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    1、概述

    水輪機(jī)筒閥由法國NEYRPIC公司于1962年用于真機(jī)以來，通過一些中小水輪機(jī)的應(yīng)用實踐，逐步得到了完善。到1979年加拿大當(dāng)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(jī)采用了圓筒閥之后，它的應(yīng)用開始引起各國的注意，許多優(yōu)點得到公認(rèn)。因此，被越來越多的水電站采用。它的主要優(yōu)點有：

    1）安裝在固定導(dǎo)水葉與活動導(dǎo)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(dǎo)葉漏水對導(dǎo)葉的磨損。

    3）開啟、關(guān)閉時間短，能更好地適應(yīng)電力系統(tǒng)對水電廠快速開機(jī)的要求并能有效地防止事故情況下的機(jī)組過速。

    4）能消除機(jī)前閥門進(jìn)出口處的收縮和擴(kuò)散段伸縮節(jié)的附加水力損失。

    5）圓筒閥啟閉為直線運動，關(guān)閉時可根據(jù)水壓上升率調(diào)整關(guān)閉速度。而在圓筒閥的應(yīng)用實踐中如何保證多只接力器的同步成為筒閥控制的關(guān)鍵技術(shù)問題。下面就這一問題闡述應(yīng)用PLC技術(shù)實現(xiàn)同步的原理和方法。

    2、筒閥的結(jié)構(gòu)及同步機(jī)構(gòu)原理

    傳統(tǒng)的解決同步問題的主要方法采用接力器驅(qū)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(qū)動閥門啟閉。各活塞的同步移動有由可逆?zhèn)鲃拥臐L動螺旋副實現(xiàn)，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(dāng)活塞上下移動時絲桿做正反旋轉(zhuǎn)，絲桿上端連接齒輪將筒閥的垂直運動變?yōu)辇X輪的旋轉(zhuǎn)，齒輪帶動鏈條一起連動其它接力器的齒輪同速旋轉(zhuǎn)并反作用于其絲桿而實現(xiàn)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(shù)量較多的接力器，增加整個系統(tǒng)的投資。

    2）接力器油缸進(jìn)油口無調(diào)節(jié)能力，均由調(diào)定的節(jié)流閥控制流量，接力器運行速度的調(diào)節(jié)控制沒有按調(diào)節(jié)規(guī)律運動的隨動性。

    3）鏈條同步對發(fā)生異步的的油缸矯正能力差，易發(fā)生鏈條張力矩過載甚至拉斷，導(dǎo)致筒閥啟閉失敗。

    4）由于油缸進(jìn)油量由節(jié)流閥調(diào)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(jìn)行啟閉的優(yōu)勢。

    3、采用PLC輸出控制比例閥液壓隨動系統(tǒng)實現(xiàn)同步

    此方案采用接力器直接驅(qū)動筒閥并控制其同步，滾動螺旋副和鏈傳動的同步機(jī)構(gòu)可以取消或作為輔助同步手段和保護(hù)措施。另外，接力器本身不需再設(shè)緩沖裝置，緩沖功能由PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)。采用本方案與傳統(tǒng)的同步控制系統(tǒng)相比有如下特點：

    1）可以靈活地改變（修改控制程序）閥門關(guān)閉開啟的運動規(guī)律，使之更符合機(jī)組運行之需要。例如：當(dāng)事故緊急停機(jī)調(diào)速器主配拒動而需快速關(guān)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(guān)閉的控制規(guī)律。

    2）可以取消機(jī)械同步機(jī)構(gòu)，大大簡化控制操作機(jī)構(gòu)從而精簡筒閥的整體結(jié)構(gòu)，節(jié)省機(jī)坑內(nèi)空間，改善運行維護(hù)條件。

    3）減少操作執(zhí)行組件數(shù)量，降低工程造價。

    4）利用計算機(jī)通訊技術(shù)，為實現(xiàn)計算機(jī)遠(yuǎn)方監(jiān)控提供堅實的現(xiàn)場控制和數(shù)據(jù)采集單元。

圖1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

    3.1 控制系統(tǒng)基本原理

    該系統(tǒng)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(yīng)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(guān)、按鈕以及信號燈等組成；其系統(tǒng)硬件構(gòu)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(fā)而得。系統(tǒng)的基本控制策略如下：整個系統(tǒng)可視為以位移量偏差為負(fù)反饋的閉環(huán)電液隨動系統(tǒng)，在多只接力器不同步的情況下，以其中一只為基準(zhǔn)，在給定的啟、閉規(guī)律基礎(chǔ)上按經(jīng)典PI控制算法，產(chǎn)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(fā)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(tǒng)的核心控制部件，其豐富齊備的控制運算指令、優(yōu)越的性能、現(xiàn)場編程調(diào)試的方便已成為實現(xiàn)各種控制的現(xiàn)場級設(shè)備。其主要性能指標(biāo)有：運算速度：　0.08uS/步(基本指令)，　1.52uS―數(shù)100uS(應(yīng)用指令)；用戶程序內(nèi)存容量：16K，系統(tǒng)程序內(nèi)存容量：8K；應(yīng)用指令：128種　298個；輸入口：5組每組8個，其中高速記數(shù)口8個（X000―X007）；響應(yīng)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(shù)轉(zhuǎn)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?yōu)镻LC程序可用的0-1000的十進(jìn)制數(shù)。其性能指標(biāo)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(shù)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(shù)模轉(zhuǎn)換模塊FX2N-2DA：將PLC運算得到的控制量數(shù)值轉(zhuǎn)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(biāo)如下：DC5V30mA,數(shù)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(zhuǎn)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(chǎn)生的磁場（沿波導(dǎo)管運行）與位置磁鐵產(chǎn)生的磁場相交產(chǎn)生一個應(yīng)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(zhǔn)確的位置。

