MSC可編程控制器在筒閥同步控制中的運用

萬 科，楊華蓉，李軍路

(國電大渡河瀑布溝水力發電總廠，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。瀑布溝水電站以發電為主，兼顧攔沙、防洪等綜合利用效益。電站共裝設6臺水輪發電機組，單機容量為600 MW，總裝機容量為3 600 MW。每臺水輪機上裝設有一套筒形閥，共6套。瀑布溝水電站分別采用了國內外2個廠家所提供的筒形閥，其中1號、3號、5號機組由奧地利安德里茨公司提供，本文主要對奧地利安德里茨公司提供的筒形閥的控制系統進行簡要介紹。

1 概述

水輪機筒形閥是法國ASLSTOM公司于1947年提出的專利，它是一個位于水輪機導葉與轉輪或導葉與座環之間的可垂直移動的圓筒。機組停機時，該圓筒被移到導水機構的位置，切開水流，起到截流閥的作用。機組運轉時，圓筒藏于專門的腔中。從20世紀90年代開始，圓筒閥在我國大中型水電站得到了廣泛的應用，主要特點有:1)密封性能好。機組停機時，有效地減少了因導葉漏水引起的能量損失和水輪機導水機構的氣蝕磨損，增加有效電量，延長水輪機檢修周期。2)動水關閉速度快。具有防飛逸能力，提高了機組的事故保護能力。3)操作靈活、快速。縮短蝸殼充水時間，從而縮短機組啟動準備時間和停機時間。4)結構簡單，安裝方便。筒形閥直接裝設在水輪機活動導葉和固定導葉之間，同安裝在蝸殼前的球閥、蝶閥相比，縮短了整個廠房的縱向長度，降低了工程造價。

而在圓筒閥的應用實踐中如何保證多只接力器的同步成為筒閥控制的關鍵技術問題。下面就這一問題闡述應用PLC技術實現同步的原理和方法。

2 同步機構原理

傳統同步設計采用絲桿鏈條機械液壓同步裝置，在筒閥圓周盡可能多地均勻布置多支液壓接力器，每支接力器動桿(活塞)下端連接固定在閥體上，活塞上下運動可以驅動閥門啟閉。各活塞的同步移動由可逆傳動的滾動螺旋副實現，它是在活塞上固定的一只滾動螺旋傳動的螺母，螺母連接傳動絲桿，當活塞上下移動時絲桿做正反旋轉，絲桿上端連接齒輪將筒閥的垂直運動變為齒輪的旋轉，齒輪帶動鏈條一起連動其它接力器的齒輪同速旋轉并反作用于其絲桿而實現多只接力器的同步。此同步方案有4個缺點:①直徑大的筒閥將布置數量較多的接力器，增加整個系統的投資;②接力器油缸進油口無調節能力，均由調定的節流閥控制流量，接力器運行速度的調節控制沒有按調節規律運動的隨動性;③鏈條同步對發生異步的的油缸矯正能力差，易發生鏈條張力矩過載甚至拉斷，導致筒閥啟閉失敗;④由于油缸進油量由節流閥調整固定，筒閥只能定速啟閉，喪失了筒閥直線運動可按程序指定啟閉速度進行啟閉的優勢。

采用PLC輸出控制比例閥液壓隨動系統實現同步。本方案的筒形閥采用全液壓技術，通過位移變送器的反饋值進行比較，控制比例閥的供油量以達到每只接力器的同步性。取消了滾動螺旋副和鏈傳動的同步機構。另外，接力器本身不需再設緩沖裝置，緩沖功能由PLC控制程序實現。采用本方案與傳統的同步控制系統相比有如下特點:1)可以靈活地改變(修改控制程序)閥門關閉開啟的運動規律，使之更符合機組運行之需要。2)可以取消機械同步機構，大大簡化控制操作機構從而精簡筒閥的整體結構，節省機坑內空間，改善運行維護條件。3)減少操作執行組件數量，降低工程造價。

圖1 系統結構圖

2.1 控制系統基本原理

該系統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、工控機等組成。其系統硬件構成見圖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開發而得。系統的基本控制策略如下:整個系統可視為以位移量偏差為負反饋的閉環電液隨動系統。在多只接力器不同步的情況下，以位移給定為基準，在給定的啟、閉規律基礎上按經典PI控制算法，產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生的不同步的偏差以保證各油缸的同步運行。開閉規律示意圖見圖2。

