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摘要 摘要 各种电液阀作为一类重要的执行器件，保证其安全稳定的运行意义重大，因此需要对阀 的运行状态信息进行有效提取和实时监控，以及在出现故障时报警井做出相应的应急处理。 随着整个控制系统规模的扩太及鼹络结构的复杂化，监控网络还需满足系统对筒化网络拓 扑、提高控制智能以及系统的开放性和控制功能的分散化的要求。正是基于这样一种背景， 在综台国内外公开文献的基础上，我们提出了基于电力线载波传输和c e b u s 现场总线的智 能二线阀系统的概念，并对其相关关键技术进行了基础研究。 所研制的智能二线阀之关键技术可分为阀信息提取、二线阀研制、二线信息双向传输等 几个方面。 论文首先对液压阀卡涩、卡紧这一类重要故障现象进行了机理分析和建模，提出了基于 电反射的无传感器捡测新方法并通过仿真和具体实验对其有效性进行了验证。实验结果表 明该方法对卡涩、卡紧故障有较好的识别能力，有良好的工程应用前景。 随后，论文对基于m c u 的智能二线阀单元模块的设计进行了深入研究，提出了m c u 、 c e b u s 现场总线、电力线载波通讯模块相结合的智能二线阀单元模块系统构架，并对一些 具体的技术难题作了实践性研究，给出了解决方案。其中，我们提出的一种无变压器方式的 电力三通，给电力线耦合方式提供了一条新的思路。对该智能二线阀单元模块的实验测试表 明该二线阀单元模块其性能令人满意。 在实验中我们发现电力线信道特性的变化对智能二线阀系统的性能有着比较明显的影 响，从研究的系统性出发同时，也是作为从物理实践到理论研究的一个重要步骤，我们在 第四章中对电力线信道建模和电力线载波通讯进行了仿真研究。文中我们参考传输线理论和 无线传输信道建模中的相关技术建立了电力线阻抗模型和电力线多线瑞利衰落模型。井对 三种主要载波技术在屯力线上的传输性能进行了仿真研究，给出了仿真结果，该基础研究对 国内同行有较大的参考价值。 关键词：智能二线阀、无传感器检测、c e b u s 、现场总线、电力线载波、电力线建模 浙江大学博士学位论文：基于现场总线的智能阀及其信号提取与二线传输模式研究 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n te x e c u t i v ed e v i c e t h eh y d r a u l i cv a l y e ss a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o ni so f m o m e n t o u ss i g n i f i c a n c e s or e a l - t i m em o n i t o r i n go ft h ev a l v e sr u n n i n g s t a t u sa n d d y n a m i c a l l ys e t t i n go f i t sr u n n i n gp a r a m e t e r sa r en d e d a l s ot h ev a l v es h o u l da l a r ma n d h a n d l ef a i l u r ew h e ne r r o ro c c u r s w i l ht h ee x p a n d i n go ft h ew h o l ec e n t r o is y s t e m t h e c o n t r o ln e t w o 水s t t u c t u r ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ec o m p l e xt h ed e m a n df o rs i m p l i f y n e t w o r k t o p o l o g y , e n h a n c et h ec o n t r o li n t e l l i g e n c ea n ds y s t e mc o m p a t i b i l i t y , d i s t r i b u t et h e c o n t r o lf u n c t i o ni sg r o w i n g u n d e rs u c hb a c k g r o u n d w ep r o p o s ean e wi n t e l l i g e n tt w o - w i r e v a l v es y s t e mb a s e d0 np o w e r - l i n ec a r d e rc o m m u n i c a t i o na n dc e b u s t h ek e yt e c h n i q u e si n v o l v e di nt h ei n t e l l i g e n tt w o - w i r ev a l v ea r ev a l v ei n f o r m a 幻n a b s t r a c t i o n ，v a l v ed e v e l o p m e n t , a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fc e b u s ，p o w e r - l i n em o d e l i n ga n d r e s e a r c ho fp o w e r - i i n ec o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e w en r s ta n a l y s i sa n dm o d e it h es t i c kf a i l u r eo fh y d r a u l i cv a l v ea n dp r o p o s esn e w n o n - s e r s o rd e t e c t i o nm e t h o d w e v e r i f y j t s v a l i d i t yb y s i m u l a t i o na n d p r a c t i c a l e x p e r i m e n t s t h ee x p e r i m e n ts h o w s t h a tt h i sm e t h o dc a nw e l ii d e n t i f yt h es t i c kf a i l u r ea n d d op r e d i a g n o s e t h em e t h o da l s oc a nb eu s e dt od e t e c to i lp o l l u t i o nd e g r e e t h e nt h em c ub a s e di n t e l l i g e n tt w o - w i r ev a i v eh a r d w a r ed e s i g n i ss t u d i e d a h a r d w a r ep l a t f o r mc o m b i n i n gm c u ，c e b u sa n dp o w e r - l i n ec o m m u n i c a t i o nm o d u l ei s d e s c r i b e d a n ds e v e r s it e c h n i c a ii s s u e sa r ed i s c u s s e da n dt h e i rp r e c t i c a ls o l u t i o n sa r e p r o v i d e d t h ep r a c t i c a le x p e r i m e n t so ft h ed e s i g n e di n t e l l i g e n tt w o - w i r ev a l v ep r e s e n ta g o o dp r e f e r m e n t w em o d e it h ep o w e r - l i n ec h a n n e i i nc h a p t e r4a st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a t t h ep o w e r - l i n ec h a n n e lo o n d j l j o nh a sc i v i j i z i n gj n f l u e n c eu p o nt h ev a l v e l sc o m m u n i c a t i o n p e r f o r m a n c e h e r ew ee s t a b l i s h p o w e r - l i n e r e s i s t a n c em o d e lb a s eo nt h e o r yo f t r a n s m i s s i o ni i n ew ea l s oe s t a b l i s hp o w e r - l i n ef a d i n gm o d e ir e f e rt ot h ew i r e l e s sc h a n n e l m o d e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h em o d e li sw e l lf i tt o t h er e a lp o w e r - l i n e b a s e do nt h ep o w e r - l i n ec h a n n e im o d e l w ea n a l y s i sa n ds i m u l a l et h ep e r f o r m a n c eo f t h ev a r i e sc o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u eu n d e r t h er e a lp o w e r - l i n ec i r c u m s l a n c ew e p o i n t o u t t h a tt h e h i g hv o l t a g ep o w e r - l i n