調(diào)速器的發(fā)展趨勢(shì).doc

調(diào)速器問(wèn)世百余年來(lái)，服務(wù)于各廠站的同時(shí)自身也在不斷的發(fā)展、更新。目前，總體來(lái)說(shuō)調(diào)速器的發(fā)展有三大趨勢(shì)：1、 由常規(guī)油壓向高油壓發(fā)展。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期以來(lái)一直被廣泛用作水輪機(jī)調(diào)速器這種重載伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它具有能容比大、慣性小、響應(yīng)快、功率放大系數(shù)大、運(yùn)行平穩(wěn)、負(fù)載剛度大等特點(diǎn)。隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，其他許多采用液壓系統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域早已實(shí)現(xiàn)了高油壓化，微機(jī)調(diào)速器也有從常規(guī)油壓（2.5MPa、4.0MPa）向高油壓發(fā)展的趨勢(shì)。采用高油壓的調(diào)速器利于實(shí)現(xiàn)小型化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化。2、 機(jī)電轉(zhuǎn)換接口控制方式從間接數(shù)字控制向直接數(shù)字控制發(fā)展。所謂間接數(shù)字控制是指微機(jī)控制信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)（如010V、410mA等）后，再經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)電液伺服系統(tǒng)的控制方式。該方式必須通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，其主要存在以下問(wèn)題：（1）由于控制器存在模擬電路，易產(chǎn)生溫漂和零漂。（2）多了D/A環(huán)節(jié),降低了可靠性。（2）閥的外控特性表現(xiàn)出滯環(huán)，消除滯環(huán)使閥的造價(jià)大大增加，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性降低。（3）整體式磁性材料由于鐵損引起的溫升嚴(yán)重。而直接數(shù)字控制不通過(guò)D/A接口，微機(jī)控制信號(hào)直接以數(shù)字開(kāi)關(guān)信號(hào)與電液伺服系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，消除了間接數(shù)字控制存在的上述問(wèn)題，使整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，并實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字化，應(yīng)用前景非常廣闊。3、 整體制造及零配件從各廠家獨(dú)立制造向標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。長(zhǎng)期以來(lái)，雖然各調(diào)速器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的調(diào)速器規(guī)格基本一致，但是調(diào)速器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、各零部件不盡相同，不僅給用戶(hù)帶來(lái)檢修、維護(hù)不便，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。水輪機(jī)調(diào)速器的分類(lèi)方法較多，按調(diào)節(jié)規(guī)律可分為PI和PID調(diào)速器；按系統(tǒng)構(gòu)成分為機(jī)械式調(diào)速器（機(jī)械飛擺式）、電液式調(diào)速器及微機(jī)調(diào)速器；實(shí)際應(yīng)用中常用是以下幾種區(qū)分方式：1、按我國(guó)水輪機(jī)調(diào)速器國(guó)家型譜以及調(diào)速器行業(yè)規(guī)范，調(diào)速器分為：中、小型調(diào)速器；沖擊式調(diào)速器；大型調(diào)速器等。中、小型調(diào)速器以調(diào)速功大小來(lái)區(qū)分，沖擊式調(diào)速器以噴針及折向器數(shù)目來(lái)區(qū)分，大型調(diào)速器以主配壓閥名義直徑來(lái)區(qū)分。調(diào)速器分類(lèi)表小型調(diào)速器中型調(diào)速器大型調(diào)速器接力器調(diào)速功W1000Kg.m1000Kg.mW7500Kg.mW7500Kg.m2、微機(jī)調(diào)速器依據(jù)調(diào)節(jié)器（電氣部分）及機(jī)械液壓系統(tǒng)（機(jī)械部分）的不同形式，有以下區(qū)分：2.1按調(diào)節(jié)器的硬件構(gòu)成有單片機(jī)、工控機(jī)、可編程控制器三大類(lèi)調(diào)節(jié)器。其中單片機(jī)、單版機(jī)構(gòu)成的調(diào)節(jié)器由于可靠性差、故障率高等多方面原因，已趨于淘汰。目前可編程控制器以其高度的可靠性成為調(diào)節(jié)器構(gòu)成首選。2.2機(jī)械液壓系統(tǒng)依據(jù)電液轉(zhuǎn)換電液轉(zhuǎn)換方式分為：電液轉(zhuǎn)換器類(lèi)、電機(jī)類(lèi)、比例伺服閥類(lèi)、數(shù)字閥類(lèi)。