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1、概述
水輪機筒閥由法國NEYRPIC公司于1962年用于真機以來，通過一些中小水輪機的應用實踐，逐步得到了完善。到1979年加拿大當時最大的水電站LG-2，16臺出力為338.5MW的大型混流式水輪機采用了圓筒閥之后，它的應用開始引起各國的注意，許多優點得到公認。因此，被越來越多的水電站采用。它的主要優點有：
1）安裝在固定導水葉與活動導水葉之間，同安裝在蝸殼前的球閥、蝶閥相比，縮短了整個廠房的縱向長度，降低了工程造價；
2）密封性更好，能有效抑制了導葉漏水對導葉的磨損。
3）開啟、關閉時間短，能更好地適應電力系統對水電廠快速開機的要求并能有效地防止事故情況下的機組過速。
4）能消除機前閥門進出口處的收縮和擴散段伸縮節的附加水力損失。
5）圓筒閥啟閉為直線運動，關閉時可根據水壓上升率調整關閉速度。而在圓筒閥的應用實踐中如何保證多只接力器的同步成為筒閥控制的關鍵技術問題。下面就這一問題闡述應用PLC技術實現同步的原理和方法。
2、筒閥的結構及同步機構原理
傳統的解決同步問題的主要方法采用接力器驅動鏈條同步，在筒閥圓周盡可能多地均勻布置多支液壓接力器，每支接力器動桿（活塞）下端連接固定在閥體上，活塞上下運動可以驅動閥門啟閉。各活塞的同步移動有由可逆傳動的滾動螺旋副實現，它是在活塞上固定的一只滾動螺旋傳動的螺母，螺母連接傳動絲桿，當活塞上下移動時絲桿做正反旋轉，絲桿上端連接齒輪將筒閥的垂直運動變為齒輪的旋轉，齒輪帶動鏈條一起連動其它接力器的齒輪同速旋轉并反作用于其絲桿而實現多只接力器的同步。此同步方案的缺點在于：
1）直徑大的筒閥將布置數量較多的接力器，增加整個系統的投資。
2）接力器油缸進油口無調節能力，均由調定的節流閥控制流量，接力器運行速度的調節控制沒有按調節規律運動的隨動性。
3）鏈條同步對發生異步的的油缸矯正能力差，易發生鏈條張力矩過載甚至拉斷，導致筒閥啟閉失敗。
4）由于油缸進油量由節流閥調整固定，筒閥只能定速啟閉，喪失了筒閥直線運動可按程序指定啟閉速度進行啟閉的優勢。
3、采用PLC輸出控制比例閥液壓隨動系統實現同步
此方案采用接力器直接驅動筒閥并控制其同步，滾動螺旋副和鏈傳動的同步機構可以取消或作為輔助同步手段和保護措施。另外，接力器本身不需再設緩沖裝置，緩沖功能由PLC控制程序實現。采用本方案與傳統的同步控制系統相比有如下特點：
1）可以靈活地改變（修改控制程序）閥門關閉開啟的運動規律，使之更符合機組運行之需要。例如：當事故緊急停機調速器主配拒動而需快速關閉筒閥是時，為了即快速又不致使蝸殼及壓力鋼管水壓上升率過高可采用分段關閉的控制規律。
2）可以取消機械同步機構，大大簡化控制操作機構從而精簡筒閥的整體結構，節省機坑內空間，改善運行維護條件。
3）減少操作執行組件數量，降低工程造價。
4）利用計算機通訊技術，為實現計算機遠方監控提供堅實的現場控制和數據采集單元。
圖1 系統硬件構成圖
3.1 控制系統基本原理
該系統主要由硬件和控制軟件兩部分組成，其中硬件部分包含可編程控制器（本方案PLC選用三菱公司的FX2N-80MT）及其配套的A/D模塊、通訊模塊、接力器行程測量組件（選用磁感應高精度、高速脈沖輸出）、信號功率放大板、液壓比例閥、電源、操作開關、按鈕以及信號燈等組成；其系統硬件構成如圖一所示。軟件由三菱公司配套可在WINDOWS下編程的FXGP-WIN-C開發而得。系統的基本控制策略如下：整個系統可視為以位移量偏差為負反饋的閉環電液隨動系統，在多只接力器不同步的情況下，以其中一只為基準，在給定的啟、閉規律基礎上按經典PI控制算法，產生控制量作用到液壓比例閥上，液壓比例閥控制油流量大小校正發生的不同步的偏差以保證各油缸的同步運行，其基本控制原理框圖如圖2所示。
圖2 基本控制原理圖
3.2 各部分工作元器件特性
3.2.1 控制運算部件PLC及其各功能模塊
PLC（FX2N-80MT）是整個系統的核心控制部件，其豐富齊備的控制運算指令、優越的性能、現場編程調試的方便已成為實現各種控制的現場級設備。其主要性能指標有：運算速度： 0.08uS/步(基本指令)， 1.52uS―數100uS(應用指令)；用戶程序內存容量：16K，系統程序內存容量：8K；應用指令：128種 298個；輸入口：5組每組8個，其中高速記數口8個（X000―X007）；響應速度：8個點合計小于等于20KHZ，自帶電源容量：24V600mA；輸入電源：AC/DC170V―250V。各功能模塊：1）模數轉換模塊FX2N-4AD：用于接收壓力傳感器輸出的4-20mA電流信號，將其變為PLC程序可用的0-1000的十進制數。其性能指標如下：功耗：DC5V30mA，模擬量輸入范圍：電壓DC-10V--+10V最大-15V--+15V（輸入阻抗200K），電流DC-20mA--+20mA最大-32mA―+32mA（輸入阻抗250），；輸出數字范圍：-2047--+2047；分辨率：電壓5mV，電流20uA；線性度：±1％F.S，采樣速度：普通通道15mS，高速通道：6mS；3）數模轉換模塊FX2N-2DA：將PLC運算得到的控制量數值轉化為電壓信號輸入到比例閥放大板控制液壓比例閥。其性能指標如下：DC5V30mA,數值輸入范圍：-2047― +2047；模擬量電壓輸出： -10V― +10V，線性度：±1％F.S，分辨率：電壓5mV（10V×1/2000），轉化速度：普通通道18mS，高速通道：3.5mS；