    性能及指標(biāo)：分辨率：2um；響應(yīng)速度：比其他測量方式：快4到20倍；提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)字輸出SSI　　CANBUS　　PROFIBUS　　DEVICENET??；符合歐洲CE規(guī)格。

    3.2.3 執(zhí)行部件:比例閥（包括放大板）

    此環(huán)節(jié)是電氣控制信號與機(jī)械液壓系統(tǒng)連接的關(guān)鍵部分，直接影響到控制系統(tǒng)性能的發(fā)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(shù)數(shù)據(jù)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(tǒng)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(jī)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送及調(diào)試。安裝此顯示終端可豐富人機(jī)界面，同時監(jiān)視多個參數(shù)，對即時分析筒閥開啟、關(guān)閉的運行狀態(tài)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(xiàn)場調(diào)試及不斷完善、優(yōu)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(guī)律的調(diào)節(jié)給定量

    圓形筒閥在啟閉過程中，根據(jù)其安裝結(jié)構(gòu)及位置可知：在運動到全行程的中間段時，各缸允許發(fā)生的偏差最小，為了保證液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，可將給定量降低，放慢筒閥運行速度。在動水關(guān)閉過程中，為了控制蝸殼水壓上升率，筒閥關(guān)閉速度可分段進(jìn)行設(shè)置。其他啟閉規(guī)律可在筒閥的運行實踐中總結(jié)得到，通過編制具有啟閉運動規(guī)律的調(diào)節(jié)給定量實現(xiàn)。

    3.3.2 基準(zhǔn)缸判斷

    把每一次開關(guān)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(zhǔn)缸，因為此缸響應(yīng)調(diào)節(jié)量的能力最弱，讓它只接收固定的給定輸出，調(diào)節(jié)其它缸的輸出量以適應(yīng)基準(zhǔn)缸。

    3.3.3 油壓參與調(diào)節(jié)

    當(dāng)某缸油壓上升速率超過設(shè)定值，說明此油缸側(cè)運動受卡阻，此時應(yīng)降低基準(zhǔn)缸的給定值，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)變得更加平緩，順利完成啟閉操作。

    3.3.4 保護(hù)及信號設(shè)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(hù)動作；鏈條張力過載保護(hù)通過行程開關(guān)接點進(jìn)行調(diào)整；全開、全關(guān)極限位置也是在相應(yīng)位置安裝行程開關(guān)實現(xiàn)。為了防止油路系統(tǒng)的油垂效應(yīng)，在臨近全開、全關(guān)位置時減小比例閥開度，并延時返回開啟和關(guān)閉中間繼電器。現(xiàn)場控制柜裝設(shè)有以下信號：全開、全關(guān)、中間位置、1#-6#鏈條張力過載。

    3.3.5 相關(guān)參數(shù)顯示

    因為現(xiàn)場控制柜安裝了操作顯示終端，通過PLC算術(shù)指令的運算可以得到多個有關(guān)筒閥運行的參數(shù)并在一個畫面內(nèi)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(guān)經(jīng)歷時間以及各個故障信號、全開全關(guān)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(guān)系曲線等。

圖3 控制程序流程圖

    4、設(shè)手動調(diào)節(jié)功能，保證控制系統(tǒng)的可靠性

    當(dāng)鏈條張力過載筒閥卡死在中間位置或PLC控制系統(tǒng)故障時，可將“手動/自動”切換開關(guān)置“手動”位，各缸比例閥直接由功放輸入給定電位器調(diào)整。

    5、與計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通訊，提供現(xiàn)場更多信息

    為了與計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)各機(jī)組LCU的工控機(jī)通訊，特在PLC內(nèi)開辟一個連續(xù)的數(shù)椐寄存器與中間繼電器寄存器區(qū)，將要上裝的數(shù)據(jù)和狀態(tài)變量放在一起，以便工控機(jī)快速讀取。工控機(jī)與PLC的通訊協(xié)議是MITSUBISHI　　PLC通訊協(xié)議；數(shù)據(jù)傳輸格式：RS422　　異步；通訊速率：9600bps；轉(zhuǎn)送的字符：ASCII字符，其中1個起始位，7個數(shù)據(jù)位，1個奇偶校驗位，　1個停止位；字符奇偶校驗：偶校驗偶數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送結(jié)果校驗方式：和校驗。

    6、結(jié)束語

    PLC控制技術(shù)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(tǒng)的可靠性，減少了油缸數(shù)量，節(jié)省了投資，充分發(fā)揮了筒閥在水輪機(jī)運用上的多方面優(yōu)勢，而且實現(xiàn)了與計算機(jī)的通訊，為計算機(jī)遠(yuǎn)方監(jiān)控提供了功能完善的現(xiàn)場單元。