器位移检测传感器(5),传感器是一个多圈旋转绝对位置编码器,使之能准确知道接力器活塞(3)的实际位置。
在设计上,保证接力器活塞移动10毫米,编码器旋转1圈。编码器旋转1圈,有8192个测点;这意味着位移测量装置的分辨率为10毫米÷8192≈1.22微米,即精度可达1.5微米,10毫米的行程可分为8192个测点来检测。
数字量化缸的控制油路上,集成有液控单向阀(9),它用于系统压力油源消失闭锁,防止筒形阀在开启位置下滑。
在步进电机(10)的端部,有一个伸出轴。用工具手动旋转步进电机(10)的伸出轴,犹如给步进电机(10)施加控制脉冲信号,同样可以精确控制数字量化缸活塞运动。提供无电源时的纯手动操作。
数字量化缸将原来复杂的位置闭环和速度控制,变成了简单的数字脉冲控制。这样,既简化了控制系统,也简化了系统结构,同时提高了响应速度。
由于液压控制装置的所有元件均装在接力器内部,大大提高了系统的安全性和可靠性,大大提高了系统的抗干扰能力。这种结构特别适宜于恶劣的工作环境和粗放的维护水平,提高了设备的可靠性,基本上可以做到现场零调试和零维护,长期稳定工作。
数字量化缸还有一个特点,其活塞杆移动位移的实际误差是由设计、生产、装配决定的,在接力器活塞杆移动过程中,只有一个基础误差,没有累积误差。
数字量化缸接口,包含液压接口与电气接口。
液压接口:每只数字量化缸有一个油口P接压力油源(电液同步控制系统图中的P、X为同一油口);一个油口接排油(电液同步控制系统图中的T、Y为同一油口)。只需将数字量化缸的P油口,T油口,分别接到2根环形油管(1根压力油管P,1根回油管T)上,环形油管直接连接到电站油压设备,中间不再有其它液压设备及器件。
电气接口:电气控制系统与液压控制系统之间主要有2个电气接口,步进电机、位移传感器。步进电机是将电气系统控制信号,转化为液压控制系统执行机构;位移传感器是将液压控制系统执行情况,通过数字量化缸活塞的位置、行程变化,反馈给电气系统。步进电机、位移传感器通过电缆与筒形阀电气控制盘相连。
接力器位移检测传感器,是一个多圈旋转绝对位置编码器。与接力器活塞相连的传动机构与数字阀阀芯之间,装有耦合齿轮,编码器安装在耦合齿轮伸出轴上。耦合齿轮将接力器活塞直线运动,转变为旋转运动,在设计上,严格保证接力器活塞移动10毫米,编码器旋转1圈。这样,就将接力器实际位移,通过编码器检测出具体的实际位置。
电气控制系统附图是以6个接力器为例,对多只(3至12只)接力器,系统图相同,只是增减接力器数量即可。
控制部分由PLC、触摸屏、空气开关、继电器、信号灯、切换开关、控制按钮、接线座组成。
功率部分由电源转换装置、24伏DC电源选择装置、UPS电源、步进电机控制器、空气开关、继电器、信号灯、接线座组成。
电气控制装置的核心部分为PLC,由它控制与操作筒形阀开启、关闭,所有显示都在触摸屏界面上实现。现场操作命令,既可在触摸屏界面上操作,也可以在控制部分面板上操作。
可编程序控制器包括机架、电源模块、CPU模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、步进电机控制模块、通讯模块等。所有输入、输出模块,除筒形阀电气控制装置自己控制使用外,预留有一定余量的开关量输入、输出通道,模拟量输入、输出通道。
电气控制装置由220伏DC、220伏AC两类电源供电。220伏DC电源、220伏AC电源实现多路冗余。
正常状态下,第一个电源转换装置由第一路220伏AC供电,提供第一路24伏DC电源。当第一路220伏AC电源消失时,自动切换由220伏DC供电,由第二个电源转换装置,提供第二路24伏DC电源(第二路24伏DC电源始终处于热备用状态)。当第一路220伏AC电源恢复时,又自动恢复由第一路220伏AC供电。若第一路220伏AC电源、220伏DC同时消失,第一路24伏DC电源、第二路24伏DC电源也就同时消失,此时,就完全由第二路220伏AC电源供电,经第三个电源转换装置,提供第三路24伏DC电源,以保证筒形阀电气控制装置的可靠性。
第二路220伏AC电源,跨接在UPS电源上,正常状态下,UPS电源处于浮充状态。UPS电源的输出,一方面提供给第三个电源转换装置,使第三路24伏DC电源始终处于热备用状态;另一方面提供步进电机功率驱动模板220伏AC电源。这样即使外接220伏AC、220伏DC完全消失,UPS电源也可保证在一定时间内,筒形阀电液同步控制系统可以操作,就大大提高数字量化缸筒形阀电液同步控制系统的可靠性。
第三路220伏AC电源,提供控制部分内照明、通风风扇、电加热防潮、两相电源插座、三相电源插座等电源。
接力器位移传感器的24伏DC电源,由电气控制装置提供。位移传感器与电气控制装置之间信号接口,采用数字量通讯。
全数字集成式筒形阀电液同步控制系统,控制筒形阀开启、关闭,由多只数字量化缸驱动。正常工作时,只要由筒形阀电气控制系统,按照编制好的程序,向多只数字量化缸上步进电机输出同频率、同数量的控制脉冲信号;筒形阀即可按给定的运行曲线高精度同步升降;脉冲频率代表接力器运行速度,脉冲总数代表行程,一一对应。
如果需要单独动作筒形阀某个数字量化缸时,只须给需要单独的数字量化缸发控制脉冲信号即可。这为筒形阀的初期安装、调试、纠偏、矫正提供了极大的方便。
集成于数字量化缸上的位移传感器,实时检测各数字量化缸实际位置、行程,并将检测信号实时送到筒形阀电气控制系统,筒形阀电气控制系统接收数字量化缸位置、行程信号,并测量、监视、分析、处理,并同时判定多只数字量化缸同步情况。
虽然筒形阀开启、关闭,在同频率、同数量的脉冲信号控制下,可以保持多只数字量化缸高精度同步升降运动。但为了增加系统可靠性,我们还是将数字量化缸位移传感器信号,送入电气控制系统,一方面做系统显示、另一方面构成一个大的闭环控制系统,既完成测量、监视、分析、处理等功能,使整个系统具备双重分布闭环控制功能。
保持筒形阀多只数字量化缸同步,是筒形阀控制中的重要环节。多只数字量化缸是否同步,我们通过多只数字量化缸位移信号,来测量、判定。多只数字量化缸的实际位置、行程,是由位移传感器、位移测量单元共同完成。位移传感器集成于数字量化缸内,位移测量单元在电气控制盘内。