圖2 開閉規律示意圖

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。其主要性能指標見表1。

表1 MSC I性能參數表

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，并對比例伺服閥輸出±10 mA的控制信號。其性能指標如下: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路基準電壓輸出:DC±10V，且具備短路保護功能。2)開關量輸入輸出模塊QDIO 16/16:用于輸入、輸出各種開關量信號。其性能指標如下:16×I/O，工作電壓:DC 24V。3)總線通訊模塊QEBUS-CAN:用于接收筒閥各個接力器下腔壓力數據。

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:由詢問信號的電流脈沖所產生的磁場(沿波導管運行)與位置磁鐵產生的磁場相交產生一個應變脈沖信號，然后計算這個信號被探測所需的時間周期，便能換算出準確的位置。性能及指標:分辨率:2μm;響應速度:比其他測量方式快4～20倍;提供網絡數字輸出 SSI、CANBUS、PROFIBUS、DEVICENET;符合歐洲 CE規格。本方案采用CANBUS傳輸方式。

2.2.3 執行部件:MOOG比例伺服閥

本方案選用MOOG D682直動型高頻響電液伺服閥，該伺服閥采用高性能直動式伺服閥作先導級，有效降低先導閥泄漏，提高閥的動態性能，主閥芯用位移傳感器檢測，內置式電子放大器對主閥芯進行閉環控制。其技術數據如下:額定流量:150 L/min，最大操作壓力:35 MPa，響應時間:11 ms，分辨率:＜0.03%，滯環:＜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，其通過以太網與主控制器MSC進行通訊，觸摸屏故障不影響筒閥正常運行。同時具備通過以太網與PC機連接進行數據傳送及調試。通過觸摸屏可監視圓筒閥實時狀態數據、報警信號，現地對筒閥進行開啟、關閉操作。另外，在更換位移傳感器后可直接在觸摸屏畫面中可對位移傳感器的零點進行標定。

2.2.5 CAN現場總線通訊

本系統中的接力器位移傳感器、壓力傳感器數據均采用CAN現場總線通訊方式與主控制器MSC進行傳輸。其報文采用短幀格式，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了數據出錯率極低。CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，具有極好的檢錯效果。

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。主要采用功能模塊語言，內置直觀的調試界面，方便維護。流程框圖見圖3。

2.3.1 具有啟閉運動規律的調節給定量

筒閥在啟閉過程中，前段通過加速可快速開啟比例閥，當比例閥開口全開后，此時筒閥進入勻速運行，后段通過減速加大緩沖效應，降低機械損害。其他啟閉規律可在筒閥的運行實踐中總結得到，通過編制具有啟閉運動規律的調節給定量實現。

2.3.2 同步故障判斷

通過筒閥6個接力器中每2個接力器A—B、C—D、E—F(對稱位置，如圖1)的反饋位移進行差值比較，3組差值中任何1組大于整定值，則報同步故障。考慮同步故障非系統致命故障，可通過觸摸屏對同步故障進行忽略后繼續操作筒閥，此時筒閥進入開環控制，若出現其他故障，則筒閥停止動作。

圖3 控制流程圖

2.3.3 信號設置

考慮系統各節點中存在的不可靠性，除同步故障信號，增加控制故障(單個接力器實際位移與給定偏差)、比例閥偏差故障(比例閥實際反饋與給定偏差)、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，在筒閥啟閉過程中進行中斷停止判斷。全開、全關極限位置通過程序內置給定量，另外增設3個磁性位置開關信號(全開、未全開、全關)上送監控。操作條件滿足信號主要由筒閥準備就緒信號、比例閥電源正常信號、控制油壓力正常信號、導葉接力器鎖錠投入信號組成。

3 結語

MSC可編程控制器運用于筒閥的控制，有效地解決了筒閥多只油缸的同步問題，提高了系統的可靠性，減少了油缸數量，節省了投資，提高了水電站自動化程度。

［1］杜江，林洪德，張利民.瀑布溝水電站筒形閥結構設計［J］. 東方電機，2010(2):11-15.

［2］馮劍濤，李忠學.可編程控制器在筒閥同步控制中的運用［J］.水電自動化與大壩監測，2002(4):37-40.

［3］樊林，余耀.瀑布溝水電站筒形閥啟閉控制流程［J］.水利水電科技進展，2011(2):20-24.