萬 科，楊華蓉，李軍路

(國電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川漢源625304)

0 引言

瀑布溝水電站位于大渡河中游，地處四川西部漢源和甘洛兩縣交界處，距成都直線距離約200 km，距重慶直線距離約360 km，靠近負(fù)荷中心。成昆鐵路漢源火車站位于電站下游約5 km的烏斯河鎮(zhèn)。瀑布溝水電站以發(fā)電為主，兼顧攔沙、防洪等綜合利用效益。電站共裝設(shè)6臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量為600 MW，總裝機(jī)容量為3 600 MW。每臺(tái)水輪機(jī)上裝設(shè)有一套筒形閥，共6套。瀑布溝水電站分別采用了國內(nèi)外2個(gè)廠家所提供的筒形閥，其中1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)機(jī)組由奧地利安德里茨公司提供，本文主要對(duì)奧地利安德里茨公司提供的筒形閥的控制系統(tǒng)進(jìn)行簡要介紹。

1 概述

水輪機(jī)筒形閥是法國ASLSTOM公司于1947年提出的專利，它是一個(gè)位于水輪機(jī)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪或?qū)~與座環(huán)之間的可垂直移動(dòng)的圓筒。機(jī)組停機(jī)時(shí)，該圓筒被移到導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的位置，切開水流，起到截流閥的作用。機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，圓筒藏于專門的腔中。從20世紀(jì)90年代開始，圓筒閥在我國大中型水電站得到了廣泛的應(yīng)用，主要特點(diǎn)有:1)密封性能好。機(jī)組停機(jī)時(shí)，有效地減少了因?qū)~漏水引起的能量損失和水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的氣蝕磨損，增加有效電量，延長水輪機(jī)檢修周期。2)動(dòng)水關(guān)閉速度快。具有防飛逸能力，提高了機(jī)組的事故保護(hù)能力。3)操作靈活、快速。縮短蝸殼充水時(shí)間，從而縮短機(jī)組啟動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間和停機(jī)時(shí)間。4)結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。筒形閥直接裝設(shè)在水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉之間，同安裝在蝸殼前的球閥、蝶閥相比，縮短了整個(gè)廠房的縱向長度，降低了工程造價(jià)。

而在圓筒閥的應(yīng)用實(shí)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(shí)現(xiàn)同步的原理和方法。

2 同步機(jī)構(gòu)原理

傳統(tǒng)同步設(shè)計(jì)采用絲桿鏈條機(jī)械液壓同步裝置，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(dòng)桿(活塞)下端連接固定在閥體上，活塞上下運(yùn)動(dòng)可以驅(qū)動(dòng)閥門啟閉。各活塞的同步移動(dòng)由可逆?zhèn)鲃?dòng)的滾動(dòng)螺旋副實(shí)現(xiàn)，它是在活塞上固定的一只滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的螺母，螺母連接傳動(dòng)絲桿，當(dāng)活塞上下移動(dòng)時(shí)絲桿做正反旋轉(zhuǎn)，絲桿上端連接齒輪將筒閥的垂直運(yùn)動(dòng)變?yōu)辇X輪的旋轉(zhuǎn)，齒輪帶動(dòng)鏈條一起連動(dòng)其它接力器的齒輪同速旋轉(zhuǎn)并反作用于其絲桿而實(shí)現(xiàn)多只接力器的同步。此同步方案有4個(gè)缺點(diǎn):①直徑大的筒閥將布置數(shù)量較多的接力器，增加整個(gè)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(yùn)行速度的調(diào)節(jié)控制沒有按調(diào)節(jié)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的隨動(dòng)性;③鏈條同步對(duì)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(yùn)動(dòng)可按程序指定啟閉速度進(jìn)行啟閉的優(yōu)勢。

采用PLC輸出控制比例閥液壓隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步。本方案的筒形閥采用全液壓技術(shù)，通過位移變送器的反饋值進(jìn)行比較，控制比例閥的供油量以達(dá)到每只接力器的同步性。取消了滾動(dòng)螺旋副和鏈傳動(dòng)的同步機(jī)構(gòu)。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(diǎn):1)可以靈活地改變(修改控制程序)閥門關(guān)閉開啟的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使之更符合機(jī)組運(yùn)行之需要。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(yùn)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(jià)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 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MOOG公司MSC)及其配套的I/O模塊、CAN通訊模塊、比例伺服閥、位移傳感器、壓力傳感器、工控機(jī)等組成。其系統(tǒng)硬件構(gòu)成見圖1。

MSC主控制器PLC程序、觸摸屏控制程序DC均由MOOG公司可在WINDOWS下編程的MACS開發(fā)而得。系統(tǒng)的基本控制策略如下:整個(gè)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(dòng)系統(tǒng)。在多只接力器不同步的情況下，以位移給定為基準(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)生控制量作用到比例伺服閥上，比例伺服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(yùn)行。開閉規(guī)律示意圖見圖2。

圖2 開閉規(guī)律示意圖

2.2 各部分工作元器件特性

2.2.1 主控制器MSC及其各功能模塊

本方案PLC采用MOOG公司MSCⅠ，具備 PLC功能并配備現(xiàn)場總線、高分辨率模擬輸入/輸出以及位置傳感器接口的高性能伺服控制器。其主要性能指標(biāo)見表1。

