大渡河猴子巖水電站圓筒閥控制系統設計

房道明，王書楓，孫 影

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

大渡河猴子巖水電站圓筒閥控制系統設計

房道明，王書楓，孫 影

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

簡要地介紹了大渡河猴子巖水電站圓筒閥控制系統的構成，闡述了各部分的功能，詳細敘述了圓筒閥控制系統的原理。

圓筒閥；PID；同步調節；手動糾偏；比例閥

1 引言

大渡河猴子巖水電站裝有4臺套425 MW水輪發電機組。水輪機為立軸混流式，發電機為立軸半傘式；額定轉速125 r/min，額定水頭130 m，進水閥采用圓筒閥形式。圓筒閥本體、液壓接力器（每臺機組數量6個）、控制系統均由哈爾濱電機廠有限責任公司設計制造。圓筒閥在緊急關機時起到隔斷水源的保護作用，安裝在水輪機的固定導葉和活動導葉之間，關閉時作為止水閥；開啟時，位于水輪機座環上環和頂蓋間空腔內，不干擾水流流態；圓筒閥處于全開或全關位置，不作流量調節用。

圓筒閥在軸線方向運動，在每個接力器中均裝有磁致伸縮式位移傳感器（測量精度2 μm），可實時跟蹤每個接力器的相對位移情況。當接力器最大行程偏差值超過設計的極限偏差值時，圓筒閥將造成卡阻而影響正常開啟和關閉，所以，圓筒閥的軸向同步運動是控制系統需解決的最關鍵問題。

2 圓筒閥控制系統構成

圓筒閥控制系統包括機械液壓控制部分和電氣控制柜，兩者充分配合實現電液轉換同步控制。

2.1 機械液壓控制部分

本液壓控制系統主要由一個主配壓閥，一套集成控制閥組，一個流量分配器，六個同步調節單元組成。液壓控制系統如圖1所示。各部分功能如下：

主配壓閥具有最大的流量調節能力，具有開啟位置、關閉位置、定中位置；定中位置結合控制閥組相應的控制狀態可使圓筒閥停在任意位置，該功能一般在調試及圓筒閥卡阻時使用。可以通過調整主配壓閥相應開口大小使圓筒閥開啟和關閉時間根據需要在60～90 s范圍內整定。

集成控制閥組用來控制圓筒閥的運動方向及運動速度。

流量分配器的作用是實現機械同步分流，進行流量的初步分配。

同步調節單元主要由進行精細調整流量的比例閥及液控單向閥、保護管路的溢流閥等組成。當圓筒閥接力器出現偏差時進行實時精細調整。

圖1 圓筒閥液壓控制系統圖

2.2 圓筒閥電氣控制柜

可編程控制器組合的選擇上采用施奈德Magelis系列觸摸屏和Premium系列PLC。控制電源部分設計了雙冗余形式，如圖2所示。即交直流雙輸入DC24V輸出的一組開關控制電源和交直流雙輸入DC24V輸出的一組儲能電源組成雙冗余的形式，經過電源切換模塊的轉換，最終將控制電源輸出到電源總線端子上。此設計保證了電源的安全可靠，即使在失去所有外部輸入電源的情況下，仍能使整個控制系統正常運行30 min。

可編程控制器通過輸入模塊對外部數據和信息進行采集，這些信息經過內部各程序段進行綜合分析、計算，然后通過輸出模塊發出執行命令至各個執行元件，完成各種功能。觸摸屏設置了數據顯示、參數修改、信息記錄、故障復歸等界面，可以實現對圓筒閥PID參數、接力器位移傳感器參數、同步運行精度等參數進行設置和修改，同時顯示各工況狀態和故障報警等。

圖2 雙冗余電源設計方案

3 圓筒閥控制系統設計方案

圖3 筒形閥控制程序流程圖

圓筒閥控制系統能夠實現圓筒閥遠方自動控制、現地自動控制。主要控制部分為圓筒閥正常開啟、正常關閉和事故關閉過程，控制程序流程如圖3所示。圓筒閥同步控制是核心部分，是圓筒閥實現開啟、關閉等操作的基礎。控制系統同步液壓元件采用比例閥，控制電壓范圍-10V～+10V，比例閥根據其控制電壓的極性具有雙向調節能力。同時由接力器位移傳感器、比例閥、PLC組成一個閉環調節系統，如圖4所示。只要圓筒閥工作的位置不在全開或全關狀態，即調用同步調節流程，對接力器的偏差進行調整，使圓筒閥接力器保持在平衡位置。