e c a r d e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ei s n o tf i tt ot h e i o w - p o w e rc a r r i e rc o m m u n i c a t i o nc i r c u m s t a n c ew e a l s od e r i v ea n da n a l y s i st h eb e r p e r f o r m a n c eo f f s km o d u t a t i o ns y s t e mw f t hd i f f e r e n ta m p l i t u d en a r r o wb a n dd i s t u r b a n c e u n d e rd i f f e r e n ts n r a n a l y s i s o f 。pn o n l i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t i o n i s p r o v i d e d c o r r e s p o n d s t oo u rp r a c t i c a le x p e r i m e n t k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tt w o - w i r ev a l v e ，n o n s e n s o rd e t e c t i o n c e b u s ，p o w e r l i n ec a r r i e r p o w e r - l i n em o d e l i n g 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的由来与研究意义 本课题是在国家自然科学基金项目“双向二线智能闭的信息提取、交换和传输方法研究” 的资助下进行的。课题研究对象为电液阀( 滑闽) 监控系统，包括电液阀的信息提取、交换 和传输等。 电液阀在工业系统中具有很关键的作用。相对于传感器、控制器而言，作为一种大功率 执行器件( 从电的角度看) ，电液阀不易冗余且涉及设备、人身安全，所以如何保证它的稳 定和可靠运行是个重要的课题。而电液阀的在线监测、故障诊断和故障预报是保证和提高液 压阀系统运行可靠性，减少运行中维护的关键。现有的液压阀在线监控系统大致存在以下几 个方面问题： 1 电液阀工况信息提取 电液阀信息提取包括状态信息和故障信息提取。目前一般都采用在阀内安装检测装置， 如位移传感器、感应线圈、加速度传感器等m ”的办法来提取信息。这些方法都会增加系统 的成本，更可能带来结构和安装方面的问题。 2 电液阀监控系统的现场总线化和智能化 监控系统规模的扩大带来了网络结构的复杂化问题，网络拓扑结构日趋复杂长距离布 线、交叉布线、动力和信息混台布线也给安装、调试、维修特别是可靠性方面带来许多问题， 系统的成本也会增加。各厂商的监控系统都自成体系，互不相容，给系统的升级和调整带来 了很大问题。从市场的角度看，用户对阀的可控性、可靠性和易维护性的要求越来越高，这 也要求电液阀监控系统具有更高的智能。 3 电液阀信息的二线传输 在智能二线阀系统研究中，采用了低压电力线作为二线传输媒介。但是电力网络是为电 力传输而组建，其传输媒介相对于通信而言是非常恶劣的，这就引出了一个如何对电力线信 道建模以及采用伺种传输技术以保证信号传输的速率和误码率的问题。 针对以上几方面问题，我们分别采用以下几种解决方案： 】采用无传感器电检测方法实现信息提取 考虑到电液闻是机电液系统三者相关联的“节点”，其内部的物理过程必然反映流体、 电路、磁路和机械力诸因素之间的相互联系和相互作用。本文从机械、液压故障对阀内( 电 磁铁内) 电磁过程的影响入手找出了利用阀内电信号( 颤振信号) 提取电液阀信息的方法。 该方法不依赖于任何专门的传感器件，并且有利于以电的方式在线排除故障和实现与计 算机的信息变换，为液压系统在线检测、故障诊断、故障预报和在线排除提供了新的思路。 由于电液闽工况信息种类很多，研究不可能面面俱到。本文主要研究阎芯卡紧、g - 涩故 障这一类重要的故障信息，为以后将该检测方法推广到检测其它类型工况信息打下了基础。 2 采用基于现场总线的智能二线阀系统以实现现场总线化和智能化 目前蓬勃发展的现场总线技术有望使系统的网络拓扑最简化和开放化，提高各网络节点 的“智能”。而新兴的低压电力线载波技术则可以实现功率和信息混合传输，真正实现“二 线制”现场总线即无须布线，即插即用。 考虑到电液阀单元所处的工业现场环境及其安培数量级的驱动电流本文将低压电力线 扩频载波传输和基于改进的c e b u s 现场总线技术相结台，实现了这一全分散型的 业级监 控网络。大大提高了电液阀的智能，使电液阀的引出线减少到晟低，简化了蒯和总线之间的 塑鋈查兰堕! ：兰垡堡兰! 苎主翌塑璺丝竺塑壁塑墨基堕! 塑坚兰三些堡塑堡茎堡壅 连线结构，同时也节省了成本，提高了可靠性，便于日常维修和维护a 3 低压电力线建模研究和扩频传输技术研究 参考传输线理论，提出了确定网络拓扑的低压电力线阻抗模型。