隨著我國高水頭、大容量水電機組逐步投產(chǎn)與運行,，圓筒閥在防止高壓漏水,，保護導(dǎo)葉及軸承方面起著重大作用。圓筒閥自身質(zhì)量大,、運行精度及同步要求高,，對其控制系統(tǒng)有著更高的要求。

三峽大學(xué)科技學(xué)院機電系,、中國船舶重工集團有限公司第七一○研究所的研究人員吳雅純,、肖冉娉、尚佳,、王雅婕,、蔣小輝，在2020年第7期《電氣技術(shù)》雜志上撰文,，以電液比例閥驅(qū)動圓筒閥的接力器,，以西門子S7-315作為控制器，采用基于比例積分微分的閉環(huán)控制實現(xiàn)圓筒閥啟停及緊急下落，滿足水電廠的安全運行要求,。

近年來隨著我國大型水電工程的建設(shè)與投運,，水輪機的裝機容量及運行水頭越來越大，水輪機的圓筒閥被廣泛應(yīng)用,。水輪機停機時,，導(dǎo)葉的承壓能力不足（當(dāng)水頭超過100m水電機組，導(dǎo)葉立面承壓達到1MPa）,，導(dǎo)葉立面密封失去作用,，水流由導(dǎo)葉立面縫隙泄流至轉(zhuǎn)輪區(qū)，帶動轉(zhuǎn)輪蠕動,，破壞機組軸承等,。

水輪機的圓筒閥可以在機組停機時承擔(dān)高水頭形成的大數(shù)值水壓，避免機組軸承因蠕動而造成的破壞,，因此圓筒閥在機組調(diào)峰,、快速啟停、保護導(dǎo)葉及軸承等方面意義重大,。大直徑圓筒閥本身質(zhì)量非常大,，其起停通過液壓操控系統(tǒng)實現(xiàn)。如何保證多臺接力器同步控制圓筒閥的運行速率和位置是關(guān)鍵問題,。

本文主要針對上述問題研究基于西門子S7-300系列可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）的水電機組圓筒閥控制系統(tǒng),，以滿足水電機組安全運行的要求。

1 水輪機圓筒閥簡介

水電機組將水能轉(zhuǎn)化為機械能,，是水力發(fā)電廠的重要組成部分,，其中混流式水輪機運用非常普遍。高水頭混流式水輪機包含蝸殼,、導(dǎo)葉,、圓筒閥、軸承,、轉(zhuǎn)輪,、主軸等部件。其中圓筒閥相當(dāng)于一個隔離閥,，布置在固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉之間,，起著止水功能。圓筒閥主要由閥體,、接力器,、導(dǎo)向裝置、同步控制系統(tǒng),、油壓系統(tǒng)等構(gòu)成,。

機組停機時,，圓筒閥處于閉鎖狀態(tài)，位于固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉之間,，上端與頂蓋下端密封條緊密結(jié)合,，下端與座環(huán)上的密封條緊密結(jié)合，防止高水頭下滲水,。機組起動時,，打開圓筒閥，使圓筒閥至座環(huán)和頂蓋間的腔體內(nèi)部,，不影響轉(zhuǎn)輪區(qū)流態(tài),。

停機時，首先關(guān)閉活動導(dǎo)葉,，再落下圓筒閥,；同時可滿足機組故障停機，圓筒閥動水狀態(tài)下自動關(guān)閥,。圓筒閥啟停時各接力器的同步方法有兩種,，即機械同步和電液同步。電液同步由于可控性強,、狀態(tài)過程平穩(wěn),、精度高得到廣泛應(yīng)用。

2 水輪機圓筒閥結(jié)構(gòu)

本文以高水頭大容量水電機組圓筒閥為例分析研究,。高水頭大容量水電機組圓筒閥系統(tǒng)包括比例閥,、筒閥本體、壓油裝置,、換向閥及附屬部件,。比例閥的作用是按照輸入的速度/位移信號，連續(xù)地,、按比例地控制液壓油的流量,；壓油裝置的作用是為圓筒閥提供一定壓力的液壓油驅(qū)動筒體運動；換向閥的作用是切換液壓油的流向,，實現(xiàn)筒閥本體上行或下行運動；筒閥本體作為被控對象實現(xiàn)止水功能,。