3.2.2 測量部件：位移傳感器
選用美國MTS Temposonics III(PB/PH)非接觸式位移傳感器
原理：由詢問信號的電流脈沖所產生的磁場（沿波導管運行）與位置磁鐵產生的磁場相交產生一個應變脈沖信號，然后計算這個信號被探測所需的時間周期，便能換算出準確的位置。
性能及指標：分辨率：2um；響應速度：比其他測量方式：快4到20倍；提供網絡數字輸出SSI CANBUS PROFIBUS DEVICENET ；符合歐洲CE規格。
3.2.3 執行部件:比例閥（包括放大板）
此環節是電氣控制信號與機械液壓系統連接的關鍵部分，直接影響到控制系統性能的發揮，所以選用德國REXROTH的VT5005帶閥芯位置反饋的自動式比例方向控制閥，其放大電路技術數據如下：電源電壓DC24V，功率50VA，控制電壓±9V，最大輸出電流：2.2A。
3.2.4 操作顯示終端
本系統選用三菱的GOT940觸摸操作顯示終端，其畫面可通過配套的GT-DESIGE軟件制作并通過專用通訊電纜AC30R-9SS與PC機連接進行數據傳送及調試。安裝此顯示終端可豐富人機界面，同時監視多個參數，對即時分析筒閥開啟、關閉的運行狀態提供方便。
3.3 控制策略
利用三菱PLC豐富的指令編制控制程序，對于現場調試及不斷完善、優化控制程序具有重大意義。整個控制程序的流程框圖如圖三所示。
3.3.1 具有啟閉運動規律的調節給定量
圓形筒閥在啟閉過程中，根據其安裝結構及位置可知：在運動到全行程的中間段時，各缸允許發生的偏差最小，為了保證液壓調節系統的調節品質，可將給定量降低，放慢筒閥運行速度。在動水關閉過程中，為了控制蝸殼水壓上升率，筒閥關閉速度可分段進行設置。其他啟閉規律可在筒閥的運行實踐中總結得到，通過編制具有啟閉運動規律的調節給定量實現。
3.3.2 基準缸判斷
把每一次開關動作完成后的最慢及行程最小的一缸作為下一次筒閥啟閉運行的基準缸，因為此缸響應調節量的能力最弱，讓它只接收固定的給定輸出，調節其它缸的輸出量以適應基準缸。
3.3.3 油壓參與調節
當某缸油壓上升速率超過設定值，說明此油缸側運動受卡阻，此時應降低基準缸的給定值，使系統調節變得更加平緩，順利完成啟閉操作。
3.3.4 保護及信號設置
油缸油壓或四油缸油壓之間的差值超過某一整定值油壓保護動作；鏈條張力過載保護通過行程開關接點進行調整；全開、全關極限位置也是在相應位置安裝行程開關實現。為了防止油路系統的油垂效應，在臨近全開、全關位置時減小比例閥開度，并延時返回開啟和關閉中間繼電器。現場控制柜裝設有以下信號：全開、全關、中間位置、1#-6#鏈條張力過載。
3.3.5 相關參數顯示
因為現場控制柜安裝了操作顯示終端，通過PLC算術指令的運算可以得到多個有關筒閥運行的參數并在一個畫面內顯示，如各缸的行程、各缸比例閥閥芯位置反饋電壓、比例閥閥芯位置（占各閥全開的百分比）、油壓、運行速度、筒閥下滑、每次開關經歷時間以及各個故障信號、全開全關信號、中間位置信號、下滑信號以及各缸油壓、控制量、比例閥開度與位移的關系曲線等。
圖3 控制程序流程圖
4、設手動調節功能，保證控制系統的可靠性
當鏈條張力過載筒閥卡死在中間位置或PLC控制系統故障時，可將“手動/自動”切換開關置“手動”位，各缸比例閥直接由功放輸入給定電位器調整。
5、與計算機監控系統通訊，提供現場更多信息
為了與計算機監控系統各機組LCU的工控機通訊，特在PLC內開辟一個連續的數椐寄存器與中間繼電器寄存器區，將要上裝的數據和狀態變量放在一起，以便工控機快速讀取。工控機與PLC的通訊協議是MITSUBISHI PLC通訊協議；數據傳輸格式：RS422 異步；通訊速率：9600bps；轉送的字符：ASCII字符，其中1個起始位，7個數據位，1個奇偶校驗位， 1個停止位；字符奇偶校驗：偶校驗偶數據；數據轉送結果校驗方式：和校驗。
6、結束語
PLC控制技術運用于筒閥的控制，有效地解決了筒閥多只油缸的同步問題，提高了系統的可靠性，減少了油缸數量，節省了投資，充分發揮了筒閥在水輪機運用上的多方面優勢，而且實現了與計算機的通訊，為計算機遠方監控提供了功能完善的現場單元。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號