借鉴无线传输领域的二 线瑞利衰落模型，结合电力线信道实际特性，提出了网络拓扑未知情况下的低压电力线多线 瑞利衰落模型。 对几种主要载波传输方式在低压电力线信道上的传输性能进行了比较研究，并给出了非 线性调频方式的扩频载波在电力线信道下的传输性能仿真分析。 该部分基础研究较好地解决了低压电力线建模和传输性能问题对国内同行有较大的参 考价值。 以上几个方面问题的圆满解决可望使整个液压监控系统实现二线制的功率型现场总线 网络，前端电液阀节点具有高度分散的智能任何节点的失效都不会影响其他节点的正常运 行，具有很强的鲁棒性。同时电液阀通过电源插座就可以方便地接入到基于电力线的现场总 线网络中，可实现即插即用。采用无传感器方式的工况检测和二线最简传输媒介还可以将系 统费用降到虽低，而且便于安装、调试、维修，特别是提高了系统的可靠性。 1 2 智能二线阀综述 一个智能闻系统无论其复杂程度如何，大体都由以下几部分关键因素组成： 微处理器及智能控制软件 传感器 - 网络拓扑结构 传输媒介和传输技术 阀体 所有这些部分结合在一起，形成一体化结构，从而集常规仪表的检测、控制、执行、调 节等功能于一身，更具有智能化的控制、显示、故障诊断、失效保护和通讯等多种功能。 目前国内有关单位如上海工业自动化仪表研究所、浙江大学工业控制技术研究所等单 位对现场总线、h a r t 标准进行了跟踪和多方面的研究。其中浙江大学工业控制技术研究所 已研制出了基于h a r t 协议的智能化现场仪表。 受现场总线和微电子技术发展的推动，国外一些机构也已开始研究各种数字阀集成单元 和能与现场总线联网的机电一体化阀单元，研究的重点主要是通过双向通讯增添阀单元的监 洲和智能功能。例如，美国f i s h e r 控制信息中心、芬兰n j 公司开发的能与总线标准兼容 具有监测和控制功能的集成阀单元：美国p a r k e r 公司研制的具有一定智能功能的数字电液 比例阀【b 4 8 4 ：德国f e s t o 公司也开发出了新一代带现场总线接1 3 的气动阀岛和带a s i 接 口的气动阀岛，可以和a s i 现场总线及其它现场总线进行信息交换”j ：德国亚琛r w t h 流体传动研究所自从1 9 9 4 年中期开始研制的智能液压轴也采用了i n t e r b u s 现场总线来 连接液压轴的主要工作点i “i 。 但国内尚未见到有关直接从事阀单元相关研究的报道。从国内外的研究现状看，液压行 业监控系统的现场总线化不可避免，但目前已有的研究主要着眼于气动元件的现场总线化和 智能阀方面，而对于液压行业中，特别是要求较大功率的电液阀之类的液压元件的现场总线 化，简化传感器系统，总线直接供电方面相结合的研究未见报道。 下面我们就智能阀研究的几个关键技术，即阀信息提取、工业监控系统、电力线通讯等 相关文献进行综述。 第一章绪论 1 2 1 电液阀信息提取综述 电液阀的不同状态和故障信息需要采用不同的传感技术来检测，在这里我们不可能面面 俱到。下面我们仅就液压阀中有较大危害的一类故障，即液压阀( 滑阀) 的卡紧、卡涩故障 检测来进行综述i a 4 。 现有的液压阀( 滑阀) 卡紧、卡涩检测形式有以下两种。 电磁感应检测法6 l 滑阀工作时，阀芯上叠加有微小的往复运动( 颤振) ，当阀芯卡涩或卡紧时，阎芯上的 蓟振就会减弱或消失。据此可将一磁铁固接于电磁推杆上，外加一线圈，通过检测线圈中感 应电流的有无即可将卡涩、卡紧故障信号取出，如图1 1 所示。 l 嚣戗王一电毫蕺工棒穗捆3 鼍基慧域 图i1 电磁感应法检测电液阀卡涩、卡紧原理图 2 位移或加速度传感器检测法6 j 一般电磁阀的阀芯上带有位移传感器，位移传感器向控制放大器提供一个反馈信号，通 过闭环配置控制电磁铁的行程，以保证准确定位。这样当阀芯卡紧时，可由位移传感器将卡 紧故障信号取出，如图1 2 所示。同理，加速度传感器可以根据阀芯卡涩、卡紧时酾振信号 频率的变化来检测卡涩、卡紧故障。 图【2 利用位移或加速度传感器检测电液阀卡涩、卡紧原理图 浙江大学博士学位论文：基于现场总线的智能阀及其信号提取与二线传输模式研究 这两种检测方法较简明，都可咀实现卡涩、卡紧故障信号的检测。但由丁它们都需要额 外添加检测装置，增加了系统成本，更可能带来结构干安装方面的问题。 而本文采用的无传感器检测方法不依赖于任何专门的传感器件，并且有利于以电的方式 在线排除故障和实现与计算机的信息交换，节省了成本，为液压系统在线检测、故障诊断、 故障预报和在线排除提供了新的途径。 1 2 2 工业监控系统发展综述 工业监控系统的发展大致可分为以一f j l 个阶段。 i 从手工操作到单回路调节器 早期的监控，以现场或泵室内的手动操作为中心，操作人员通过巡检温度、压力表读数 来随时手动操作调节阀的开度，以达监控目的。到4 0 一5 0 年代，引入了控制室集中操作概念， 把操作员从严酷的现场操作中解放出来。到了6 0 年代，随着电子技术的发展模拟式电子 仪表开始普及。当时的调节器，基本上是一台控制一个回路的单回路调节器。因此可以说 在早期的控制系统中，基本上不存在网络的概念 b 1 6 ) 。 2 计算机集中控制系统 6 0 年代中期，计算机在监控系统中开始应用。首先是s p c 控制。继而在一部分工厂中 采用计算机输出的直接数字控制( d d c ) 。