第一章 绪论
1.1 背景和意义
1.1.1 研究背景
我国水力资源丰富，水力发电的装机量达到了 6.6 亿 kw.h，平均每年发电量超过 3万亿 kw.h，相当于节省 22 亿吨原煤，同时减少了温室气体排放。按照国家可再生能源发展“十三五”规划目标，2020 年水电装机 3. 4 亿 kW，发电量将占可再生能源发电总量的 66%[1]。但是，我国以黄河为首的大江大河泥沙含量大，其中有 42 条河流的年平均含沙量超过 14 万吨，据计算流入海洋的泥沙有 20 亿吨，是全世界入海河流中泥沙最多的 [2]。由于这个原因，我国河流上的发电站的水轮机导叶等过流部件被水流磨蚀严重，水电站因导叶磨损停产检修产生的电能损失约有 20～30 亿 kw.h，更有检修和设备维护费用超过亿元，所以河流中的高泥沙含量对水轮机的健康运行危害极大 [3]。三门峡电站的水轮机在运行 30000h 后，叶片与转轮室间隙磨损增大至 50-100mm、叶片头部被削去 150-250mm，导致机组效率下降 11%以上[3]。长江流域的葛洲坝水电站也是如此[4]，长江的泥沙含量虽然不及母亲河黄河，但是长江水中的泥沙颗粒更为坚硬，对水轮机导叶等部件的磨蚀也是比较严重的[5]。疆内以石河子红山嘴水电厂为例，由于新疆天气干旱，土壤水份含量低，植被覆盖极少，水土流失严重，河流中的泥沙含量高，红山嘴电厂经常在冬季对水轮机进行停机维护，为了节省成本，水轮机导叶以堆焊修复为主。
1.1.2 研究目的及意义
导叶一般均匀布置于转轮外围，作用是引导水流均匀地流入转轮，并通过调节导叶开度来改变水轮机的过流量以适应发电机负荷调整变化的要求，全部关闭时也可起到封闭水流的作用[6]。导叶是水轮机的重要组成部分，是水轮机调节流量的主要部件。电站的水轮机活动导叶经过一个丰水期的运行，导叶三段轴颈和叶片处不同程度地出现磨损[7]。导叶磨损后造成导叶轴转动不灵活、导叶之间闭合不良等不利因素会降低水轮机组的发电效率 [8]。另外导叶轴磨损漏水，容易产生间隙气蚀，损坏导叶轴颈密封结构[9]。为此，很多水电厂每年需投入大量人力、物力对导叶轴和导叶叶片表面严重破坏区进行修复。
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1.2 国内堆焊设备现状及应用
1.2.1 国内堆焊设备现状
国内工厂生产中最常用的堆焊设备有二保焊堆焊机、埋弧焊堆焊、等离子焊堆焊机等 [12]。而二保焊由于工作性能突出，结构简单体积小，维护方便，操作简单，容易安装在自动堆焊设备上，由于这些优势的存在到了广泛的应用[13]。经过我国技术人员的不断努力，我国的堆焊设备和堆焊技术都得到了长足的发展和进步。
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第二章 水轮机导叶修复工艺分析及其自动堆焊控制方案
2.1 水轮机导叶堆焊修复工艺分析
水轮机运行两年（30000h）后导水叶上下端面磨蚀成 5-15mm 的沟槽，导叶轴颈附近出现 10-15mm 的凹槽与轴径安装部分产生间隙[34]，出水端由于气蚀的存在出现大面积的点蚀，导叶轴也有不同程度的磨损及表面脱落现象，磨损部位常发生在如图 2-1 所示的阴影部位[35]。导叶是水轮机的重要组成部分，是水轮机调节水流流量的主要部件。在两年的使用周期后，导叶被含泥沙的水流磨蚀，特别是在泥沙含量较大的河流中，水轮机组的导叶等过流部件的磨蚀更为严重。现行的水轮机导叶磨蚀部位的修复以手工堆焊为主，特别是新疆地区，以石河子红山嘴水电厂为例，河流泥沙含量大水轮机组检修频繁，落后的人工堆焊修复工作量大，效率低，维修时间长，由于企业的停产检修的时间增加造成成本高，效益低。针对这一现状，开发设计一款水轮机导叶修复自动堆焊装置是改变疆内水利发电企业导叶维修现状的有效途径，以减少导叶修复时间，降低企业用工成本，增加企业生产效益。
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2.2 水轮机导叶自动堆焊装置整体控制方案