圖1 水電機組圓筒閥系統(tǒng)組成

3 基于S7-315PLC的圓筒閥控制系統(tǒng)設(shè)計

基于S7-300PLC的圓筒閥控制系統(tǒng)中,，由西門子S7-315PLC作為控制器，控制壓油裝置的油壓及比例閥輸出壓力油的流量來驅(qū)動圓筒閥的接力器運行,，同時將接力器輸出的速度,、位移信號作為反饋量實現(xiàn)閉環(huán)控制。

運行時,，由觸摸屏下發(fā)速度,、位置設(shè)定給PLC,，PLC將計算結(jié)果輸出至比例閥，比例閥控制壓油裝置的壓力油流量,，壓力油供應(yīng)給接力器,，推動圓筒閥起停，圓筒閥的實時速度,、位置經(jīng)傳感器反饋至PLC,，完成閉環(huán)控制。

圖2 水電機組圓筒閥控制系統(tǒng)組成

本文針對圓筒閥起動,、停止的過程要求,，采用閉環(huán)控制，在啟停過程中對圓筒閥的運行采用分段速度閉環(huán)控制,，即開度的0～5%及95%～100%采用慢速運行,，5%～95%采用快速運行，同時全程采用位置控制以保證接力器同步,。

基于S7-315PLC的圓筒閥控制元件系統(tǒng)包含S7-315PLC控制器,、模擬量采集（analog input, AI）模塊、數(shù)字量采集（digital input, DI）模塊,、模擬量輸出（analog output, AO）模塊,、數(shù)字量輸出（digital output, DO）模塊及觸摸屏。

模擬量采集模塊接收傳感器采集的壓力,、位移和速度信號并傳輸至PLC中,；數(shù)字量采集模塊采集壓油裝置及系統(tǒng)的開關(guān)量信息；PLC通過模擬量輸出模塊連續(xù)控制圓筒閥的運行,；PLC通過數(shù)字量輸出模塊控制壓油裝置的加壓,、換向等；觸摸屏用以改變系統(tǒng)設(shè)置參數(shù),，如筒閥運行速度等,。

圖3 水電機組圓筒閥控制元件組成

4 圓筒閥控制流程

圓筒閥控制流程利用S7-315PLC內(nèi)部基于可編程邏輯器件的閉環(huán)控制流程實現(xiàn)，主要包括上行運動流程,、下行運動流程以及事故關(guān)閉流程3個,。

下行運動時，首先判斷系統(tǒng)的壓力以及系統(tǒng)是否準(zhǔn)備就緒,，若壓力及系統(tǒng)正常則以給定的速度運行接力器至筒閥到給定的位置,，否則異常報警停止流程，上行運動時流程相似,。緊急關(guān)閉筒閥時,，首先判斷系統(tǒng)的壓力是否正常以及系統(tǒng)是否準(zhǔn)備就緒，若是,，則以給定的較大的速度快速落下,，否則通過機械關(guān)閉完成緊急關(guān)閉,。

圖4 圓筒閥下行控制流程

圖5 圓筒閥緊急關(guān)閉控制流程

5 結(jié)論

高水頭、大容量水電機組活動導(dǎo)葉的承壓能力不足,，導(dǎo)致其立面密封失去作用,，產(chǎn)生泄流帶動機組蠕動，破壞導(dǎo)葉密封,、軸承等,。圓筒閥自身質(zhì)量大、運行精度高且同步要求高,，對其控制功能的實現(xiàn)有一定困難,。

本文以電液比例閥驅(qū)動圓筒閥的接力器，以西門子S7-315PLC作為控制器,，對圓筒閥起停運行中的速度采用基于比例積分微分的分段閉環(huán)控制,，同時全程采用位置閉環(huán)控制，其優(yōu)點在于能夠保證圓筒閥在全開瞬間,、全關(guān)瞬間和啟停不同階段對速度的要求,，以及保證全程接力器同步，防止圓筒閥傾斜,，滿足水電廠的安全運行要求,。