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。
三峽大學科技學院機電系、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》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用。水輪機停機時，導葉的承壓能力不足（當水頭超過100m水電機組，導葉立面承壓達到1MPa），導葉立面密封失去作用，水流由導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、導葉、圓筒閥、軸承、轉(zhuǎn)輪、主軸等部件。其中圓筒閥相當于一個隔離閥，布置在固定導葉和活動導葉之間，起著止水功能。圓筒閥主要由閥體、接力器、導向裝置、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)，位于固定導葉和活動導葉之間，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，首先關閉活動導葉，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，否則通過機械關閉完成緊急關閉。
圖4 圓筒閥下行控制流程
圖5 圓筒閥緊急關閉控制流程
5 結(jié)論
高水頭、大容量水電機組活動導葉的承壓能力不足，導致其立面密封失去作用，產(chǎn)生泄流帶動機組蠕動，破壞導葉密封、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。