圖4 圓筒閥同步調節功能框圖

本控制系統程序架構由以下程序段組成：數據初始化程序段、模擬量輸入輸出數據處理程序段、開啟圓筒閥程序段、關閉圓筒閥程序段、停止圓筒閥程序段、事故及緊急關閉圓筒閥程序段、PID同步調節程序段、故障報警程序段、手動糾偏程序段，各程序段相互調用有機結合成一個閉環的圓筒閥控制解決方案，實現了圓筒閥運行中各個功能。

3.1 開啟圓筒閥方案

當機組外部條件滿足開啟條件時，由LCU或現地按鈕發出開啟圓筒閥信號，圓筒閥會按照既定的控制邏輯自動開啟。為了防止開啟初始階段圓筒閥卡阻以及到減小全開時圓筒閥對頂蓋的沖擊，程序將開啟過程分為三個步驟：初始提升、中間開啟、緩沖至全開。其中初始提升、緩沖至全開為緩沖階段。

3.2 正常關閉圓筒閥方案

當機組外部條件滿足關閉條件時，由LCU或現地按鈕發出關閉圓筒閥信號，圓筒閥會按照既定的控制邏輯自動關閉。為了減小對密封面的沖擊，圓筒閥關閉分為二個步驟：分別為正常關閉、緩沖至全關。

3.3 事故及緊急關閉圓筒閥方案

事故及緊急關閉的電氣控制部分與正常關閉基本相同，液壓部分為冗余設置，可確保接力器進行關閉。事故關閉過程不受導葉接力器全關條件的限制，即圓筒閥有可能在動水下關閉，在充分考慮水拉力對接力器下腔的沖擊作用后，程序中設置了讓圓筒閥比正常關閉時較早進入自重關閉階段。

3.4 圓筒閥卡阻方案

圓筒閥在運動過程中，系統經過實時計算，一旦檢測到最大行程偏差超過預先設置的最大偏差允許值，PLC將調用圓筒閥停止程序段，使圓筒閥停止在卡阻位置，并發出報警信號，等待運行維護人員分析問題原因所在。

在查閱了以往控制方案中，發現設計者習慣在圓筒閥卡組時利用圓筒閥反向運動的方式試圖消除卡阻現象，如果經過幾次反向運動后仍未達到解決問題的目的再將筒閥停止。綜合分析反向運動的處理方案，將有可能導致卡阻現象更為嚴重。因為導致圓筒閥卡阻的不定因素很多，例如如果執行機構中比例閥出現了機械故障，將可能導致偏差的累積使圓筒閥受力更加不均衡，在此情況下再進行處理的難度較最初就停止運動大得多。

3.5 手動糾偏功能

手動糾偏功能實現了可以人為在觸摸屏上給每個同步調節模塊中的比例閥控制電壓賦值，即調節比例閥的流量值，可以實現對每個接力器進行單獨控制，此功能在圓筒閥最初調試及圓筒閥卡阻時具有重要作用，功能操作界面如圖5所示。使用時一般將主配壓閥調整至中間位置，使主配壓閥暫時不具有流量調節能力，因比例閥流量調節能力較小，故可以實現手動調節的平穩性。

根據圖5左側實時反饋的行程值和偏差值（傳感器標定完成后該組值可信）或在蝸殼內部測量的筒閥實際位移值（因調試首次動作時無法獲得圓筒閥全開或全關位置傳感器測量的準確采樣值，圖5左側反饋回的數據不可信，故需實際測量）判斷圓筒閥實際所處的位置，然后對偏差大的接力器所對應的比例閥賦值大電壓，其余偏差小的接力器依次賦值小電壓或不賦電壓值（0V），以達到手動糾偏實現平衡的目的。

圖5 觸摸屏手動糾偏界面

4 結束語

大渡河猴子巖水電站首臺機圓筒閥控制系統已經通過了無水調試和有水調試，投入到了運行狀態。開啟和關閉過程中最大行程偏差均不超過1.1mm，開啟整定時間71s，關閉整定時間77s；運行數據證明本控制系統具備良好的同步控制和速度控制性能。

[1]史千,毛羽波.PID算法在筒閥同步控制中的應用[J].吉林水利,2013(01).

[2]楊秀偉,毛羽波.新型筒形閥控制系統的設計方法[J].大電機技術,2013(01).

[3]Premium and Atrium using Unity Pro Analog input/output modulesUser manual[Z].Schneider Electric,2005.

[4]Premium and Atrium using Unity Pro Discrete I/O modules User manual[Z].Schneider Electric,2005.

[5]Vijeo Designer教程[Z].Schneider Electric,2005.

TK730.4+7

B

1672-5387（2017）06-0032-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.06.012

2016-12-23

房道明（1988-），男，工程師，從事水輪發電機組自動化設計工作。