其中電液轉(zhuǎn)換器類(lèi)已基本為市場(chǎng)淘汰，其他幾種均有不同廠家生產(chǎn)。3、按照調(diào)速器的適用機(jī)組類(lèi)型分為：沖擊式調(diào)速器、單調(diào)、雙調(diào)。沖擊式調(diào)速器適用于沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組；單調(diào)適用于無(wú)輪葉調(diào)節(jié)的混流式、軸流定槳式等水輪發(fā)電機(jī)組；雙調(diào)適用于有輪葉調(diào)節(jié)的軸流轉(zhuǎn)槳式、燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。微機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)器（電氣部分）如何選型？目前微機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)器硬件構(gòu)成有單片機(jī)、工控機(jī)、可編程控制器三大類(lèi)調(diào)節(jié)器。單片機(jī)、單板機(jī)是微機(jī)調(diào)速器早期的調(diào)節(jié)器產(chǎn)品，系各調(diào)速器廠家根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)任務(wù)需要，選擇如8051、8086、8096等微控制器（MCU）為硬件基礎(chǔ)，自行設(shè)計(jì)線(xiàn)路板構(gòu)成調(diào)節(jié)器。由于可靠性低、抗干擾能力差等原因，故障率高。為提高調(diào)節(jié)器的可靠性，減少故障率，后提出以雙機(jī)冗余方式構(gòu)成雙微機(jī)調(diào)節(jié)器，但由于缺乏專(zhuān)業(yè)的抗干擾設(shè)計(jì)，生產(chǎn)上又缺乏嚴(yán)格的元器件老化、篩選過(guò)程以及嚴(yán)格的焊接工藝保證等多方面原因，未能根本解決可靠性問(wèn)題。因此逐步退出了市場(chǎng)，但由于成本低廉，依然有些廠家生產(chǎn)。后隨著基于IPC（工業(yè)控制微機(jī)）和PLC（可編程邏輯控制器）等通用處理器平臺(tái)的不斷發(fā)展完善。國(guó)內(nèi)迅速的將可靠性能高的IPC和PLC等通用微機(jī)平臺(tái)應(yīng)用于水輪機(jī)調(diào)速器領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)器的硬件可靠性的進(jìn)步，放棄了以單板機(jī)、單片機(jī)及基于8098、8086等的雙微機(jī)作為主機(jī)硬件平臺(tái)的專(zhuān)用調(diào)節(jié)器之路。IPC（工業(yè)控制微機(jī)）是通過(guò)對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）的板路、內(nèi)存以及機(jī)箱等進(jìn)行專(zhuān)門(mén)電磁兼容設(shè)計(jì)，使它能應(yīng)用于環(huán)境惡劣的工業(yè)控制環(huán)境的PC。其特點(diǎn)是：程序移植性強(qiáng)；能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)等。但由于其硬件設(shè)計(jì)還是基于商用個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，而且軟件平臺(tái)必須基于windows或liux等操作系統(tǒng)上，因此其可靠性還是比完全針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的PLC（可編程邏輯控制器）少一個(gè)數(shù)量級(jí)。正是由于這個(gè)原因，近年各IPC（工業(yè)控制微機(jī)）廠家紛紛推出按PLC總線(xiàn)構(gòu)架的工業(yè)控制微機(jī)（PCC）。與常規(guī)PLC相比較，PCC最大的特點(diǎn)在于其類(lèi)似于大型計(jì)算機(jī)的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，支持多任務(wù)并發(fā)處理。其可靠性到?jīng)]有很大提高。PLC（可編程邏輯控制器）是專(zhuān)門(mén)為解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境而誕生的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其高可靠性已得到廣泛的驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)將其應(yīng)用于水輪機(jī)調(diào)速器后，以其優(yōu)異的高可靠性能立即成為調(diào)速器的主流方向。目前出現(xiàn)的各種調(diào)速器控制系統(tǒng)還沒(méi)有比PLC可靠性更高的，因此宜優(yōu)先選用PLC作為調(diào)速器的調(diào)節(jié)控制核心。調(diào)節(jié)器應(yīng)選用雙微機(jī)系統(tǒng)還是單微機(jī)系統(tǒng)？由于調(diào)節(jié)器硬件平臺(tái)的演變，我國(guó)微機(jī)調(diào)速器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從單微機(jī)系統(tǒng)、雙微機(jī)系統(tǒng)到雙通道容錯(cuò)系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程。