在d d c 控制中，由于一个c p u 担当全部功能， 功能太集中，危险也就太集中，故c p u 的可靠性成了最大的问题，从而影响了它的推广使 用。不过，数字技术从此开始被运用于控制中”“，对分散式控制模式的研究也逐步展开。 3 分散型控制系统( d c 8 ) 】9 7 5 年，世界各大仪表厂商相继发展了分散型控制系统( d c s ) ，以代替计算机直接数 字控制装置( d d c ) 。所谓分散是指功能、危险和地域的分散。它采用分级的控制系统，每 个分支负责一个控制回路，一个分支的失效并不影响其他控制回路，从而大大分散了危险。 而功能和地域的分散性也降低了主机的负担，扩大了监控范围。其不足之处在于，主机的核 心地位还是没有改变，各分支只能完成简单的控制任务，主机的失效会给整个系统带来很大 的危害。且由于其控制系统的封闭性，各厂商之间的设各不能相互兼容。因此，全分散式和 开放式的控制系统的研发被提到了议事日程上采。 4 现场总线控制系统( f c s ) 8 0 年代后期现场总线技术开始迅速发展起来。9 0 年代国际上相继成立了几个现场总 线基金会组织，致力于推动各种现场总线的发展于应刚。现场总线已成为牵动监控系统新变 革的主导技术。 现场总线被定义为f b i s ： 在制造过程领域( 指现场) 的主要自动化装置平f l 生产控制领域( 控制室) 的1 3 动化控 制设备之间通过共用通信介质进行积向传输，同时也可实现可寻址现场设备多点连接。简单 得说现场总线是连接设置在工业现场的仪表与设置在控制室内控制设备的数字化、串行、戏 第一章绪论 向、多站通信网络。就现场总线一词的含义而言，现场是指其工作环境处于生产设备一侧t 而总线则是指传输信息的公共路径，指遵循同一技术规范的连接与操作方式。这些遵守相同 连接规范的设备可通过总线互连为系统，并实现相互操作。 现场总线作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高 级控制管理层之闻的联系。现场总线控制系统既是一个开放通信网络又是一种全分布式控 制系统。从这个意义上来说现场总线是一种新型的阿络自动化系统。它以现场总线为纽带， 把挂接在总线上相关的网络节点组成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报 警、显示、综合自动化等多项功能。是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络 为主要内容的综合技术。 现场总线监控系统相对于传统的集中单回路控制系统或分散( d c s ) 控制系统的优越性 可以从图1 3 得到很好的体现。 画主敞机 至 集中器 i 占包 l 皿商两 传统d c s 阀控系统结构 主控，。机禺i ，需| 转接器叵士l 2 2 0 7 电力线 c e b u 卿场总线控制系统结构 图1 3 现场总线控制系统和传统控制系统结构比较 由图可见，传统的液压监控系统主要采用d c s ( 集散控制系统) ，有的甚至还在使用集 中控制系统或简单的单回路调节器。系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。 位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器问；控制器与位于现场的开关、马达、电液阀 等控制，执行器之间均是一对一连接。由于控制相对集中，系统的可靠性不高，单个节点的 失效往往会造成整个系统运行不正常甚至引发事故。且该类系统中有众多连线，不利于维护 和管理，特别是在老系统改造中需要从新设计整个系统，开放性和可扩展性差。而现场总线 监控系统由于采用了智能现场设各，把控制功能直接置于现场设各之中从而把控制功能、 各输入模块移至现场，实现了彻底的分散控制。且系统的网络拓扑简单，维护方便，不同厂 家的产品可以互联互换，方便系统升级改造。 鉴于现场总线技术代表了自动化技术发展的一个主流方向，国家有关部委也己确定在 】9 9 5 到2 0 0 5 年问技术上要基本完成从目前模拟现场仪表系统到基于现场总线的全数字开放 白动化系统的转化的前景目标，并己开始着手实施。而在国家现场总线专业委员会c f f c 的 九五期间现场总线及其开放自动化系统规划重点和发展方针中，基于现场总线的智能执行器 的研究、开发和工程化己被列入攻关项目 b 2 4 j 。 在我们研究的基于现场总线的液压阀监控系统中，如何将二线制及功率信息混台传输与 现场总线很好地结台在一起是一个急待解决的问题。 浙江大学博士学位论文：基于现场总线的智能阀及其信号提取与二线传输模式研究 1 2 3 电力线通讯技术 电力线通讯指利用电力线为传输介质实现数据通讯和计算机联网，通过电力线传递数 据。电力线通讯已有近百年的历史，早在2 0 年代就有两个有关电力线载波通讯的专利出现 ( 美国专利号1 6 0 7 6 6 8 、1 6 7 2 9 4 0 1 ”) 。 早期的电力线通讯技术采用高压电力线载波，在点对点通讯的两端电力线上装有阻波 器如德国在1 9 2 8 年开发的电力线载波通讯( p l c ) 技术。1 9 3 0 年，西门子公司开发出一种 称为“t e l e n e r g ”技术。这是一种多频处理技术，在2 8 0 6 0 0 h z 的频率上重叠脉冲。