表1 MSC I性能參數(shù)表

各功能模塊:1)模擬量輸入輸出模塊QAIO 2/2-AV:用于接收比例伺服閥輸出的4～20 mA電流信號(hào)，并對(duì)比例伺服閥輸出±10 mA的控制信號(hào)。其性能指標(biāo)如下:分辨率:16 bit，最小掃描周期:400μs;2路模擬量輸入范圍:電壓 DC±10V，電流 DC±10mA、4～20 mA;2路模擬量輸出范圍:電壓DC±10V，電流DC±10mA、±50mA 、4～20 mA，且具備斷線自診斷功能;1路基準(zhǔn)電壓輸出:DC±10V，且具備短路保護(hù)功能。2)開關(guān)量輸入輸出模塊QDIO 16/16:用于輸入、輸出各種開關(guān)量信號(hào)。其性能指標(biāo)如下:16×I/O，工作電壓:DC 24V。3)總線通訊模塊QEBUS-CAN:用于接收筒閥各個(gè)接力器下腔壓力數(shù)據(jù)。

2.2.2 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。工作原理:由詢問信號(hào)的電流脈沖所產(chǎn)生的磁場(沿波導(dǎo)管運(yùn)行)與位置磁鐵產(chǎn)生的磁場相交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)，然后計(jì)算這個(gè)信號(hào)被探測所需的時(shí)間周期，便能換算出準(zhǔn)確的位置。性能及指標(biāo):分辨率:2μm;響應(yīng)速度:比其他測量方式快4～20倍;提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)字輸出 SSI、CANBUS、PROFIBUS、DEVICENET;符合歐洲 CE規(guī)格。本方案采用CANBUS傳輸方式。

2.2.3 執(zhí)行部件:MOOG比例伺服閥

本方案選用MOOG D682直動(dòng)型高頻響電液伺服閥，該伺服閥采用高性能直動(dòng)式伺服閥作先導(dǎo)級(jí)，有效降低先導(dǎo)閥泄漏，提高閥的動(dòng)態(tài)性能，主閥芯用位移傳感器檢測，內(nèi)置式電子放大器對(duì)主閥芯進(jìn)行閉環(huán)控制。其技術(shù)數(shù)據(jù)如下:額定流量:150 L/min，最大操作壓力:35 MPa，響應(yīng)時(shí)間:11 ms，分辨率:＜0.03%，滯環(huán):＜0.2%，電源電壓DC 18～32 V，控制電壓:±10V，輸出電流:4～20 mA。

2.2.4 操作顯示終端

本系統(tǒng)選用MOOG的觸摸操作顯示終端，顯示畫面可通過配套的MACS軟件制作，其通過以太網(wǎng)與主控制器MSC進(jìn)行通訊，觸摸屏故障不影響筒閥正常運(yùn)行。同時(shí)具備通過以太網(wǎng)與PC機(jī)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送及調(diào)試。通過觸摸屏可監(jiān)視圓筒閥實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)、報(bào)警信號(hào)，現(xiàn)地對(duì)筒閥進(jìn)行開啟、關(guān)閉操作。另外，在更換位移傳感器后可直接在觸摸屏畫面中可對(duì)位移傳感器的零點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。

2.2.5 CAN現(xiàn)場總線通訊

本系統(tǒng)中的接力器位移傳感器、壓力傳感器數(shù)據(jù)均采用CAN現(xiàn)場總線通訊方式與主控制器MSC進(jìn)行傳輸。其報(bào)文采用短幀格式，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，具有極好的檢錯(cuò)效果。

2.3 控制邏輯

主控制器MSC與觸摸屏程序均采用MOOG MACS編程軟件編寫，通用性強(qiáng)。主要采用功能模塊語言，內(nèi)置直觀的調(diào)試界面，方便維護(hù)。流程框圖見圖3。

2.3.1 具有啟閉運(yùn)動(dòng)規(guī)律的調(diào)節(jié)給定量

筒閥在啟閉過程中，前段通過加速可快速開啟比例閥，當(dāng)比例閥開口全開后，此時(shí)筒閥進(jìn)入勻速運(yùn)行，后段通過減速加大緩沖效應(yīng)，降低機(jī)械損害。其他啟閉規(guī)律可在筒閥的運(yùn)行實(shí)踐中總結(jié)得到，通過編制具有啟閉運(yùn)動(dòng)規(guī)律的調(diào)節(jié)給定量實(shí)現(xiàn)。

2.3.2 同步故障判斷

通過筒閥6個(gè)接力器中每2個(gè)接力器A—B、C—D、E—F(對(duì)稱位置，如圖1)的反饋位移進(jìn)行差值比較，3組差值中任何1組大于整定值，則報(bào)同步故障?？紤]同步故障非系統(tǒng)致命故障，可通過觸摸屏對(duì)同步故障進(jìn)行忽略后繼續(xù)操作筒閥，此時(shí)筒閥進(jìn)入開環(huán)控制，若出現(xiàn)其他故障，則筒閥停止動(dòng)作。

圖3 控制流程圖

2.3.3 信號(hào)設(shè)置

考慮系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)中存在的不可靠性，除同步故障信號(hào)，增加控制故障(單個(gè)接力器實(shí)際位移與給定偏差)、比例閥偏差故障(比例閥實(shí)際反饋與給定偏差)、壓力過大(接力器下腔壓力超過整定值)、傳感器故障(位移傳感器、壓力傳感器斷線判斷)等信號(hào)，在筒閥啟閉過程中進(jìn)行中斷停止判斷。全開、全關(guān)極限位置通過程序內(nèi)置給定量，另外增設(shè)3個(gè)磁性位置開關(guān)信號(hào)(全開、未全開、全關(guān))上送監(jiān)控。操作條件滿足信號(hào)主要由筒閥準(zhǔn)備就緒信號(hào)、比例閥電源正常信號(hào)、控制油壓力正常信號(hào)、導(dǎo)葉接力器鎖錠投入信號(hào)組成。

3 結(jié)語

MSC可編程控制器運(yùn)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，提高了水電站自動(dòng)化程度。

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