隨著我國高水頭、大容量水電機組逐步投產與運行，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輪區(qū)，帶動轉輪蠕動，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合，下端與座環(huán)上的密封條緊密結合，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)和頂蓋間的腔體內部，不影響轉輪區(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 水輪機圓筒閥結構
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，產生泄流帶動機組蠕動，破壞導葉密封、軸承等。圓筒閥自身質量大、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。