1 9 3 5 年德国a e g 公司研制出“f r a n s k o o m a n d o ”方法，即对电网电压进行调幅信息传输采剧 时分多路复用。】9 3 5 年以后，具有时分多路复用的单频方式开发成功。 8 0 年代以来，随着芯片加工业的发展和数字通讯技术的成熟和推广，以f s k 技术为代 表的数字信号载波传输技术开始得到了广泛的应用。如美国国家半导体公司生产的 l m l 8 9 3 l m 2 8 9 3 电力线调制解调芯片，就是利用四种可选的不同频率的载波对信号进行调 制，通讯距离在】5 0 0 m 左右，通讯速率最高为9 6 k h z 。但由于其抗干扰能力差，目前美国 国家半导体公司已停止了该芯片的生产。 进入九十年代以来，随着集成电路技术水平的提高具有抗干扰优势的扩频通讯技术也 迅速得到发展，利用扩频通讯技术使电力线通讯进入了数字通信时代。目前国内外有许多公 司和研究机构正在进行有关电力线通讯技术的研究。 美国a d o p t i v e n e t w o r k 公司生产的a n l 0 0 0 c s 芯片组，只需加上时钟、强电隔离模块即 可构成电力线通讯卡件。日本b u s y c o m 公司己使用该芯片生产出电力线调制解调器通讯 速率可达到1 0 0 k b p s 。美国i n t e l l o n 公司研究出了适用于电力线的扩频数据通讯芯片，这种 芯片的特点是符合c e b u s 标准。德国a s c o m 公司和r w e 公司则着重对电力线电话进行研究， 研究结果表明：电力线通讯能作为本地市话网的补充，还能提供与电力供应相关的服务。在 利用电力线进行 n t e r n e t 网接入的研究方面，当属英国n o r w e b 公司最为出色。 国家电力公司所属的南京自动化研究院和北京电力科学研究院都正在从事电力线通讯 技术的研究。南京自动化研究院着重研究利用1 0 k v 配电线路进行数据通信，其特点是速率 低( 约1 0 k p b s ) ，距离长约( 1 0 公里) ，适合于配电网自动化系统数据传输。北京电力科学研 究院着重研究利用2 2 0 v 低压电力线进行i n t e r a c t 接入+ 其特点是速率高( 数m b p s ) ，距离限 于建筑物内。但具体研究进展未见文献报道o 。j 。 目前还无一款真正适合我国电力线载波通讯的m o d e m 芯片。我国的电网特性、电网结 构、居民住宅分布状况、电力线载波通讯的应用领域等方面与国外有一些不同之处。而且国 外相应的基础研究资料目前尚难以见到，为此，就需要我们根据我国电网特性、工业配电结 构等情况，加上对国外电力线载波通讯技术的深入研究，利用现代通讯技术定制出电力线 载波通讯最佳模式，从而实现智能二线阀传输系统，这也是我们研究的重要内容之一。 1 3 论文的研究内容、创新点和论文结构 i 3 1 研究的内容与目的 本文的研究对象是基于现场总线的智能二线阀监控系统故研究内容也相应得分为以下 儿块。 提出并实现了液压阀卡紧、卡涩故障的无传感器检测： 对电液阀卡紧、卡涩故障时，液压阀内部电磁特性的异变进行了理论研究和推导。在此 6 第一章绪论 基础上，建立了比例阀卡紧、卡涩故障仿真模型，利用s y s t e m v i e w 仿真软件，对不同电参 数变化和检测灵敏度的关系进行了仿真研究。晟后利用自制的故障模拟装置，对无传感器检 测法进行了物理实验，同时给出了加速度传感器对比检测实验。 提出了双向二线智能阀的概念并构建了智能二线阀实验系统，对该系统的通信传输及抗 干扰性能进行了物理实验研究： 对实现智能二线阀的几项关键技术进行了探讨，提出了采用基于改进的c e b u s 和扩频 技术的低压电力线载波方式来实现二线传输的技术方案。对系统软硬件的实际实现中应注意 的几方面问题作了有选择的重点阐述。给出了“无变压器”新型电力三通的实现和仿真研究。 根据实际需要重新设计了p 3 0 0 外部带通滤波器，并对软件抗干扰中的相应问题进行了论述。 通过从2 2 0 v 交流电力网络引出2 0 0 m 电力线，建立了包括一个主控节点和两个现场：什点的 智能二线阀系统的实验构架。实验了通讯的基本指标，验证了交流传输方案的可行性。同时， 通过人为地加入各种干扰信号，模拟了工业现场电力线弼= 境下的系统通讯性能，探讨了在工 业现场实现该系统的可能性。最后给出了初步应用实验研究。 提出了电力线阻抗模型和多线瑞利衰落模型： 比较了高、低压电力线信道特性的不同，指出了低压电力线建模的必要性。参考传输线 理论，推导了电力线非均匀传输线的阻抗公式给出了电力线传输线模型并对其进行了仿真 研究。借鉴无线建模中的二线瑞利衰落模型，结合电力线实际信道特性，提出了电力线多线 瑞利衰落模型，给出了仿真研究。 进行了低压电力线多种调制技术比较研究： 分别按模拟实际电力线信道环境和理想室内电力线环境，研究了在高压电力线载波中得 到成功应用的s s b 调制在低压电力线上的传输性能，指出该技术很难直接移植到低压电力 线载波通讯上。研究了f s k 调制在低压电力线上的性能，对比s s b 载波技术，说明该技术 更适台于低压电力线环境。研究了f s k 技术在同频干扰下的误码率性能。