基于西门子S7-300系列可编程逻辑控制器的水电机组圆筒阀控制系统设计

随着我国高水头、大容量水电机组逐步投产与运行，圆筒阀在防止高压漏水，保护导叶及轴承方面起着重大作用。圆筒阀自身质量大、运行精度及同步要求高，对其控制系统有着更高的要求。

三峡大学科技学院机电系、中国船舶重工集团有限公司第七一○研究所的研究人员吴雅纯、肖冉娉、尚佳、王雅婕、蒋小辉，在2020年第7期《电气技术》杂志上撰文，以电液比例阀驱动圆筒阀的接力器，以西门子S7-315作为控制器，采用基于比例积分微分的闭环控制实现圆筒阀起停及紧急下落，满足水电厂的安全运行要求。

近年来随着我国大型水电工程的建设与投运，水轮机的装机容量及运行水头越来越大，水轮机的圆筒阀被广泛应用。水轮机停机时，导叶的承压能力不足（当水头超过100m水电机组，导叶立面承压达到1MPa），导叶立面密封失去作用，水流由导叶立面缝隙泄流至转轮区，带动转轮蠕动，破坏机组轴承等。

水轮机的圆筒阀可以在机组停机时承担高水头形成的大数值水压，避免机组轴承因蠕动而造成的破坏，因此圆筒阀在机组调峰、快速起停、保护导叶及轴承等方面意义重大。大直径圆筒阀本身质量非常大，其起停通过液压操控系统实现。如何保证多台接力器同步控制圆筒阀的运行速率和位置是关键问题。

本文主要针对上述问题研究基于西门子S7-300系列可编程逻辑控制器（programmable logic controller, PLC）的水电机组圆筒阀控制系统，以满足水电机组安全运行的要求。

1  水轮机圆筒阀简介

水电机组将水能转化为机械能，是水力发电厂的重要组成部分，其中混流式水轮机运用非常普遍。高水头混流式水轮机包含蜗壳、导叶、圆筒阀、轴承、转轮、主轴等部件。其中圆筒阀相当于一个隔离阀，布置在固定导叶和活动导叶之间，起着止水功能。圆筒阀主要由阀体、接力器、导向装置、同步控制系统、油压系统等构成。

机组停机时，圆筒阀处于闭锁状态，位于固定导叶和活动导叶之间，上端与顶盖下端密封条紧密结合，下端与座环上的密封条紧密结合，防止高水头下渗水。机组起动时，打开圆筒阀，使圆筒阀至座环和顶盖间的腔体内部，不影响转轮区流态。

停机时，首先关闭活动导叶，再落下圆筒阀；同时可满足机组故障停机，圆筒阀动水状态下自动关阀。圆筒阀起停时各接力器的同步方法有两种，即机械同步和电液同步。电液同步由于可控性强、状态过程平稳、精度高得到广泛应用。

2  水轮机圆筒阀结构

本文以高水头大容量水电机组圆筒阀为例分析研究。高水头大容量水电机组圆筒阀系统包括比例阀、筒阀本体、压油装置、换向阀及附属部件。比例阀的作用是按照输入的速度/位移信号，连续地、按比例地控制液压油的流量；压油装置的作用是为圆筒阀提供一定压力的液压油驱动筒体运动；换向阀的作用是切换液压油的流向，实现筒阀本体上行或下行运动；筒阀本体作为被控对象实现止水功能。

图1  水电机组圆筒阀系统组成

3  基于S7-315PLC的圆筒阀控制系统设计

基于S7-300PLC的圆筒阀控制系统中，由西门子S7-315PLC作为控制器，控制压油装置的油压及比例阀输出压力油的流量来驱动圆筒阀的接力器运行，同时将接力器输出的速度、位移信号作为反馈量实现闭环控制。

运行时，由触摸屏下发速度、位置设定给PLC，PLC将计算结果输出至比例阀，比例阀控制压油装置的压力油流量，压力油供至接力器推动圆筒阀起停，圆筒阀的实时速度、位置经传感器反馈至PLC，完成闭环控制。

图2  水电机组圆筒阀控制系统组成

本文针对圆筒阀起动、停止的过程要求，采用闭环控制，在起停过程中对圆筒阀的运行采用分段速度闭环控制，即开度的0～5%及95%～100%采用慢速运行，5%～95%采用快速运行，同时全程采用位置控制以保证接力器同步。

基于S7-315PLC的圆筒阀控制元件系统包含S7-315PLC控制器、模拟量采集（analog input, AI）模块、数字量采集（digital input, DI）模块、模拟量输出（analog output, AO）模块、数字量输出（digital output, DO）模块及触摸屏。

模拟量采集模块接收传感器采集的压力、位移和速度信号并传输至PLC中；数字量采集模块采集压油装置及系统的开关量信息；PLC通过模拟量输出模块连续控制圆筒阀的运行；PLC通过数字量输出模块控制压油装置的加压、换向等；触摸屏用以改变系统设置参数，如筒阀运行速度等。

图3  水电机组圆筒阀控制元件组成

4  圆筒阀控制流程

圆筒阀控制流程利用S7-315PLC内部基于可编程逻辑器件的闭环控制流程实现，主要包括上行运动流程、下行运动流程以及事故关闭流程3个。

下行运动时，首先判断系统的压力以及系统是否准备就绪，若压力及系统正常则以给定的速度运行接力器至筒阀到给定的位置，否则异常报警停止流程，上行运动时流程相似。紧急关闭筒阀时，首先判断系统的压力是否正常以及系统是否准备就绪，若是，则以给定的较大的速度快速落下，否则通过机械关闭完成紧急关闭。

图4  圆筒阀下行控制流程

图5  圆筒阀紧急关闭控制流程

5  结论

高水头、大容量水电机组活动导叶的承压能力不足，导致其立面密封失去作用，产生泄流带动机组蠕动，破坏导叶密封、轴承等。圆筒阀自身质量大、运行精度高且同步要求高，对其控制功能的实现有一定困难。

本文以电液比例阀驱动圆筒阀的接力器，以西门子S7-315PLC作为控制器，对圆筒阀起停运行中的速度采用基于比例积分微分的分段闭环控制，同时全程采用位置闭环控制，其优点在于能够保证圆筒阀在全开瞬间、全关瞬间和起停不同阶段对速度的要求，以及保证全程接力器同步，防止圆筒阀倾斜，满足水电厂的安全运行要求。