[摘要]本文介紹了水輪機(jī)圓筒閥的發(fā)展歷史及其在運(yùn)用實(shí)踐中顯現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)，分析了圓筒閥接力器運(yùn)行過程中不同步的原因，介紹了采用可編程控制器技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步的原理及運(yùn)用方法。
[關(guān)鍵詞] 筒閥、接力器的同步、比例閥、閉環(huán)反饋控制、電液隨動(dòng)
1、概述
水輪機(jī)筒閥由法國(guó)NEYRPIC公司于1962年用于真機(jī)以來(lái)，通過一些中小水輪機(jī)的應(yīng)用實(shí)踐，逐步得到了完善。到1979年加拿大當(dāng)時(shí)最大的水電站LG-2，16臺(tái)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(guó)的注意，許多優(yōu)點(diǎn)得到公認(rèn)。因此，被越來(lái)越多的水電站采用。它的主要優(yōu)點(diǎn)有：1、安裝在固定導(dǎo)水葉與活動(dòng)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(gè)廠房的縱向長(zhǎng)度，降低了工程造價(jià)；2、密封性更好，能有效抑制了導(dǎo)葉漏水對(duì)導(dǎo)葉的磨損。3、開啟、關(guān)閉時(shí)間短，能更好地適應(yīng)電力系統(tǒng)對(duì)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(yùn)動(dòng)，關(guān)閉時(shí)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(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、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(dòng)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(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)有由可逆?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。此同步方案的缺點(diǎn)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(gè)系統(tǒng)的投資。2）、接力器油缸進(jìn)油口無(wú)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(shì)。
3、采用PLC輸出控制比例閥液壓隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步
此方案采用接力器直接驅(qū)動(dòng)筒閥并控制其同步，滾動(dòng)螺旋副和鏈傳動(dòng)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(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。例如：當(dāng)事故緊急停機(jī)調(diào)速器主配拒動(dòng)而需快速關(guān)閉筒閥是時(shí)，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(jiǎn)化控制操作機(jī)構(gòu)從而精簡(jiǎn)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)。4）、利用計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)方監(jiān)控提供堅(jiān)實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)控制和數(shù)據(jù)采集單元。

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(cè)量組件（選用磁感應(yīng)高精度、高速脈沖輸出）、信號(hào)功率放大板、液壓比例閥、電源、操作開關(guān)、按鈕以及信號(hào)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(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(yùn)行，其基本控制原理框圖如圖二所示。
 

3.2各部分工作元器件特性
3.2.1控制運(yùn)算部件PLC及其各功能模塊
PLC（FX2N-80MT）是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部件，其豐富齊備的控制運(yùn)算指令、優(yōu)越的性能、現(xiàn)場(chǎng)編程調(diào)試的方便已成為實(shí)現(xiàn)各種控制的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備。其主要性能指標(biāo)有：運(yùn)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(gè)；輸入口：5組每組8個(gè)，其中高速記數(shù)口8個(gè)（X000—X007）；響應(yīng)速度：8個(gè)點(diǎn)合計(jì)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(hào)，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(yùn)算得到的控制量數(shù)值轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)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(cè)量部件：位移傳感器
選用美國(guó)MTS Temposonics III(PB/PH)非接觸式位移傳感器
原理：由詢問信號(hào)的電流脈沖所產(chǎn)生的磁場(chǎng)（沿波導(dǎo)管運(yùn)行）與位置磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(cè)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：2um；響應(yīng)速度：比其他測(cè)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(hào)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(guó)REXROTH的VT5005帶閥芯位置反饋的自動(dòng)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(shí)監(jiān)視多個(gè)參數(shù)，對(duì)即時(shí)分析筒閥開啟、關(guān)閉的運(yùn)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(duì)于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及不斷完善、優(yōu)化控制程序具有重大意義。整個(gè)控制程序的流程框圖如圖三所示。
3.3.1具有啟閉運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)到全行程的中間段時(shí)，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(yùn)行速度。在動(dòng)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(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)。
3.3.2基準(zhǔn)缸判斷
把每一次開關(guān)動(dòng)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(yùn)行的基準(zhǔn)缸，因?yàn)榇烁醉憫?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(shuō)明此油缸側(cè)運(yùn)動(dòng)受卡阻，此時(shí)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(hào)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(dòng)作；鏈條張力過載保護(hù)通過行程開關(guān)接點(diǎn)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(shí)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(shí)減小比例閥開度，并延時(shí)返回開啟和關(guān)閉中間繼電器?，F(xiàn)場(chǎng)控制柜裝設(shè)有以下信號(hào)：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?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)控制柜安裝了操作顯示終端，通過PLC算術(shù)指令的運(yùn)算可以得到多個(gè)有關(guān)筒閥運(yùn)行的參數(shù)并在一個(gè)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(yùn)行速度、筒閥下滑、每次開關(guān)經(jīng)歷時(shí)間以及各個(gè)故障信號(hào)、全開全關(guān)信號(hào)、中間位置信號(hào)、下滑信號(hào)以及各缸油壓、控制量、比例閥開度與位移的關(guān)系曲線等。

4、設(shè)手動(dòng)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(shí)，可將“手動(dòng)/自動(dòng)”切換開關(guān)置“手動(dòng)”位，各缸比例閥直接由功放輸入給定電位器調(diào)整。
5、與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通訊，提供現(xiàn)場(chǎng)更多信息。
為了與計(jì)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(gè)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(gè)起始位，7個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位， 1個(gè)停止位；字符奇偶校驗(yàn)：偶校驗(yàn)偶數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送結(jié)果校驗(yàn)方式：和校驗(yàn)。
6、結(jié)束語(yǔ)
PLC控制技術(shù)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，充分發(fā)揮了筒閥在水輪機(jī)運(yùn)用上的多方面優(yōu)勢(shì)，而且實(shí)現(xiàn)了與計(jì)算機(jī)的通訊，為計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)方監(jiān)控提供了功能完善的現(xiàn)場(chǎng)單元。