推导了“”型非 线性调频调制、解调公式，并对其在各种干扰下的误码率性能进行了仿真研究。 1 3 2 论文的创新点 本文主要有以下2 个方面的创新点 2 针对传统电液阀卡紧、卡涩故障检测的不足，利用阀芯颤振信号的异变，实现了 电液阀卡紧、卡涩故障的无传感器检测。理论分析、仿真及物理实验表明该方法 具有较高的工程实用价值。 利用单相交流电的二线( 火线和零线) 实现电液阀功率和工况( 控制、检测、反 馈) 信号的二线混合传输：同时采用改进的c e b u s 现场总线协议，实现了电 液阀监控网络拓扑的二线化和现场总线化。解决了阀类器件的网络开放互联、前 端智能化和最简传输媒介要求相矛盾的问题，并给出了理论分析干物理实验验 证。 浙江大学博士学位论文：基于现场总线的智能阀及其信号提取与二线传输模式研究 1 3 3 论文结构 本文共分为5 章，论文总体框架如图1 4 所示。 厂 、 课题的由来和研究意义 ( 绪论( 第一章) ) 上土 信号提职新方法的理论分析、仿真和实验研究 ( 液压阀卡紧、卡涩故障机理及无传感器诊断方_ 去研究( 第二章) 上上 双向二线智能阀的实现研究 c 基千c e b u s 的电力线扩频载波二线智能阀研究( 第三章) ) 上上 传输媒介模型和电力线载波传输技术理论分析、比较、仿真研究 ( 低压电力线信道建模及通讯阻靖理论仿真研究( 第四章) 上上 厂、 全文总结，并对该领域未来研宄进行了展望 ( 展望( 第五章) ) 刚i4论文整体框架结构 8 第二章液压阀卡蠕、卡涩机理及无传感器诊断方法研究 第二章液压阀卡紧、卡涩故障机理及无传感器诊断方法研究 2 1 引言 液压控制元件按其结构特点可分为滑阀、转阀和锥阀三种。 滑阀是各类液压元件中采用最多的一种基本结构形式它在伺服、比例和开关三大阀类 中均得到广泛的应用并占有相当大的比例。而锥阀( 插装阀) 由于具有结构紧凑、通油能力 大、减少漏损、性能良好等明显的特点，在液压行业中也得到了愈来愈广泛的应用，尤其在 大型液压设备中更是显示出它的优点。转阀的工作过程是阀芯在阀体内作旋转运动，因而较 滑阀和锥阀也有其明显的特点：首先，在用电机作为电一机械转换器构成电液比例豉数字控 制元件驱动源时，由于电机本身是作旋转运动，则省去了旋转一直线运动的转换机构大大 简化了传动机构：再者，由于转阀的输出位移为r - 臼而阀口的面积梯度可以设计得很小， 可以实现微流量控制。 在实际应用中滑阀和锥阀占了很大的份额，相对而言，转阀则较少采用，这主要是因为 转阀作用在阀芯上的径向力不易平衡，容易卡紧的原因。事实上液压阀无论是滑阀、转阀 还是锥阀都可能存在卡紧卡涩现象。其中有液压卡紧，也有机械卡紧。( 参见附录1 ) 由于液压系统中广泛使用的各种液压阀中( 由三大类阀芯所涵盖) ，均存在着或多或少 的阀芯卡紧现象，国内外在设计中采用了各种措施来解决液压卡紧。如：( 1 ) 提高阀的 加工和装配精度，避免偏心：( 2 ) 开平衡径向力的均衡槽：( 3 ) 加高频小振幅的颤振；( 4 ) 控制油源的清洁度，过滤堵塞缝隙的杂质等。 但尽管这样，卡紧现象仍时有发生。在解决这些问题时，除了精加工、合理结构设计外， 无一例外都采用加颤振信号作为一种有效手段，因此，在本章中，我们对颤振信号和阀卡紧、 卡涩故障之间的相互影响进行研究，以期利用阎的弱电信息对卡紧、卡涩故障进行在线监控。 2 2 液压滑阎卡紧、卡涩故障无传感器诊断方法理论和仿真研究 电液阀是机、电、液三者相关联的“节点”，其内部物理过程必然反映流体、电路、磁 路、机械力等诸因素之间的相互联系和相互作用。本节研究的目的，就在于研究液压卡紧这 一由机械、液压成因引起的故障对阀内( 电磁铁内) 电磁过程的影响，探索其规律性，从而 找出一种利用阀内电信号诊断电液阀液压卡紧故障的新的方法，而这种方法不依赖于任何专 f 1 的传感器件，并且有利于以电的方式在线排除故障和实现与计算机的信息交换。观察三大 娄阀的工作方式可知，开关阀在启闭时存在电磁动态过程：而伺服与比例阀为减小磁滞、变 静摩擦为动摩擦，通常都设计有颤振信号回路，即在控制电流上叠加有颤振电流分量，使滑 阀阀芯在工作位置附近作对称的微小往复运动同样也存在电磁动态过程。这一始终存在的 动态过程为研究机、电、液诸因素的相互影响提供了可能。我们首先要研究的正是当滑阀机 构发生卡紧故障时，这一电磁动态过程的电量特征及特征信息的提取方法。 2 2 1 比例阀卡紧、卡涩无传感器诊断方法理论和仿真研究 我们在仿真研究中，采用了美国e l a n i x 公司开发的业界权威仿真软件s y s t e m v i e w ， 该软件是专门用于对工程和科技系统进行仿真和设计的一种综台性的动态系统分析软件。 9 浙江大学博士学位论文：基于现场总线的智能阀及其信号提取与二线传输模式研究 s y s t e m v i e w 提供了一种先进的系统分析引擎，分析的对象非常广泛，从模拟或数字信号处 理到滤波器、控制系统和通信系统，以及各种通用数字模型的仿真、设计和验证等c 9 ”。 1 比例阀卡紧、卡涩无传感器诊断方法理论研究 电液比例阀的转换功率大，利于以电的方式在线排除故障，下面以比例阀( 比例电磁铁) 为例进行理论分析。 描述比例电磁铁动态过程的电压平衡方程为【“】 “：i r + 堕+ 彤查( 2 ” d l 1 d i 其中“、f 、r 分别为线圈电压、电流和电阻，上为动态电感系数tk 。