通过对导叶磨损部位的分析提出了导叶修复自动堆焊装置的整体控制方案。导叶轴自动堆焊修复装置使用变频减速电机 BWD-B2-2.2 带动导叶旋转，当导叶在焊接台上一端被卡盘夹死，一端由顶锥固定时，减速电机带动导叶转动，配合焊枪的横向移动。采用三个 57 步进电机配合控制焊枪完成空间移动，焊接时按照设定路径有控制的移动，步进电机 1，2，3 使焊枪的移动定义为焊枪在空间位置沿 Z，Y，X 方向的运动。PLC、触摸屏完成焊接参数的设定及对上述减速电机和步进电机的控制。为了提升系统的控制精度系统增加了两个传感器：一个用于测量减速电机转速的编码器；另一个测量焊枪位置到待修复导叶表面距离的超声波测距传感器。PLC 则根据两个传感器采集的数据为依据发出动作指令进而完成控制焊枪移动[36]，控制原理图如图 2-9 所示。
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3.1 基于 PLC 的模糊 PID 控制的基本结构和原理................................ 16
3.1.1 模糊 PID 控制的基本结构和原理................... 16
第四章 导叶叶片堆焊修复的焊枪运动控制............................. 32
4.1 插补控制原理.........................32
4.2 导叶叶片修复自动堆焊焊枪运动控制..................... 37
第五章 水轮机导叶修复自动堆焊装置软硬件设计..................................... 42
5.1 基于 HMI 的上位机组态.................................42
5.1.1 HMI 控制界面的设计......................... 42
第六章 控制系统功能调试与试验
6.1 梯形图软件模拟调试
将编写好的程序导入 GX-Works2 编程模拟软件，可以选择在线模拟或离线模拟，但对于首次编写的梯形图程序，首先进行离线模拟，软件模拟系统会检查出是否存在编写逻辑错误。在 GX-Works2 编程软件中离线模拟的主要任务是查看循环程序的执行是否符合预定要求，首先排除编程错误。
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第七章 结论与展望
7.1 结论
本研究针对水利发电水轮机导叶磨损部位，包括：导叶轴的堆焊修复工艺要求，导叶叶片的堆焊修复工艺要求，设计了自动化的堆焊修复装置控制系统。系统采用了适用于导叶轴堆焊修复的螺旋堆焊，为了保证堆焊质量稳定导叶轴旋转速度，通过模糊 PID控制原理和操作人员经验及专家的知识设计了模糊 PID 控制器。系统采用了适用于导叶叶片堆焊修复的步进电机组成 X，Y，Z 三坐标焊枪空间移动，来控制焊枪根据导叶叶片的控制需要完成空间曲线往复运动或者直线往复运动。选择满足水轮机导叶修复自动堆焊装置控制系统的硬件设备，包括：触摸屏（HMI）、PLC、变频器、步进电机及其驱动器。通过试验证明该控制系统可以满足导叶修复自动堆焊的控制要求，研究内容如下：
1. 分析了水轮机导叶的结构，针对于导叶轴提出了螺旋堆焊的修复工艺，针对导叶叶片堆焊修复设计了由步进电机组成的 X，Y，Z 三坐标结构带动焊枪完成导叶叶片磨损的凹陷处和止水面的尺寸恢复。
2. 为了完成导叶轴螺旋堆焊修复，采用了模糊 PID 控制法设计了模糊控制器用以稳定导叶旋转速度，保证了导叶轴修复螺旋堆焊质量。针对导叶叶片凹陷部位的堆焊修复，使用了 PLC 控制圆弧插补，用空间曲线往复完成自动堆焊修复。
3. 根据导叶轴和导叶叶片修复自动堆焊的技术特点，设计了水轮机导叶修复自动堆焊装置控制系统的 PLC 程序，触摸屏控制界面组态和硬件按钮控制盒的设计。通过调试证明该装置满足导叶修复自动堆焊要求。
参考文献（略）