一段時(shí)間，基本上公認(rèn)雙通道容錯(cuò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性較高、容錯(cuò)能力較強(qiáng)。但隨著PLC（可編程邏輯控制器）的微機(jī)調(diào)速器的問(wèn)世，由于計(jì)算機(jī)主機(jī)系統(tǒng)的可靠性大幅度提高，人們對(duì)雙微機(jī)系統(tǒng)的必要性提出了質(zhì)疑？為了提高微機(jī)調(diào)速器的可靠性，國(guó)內(nèi)不少?gòu)S家對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了冗余結(jié)構(gòu)。但是，從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的狀況來(lái)看，其故障絕大部分來(lái)自微機(jī)系統(tǒng)外部，元器件特別是大規(guī)模集成電路的故障率畢竟很低，而出自軟件內(nèi)部的問(wèn)題，靠冗余無(wú)法解決；對(duì)于雙微機(jī)系統(tǒng)，多一個(gè)雙機(jī)通訊和檢測(cè)切換電路，多一個(gè)雙機(jī)切換時(shí)的負(fù)荷擾動(dòng)，就會(huì)多一個(gè)故障隱患和不可靠因素。從實(shí)際效果來(lái)看，雙機(jī)系統(tǒng)的硬/軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性不一定比單機(jī)系統(tǒng)高。而且從理論上講，結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單可靠性越高，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可省掉雙機(jī)系統(tǒng)必需的一些通訊、檢測(cè)和切換組件，用戶(hù)以后的維護(hù)也更加方便。從國(guó)外的水輪機(jī)微機(jī)調(diào)節(jié)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，既有單系統(tǒng)、也有雙系統(tǒng)的。但國(guó)外一些著名的調(diào)速器制造公司，如Vioth、ABB、WOODWARD等，均采用了信號(hào)測(cè)量和調(diào)節(jié)處理完全分開(kāi)的設(shè)計(jì)思想，即采用多CPU的結(jié)構(gòu)形式。所以可靠性的提高在于將任務(wù)進(jìn)行合理的劃分，而不是任務(wù)的集中管理。同時(shí)，模塊化的硬件設(shè)計(jì)不僅容易得到可靠性的保證，而且使得軟件的設(shè)計(jì)具有更大的靈活性和針對(duì)性。調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)隨電液轉(zhuǎn)換方式的不同，分為：電液轉(zhuǎn)換器類(lèi)、比例伺服閥類(lèi)、數(shù)字閥類(lèi)及電機(jī)類(lèi)。其中電機(jī)類(lèi)還分為步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)兩類(lèi)。水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器是一個(gè)典型的數(shù)字式液壓位置伺服系統(tǒng)，數(shù)字式液壓位置伺服系統(tǒng)按電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)接口控制方式主要分為兩大類(lèi)：間接數(shù)字控制和直接數(shù)字控制。間接數(shù)字控制是指電液伺服系統(tǒng)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，以模擬量接口實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。比例伺服閥采用420mA的線(xiàn)性電流作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，微機(jī)調(diào)節(jié)器必須通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，以模擬量接口實(shí)現(xiàn)控制，因此比例伺服閥調(diào)速器是一個(gè)典型的間接控制方式的數(shù)字式液壓位置伺服系統(tǒng)。傳統(tǒng)的各類(lèi)伺服閥也都屬于這類(lèi)伺服系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在流體控制系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，數(shù)字化成了一種必然的趨勢(shì)。與間接數(shù)字控制方法相反，控制量不通過(guò)D/A接口，直接以數(shù)字開(kāi)關(guān)信號(hào)與電液伺服系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的方式稱(chēng)為直接數(shù)字控制。目前主要有以下兩種方式實(shí)現(xiàn)：其一是利用數(shù)字執(zhí)行元件步進(jìn)電機(jī)加適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥芯實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制，由于這類(lèi)數(shù)字控制元件一般按步進(jìn)的方式工作，因而常稱(chēng)為步進(jìn)式數(shù)字閥或離散式比例閥。