为进度反电动 势系数，坐：v 为衔铁运动速度。 d t 由上式可见，电流以) 不仅和线圈电感有关，而且受到衔铁运动速度的影响，即。! 芸， “ 它意味着衔铁的运动使内部磁通发生变化并产生了抵抗电流变化的反电动势。现假设其它运 动条件不变，由于某些内部或外部因素导致阀芯即将卡紧或卡死，则七。车这项迅速减小或 消失，从而将导致线圈中电流的增大。 在正常工作( 稳态) 时，上式描述了颤振电流的特性。式中上、k 。均为多因素影响参 数卅，它们主要与软磁材料的磁化特性、衔铁位置工以及动态过程的涡流效应有关，但三和 足、的数值在比例电磁铁的全行程内变化不大，在衔铁颤振范围内变化更小。考察( 2 】) 式 可知：电流的动态过程不仅与线圈动态电感有关，而且受衔铁运动速度的影响。后者的物理 原理则是因为衔铁运动引起电磁铁内部磁通变化从而在线圈中感应出极性与电流变化方向 相反的运动反电动势，阻碍了电流变化。颤振电流的等效工作电路如图2 1 所示。在【0 ，o ， 时段内开关k 与1 点接通，在b r ，7 1 】时段则与2 接通，并以t 为周期，周而复始。则电流 波形如图2 2 所示。圈中f ( o ) 由控制信号决定，0 正常工况这样的规律且# 紧平正常r 况的 电流峰峰值变化都在2 0 m a 以上，这样大的电流变化也为卡紧故障的监测提供了很大的便 利。从仿真结果我们可以明显看到颤振信号峰峰值从正常工况到卡涩工况到卡紧时的单调变 化。但颤振信号峰峰值随乎均电流的变化并不是单调的，这与l 和k v 并不是真正的常数而 是电流和位移的函数有关。我们还发现，在6 8 左右的额定工作电流时的电流峰峰值变化 要比9 0 和4 4 额定工作电流时的大一些，达到2 4 m a ，这也给如何更好地检测 紧故障 提供了一条思路。 以上仿真结果说明利用颧振信号变化来检测阀芯的卡紧、卡涩是可行的。接f 来我们希 望能够通过仿真找出影响检测灵敏度( 颤振电流峰峰值变化量) 的因素。本文分别从颤振电 流的频率和波形来讨论其影响。 勤振信号频率对检删灵敏度的影u 向 液压阀的颤振信号频率一般选择5 0 - - 2 5 0 h z i a 6 ，这里我们以t 0 h z 为间隔，在4 0 剑2 6 0 h z 闻取了2 3 个点进行了研究。圈2 4 即为9 0 额定电流时，采用4 0 占空比的方波作为蓟振 信号时得到的颤振电流峰峰值变化量和频率之间的柱状图。 b 百 基 制 型 管 管 逞 甘 蓟振信号频率( h z ) 2 0 02 5 0 幽2 4 颤振竹号频率和电流峰峰值变化量关系柱状i 茎| 从幽2 4 可以看剑，在5 0 h z 、9 0h z 和1 3 0h z 处，颤振电流峰峰值变化拦最为明显，约 为5 0 m a 左右。显然，在阀允许的频率范围内，采用台适的颤振频率，就可以得到较好的检 测灵敏度和分辨率。 第二章液压橱卡紧、卡涩机理及光传感 j 诊断方垃讲究 鳓振信号波形对检删灵敏度的影响 我们在9 0 额定电流和5 0 h z 的颤振频率下，对鲋振波形分别为三角波，方波平正弦波 的颤振信号进行了仿真研究。 颤振波形为三角波时 正珩丁况下 卡涩工况下 9 0 额定电流频率为4 0 h z 三角波，峰峰值为7 7 m a 卡紧 = 况下 9 0 额定电流，频率为4 0 h z 三角波，峰峰值为7 2 m a 鳓振波形为正弦波时 9 0 额定电流，频率为4 0 h z ，三角波，峰峰值为8 2 m a 9 0 额定电流，频率为4 0 h z 正弦波，峰峰值为7 8 m a 9 浙江 学博l 学位论文：基于现场总线的智能阀及其信号提取与二线传输摸式研究 卡涩t 况下 卡紧t 况下 9 0 额定电流，频率为4 0 i q z ，正弦皱峰峰值为9 5 m a 颤振波形为方波时 i t 常工况下 9 0 额定电流，频率为4 0 h z 正弦波，峰峰值为1 0 9 m a ! 警3 “8 。“m “ i jl ，l ji ， l ， l lyly l ll i 。lr nrnr lnrn r 、n ， 、 ， l | ll li v il 、一l l l 卡涩工况下 9 0 额定电流，占空比4 0 峰峰值为】3 3 m a 卡紧工龇下 9 0 额定l 乜流，占空比4 0 峰峰值为】3 0 m a 9 0 额定l u 流占空比4 0 峰峰值为】4 6 m a 第二章液压阀卡紧、卡涩机理及无传感器诊断方浩珂f 究 从仿真结果可见，在采用三角波作为颤振信号时，卡紧】：况时的峰峰值比止常1 况高约 1 0 m a ，幅值较小，而且从正常工况到卡紧工况的变化过程中峰峰值变化也是非单调的： 而在采用正弦波作为颠振信号时，卡紧工况时的峰峰值比正常工况高约2 7 m a ，幅值较大 而且从正常工况到卡紧工况的变化过程中，峰峰值变化也是单调的：所以利用这种峰峰值的 阀芯卡涩卡紧检测最好采用方波或正弦波作为颤振信号。 另外，我们还对采用方波作为颤振波形时不同占空比对检测灵敏度的影响进行了仿真分 析，结果表明：脉宽的不同对这种峰峰值变化检测方法影响较大。在脉宽为】6 千5 2 时， 紧时的电流峰峰值和正常工作时的电流峰峰值基本持平甚至还要小一些。而且电流峰峰值 和脉宽的变化井不是单调的，故在设计检测装置时选择台适的脉宽非常重要。 2 2