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，這類(lèi)閥具用重復(fù)精度高及無(wú)滯環(huán)的優(yōu)點(diǎn)。其二是對(duì)高速開(kāi)關(guān)閥的（脈寬或脈沖調(diào)制）控制。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)元件的通斷時(shí)間比，以獲得在某一段時(shí)間內(nèi)流量的平均值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)下一級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。在流體動(dòng)力系統(tǒng)中，這種控制方式的控制信號(hào)是開(kāi)關(guān)量，因而是直接數(shù)字控制。該控制方式具有不堵塞、抗污染能力強(qiáng)及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。采用間接控制方式構(gòu)成的系統(tǒng)通過(guò)D/A接口實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，這種方法存在如下缺點(diǎn)：（1）由于控制器中存在著模擬電路，易于產(chǎn)生溫飄和零飄，這不僅使得系統(tǒng)易受溫度變化的影響；同時(shí)，也使得控制器對(duì)伺服閥本身的非線(xiàn)性因素如死區(qū)、滯環(huán)等難以實(shí)現(xiàn)徹底補(bǔ)償。（2）用于驅(qū)動(dòng)比例閥和伺服閥的比例電磁鐵和力矩馬達(dá)存在著固有的磁泄現(xiàn)象，導(dǎo)致閥的外控制特性表現(xiàn)出2%-8%的滯環(huán)，采用閥芯位置檢測(cè)和反饋等閉環(huán)控制的方法可以基本消除比例閥的滯環(huán)，但卻使閥的造價(jià)大大增加，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性降低。（3）由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定，比例電磁鐵的磁路一般只能由整體式磁性材料構(gòu)成，在高頻信號(hào)作用下，由鐵損而引起的溫升較為嚴(yán)重。因此直接數(shù)字控制方式明顯優(yōu)于間接數(shù)字控制方式。作為直接數(shù)字控制方式的步進(jìn)式數(shù)字閥和開(kāi)關(guān)閥相比較：步進(jìn)式數(shù)字閥按步進(jìn)的方式工作，具用重復(fù)精度高及無(wú)滯環(huán)的優(yōu)點(diǎn)。但是，步進(jìn)式數(shù)字閥通過(guò)閥芯的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)將輸入的信號(hào)量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的步數(shù)（脈沖數(shù)），因而存在著量化誤差，通過(guò)增加閥的工作步數(shù)可以減小量化誤差，但卻使閥的響應(yīng)速度大大降低。同時(shí)，步進(jìn)式調(diào)速器必須保留有引導(dǎo)閥和主配結(jié)構(gòu)，造成步進(jìn)式調(diào)速器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工件較多，不具有良好的通用互換性。相較而言，高速開(kāi)關(guān)閥與控制系統(tǒng)的接口更簡(jiǎn)單，且不需要中間環(huán)節(jié)就能構(gòu)成直接數(shù)字控制系統(tǒng)，應(yīng)用前景十分廣闊。將高速開(kāi)關(guān)閥應(yīng)用于水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器，能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字化，構(gòu)成全數(shù)字式調(diào)速器。但由于流量、壓力脈動(dòng)等因素的限制，數(shù)字閥在大型調(diào)速器上的應(yīng)用范圍受到一定的限制，目前僅能應(yīng)用于操作功不大于17000kg.m的非雙調(diào)機(jī)組的調(diào)節(jié)控制。綜上所訴，中小型調(diào)速器選用數(shù)字閥較為適宜，大型調(diào)速器宜選用步進(jìn)電機(jī)（但要注意控制方式參見(jiàn)后述關(guān)于電機(jī)類(lèi)調(diào)速器的比較說(shuō)明）。伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)類(lèi)調(diào)速器的區(qū)別與比較？電機(jī)類(lèi)調(diào)速器分為伺服電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)兩種。伺服電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類(lèi)，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖信號(hào)和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異，從控制精度、低頻特性、距頻特性、過(guò)載能力、速度響應(yīng)能力比較起來(lái)，全數(shù)字式交流伺服電機(jī)無(wú)疑比步進(jìn)電機(jī)優(yōu)異得多。但步進(jìn)電