MSC可编程控制器在筒阀同步控制中的运用

万 科，杨华蓉，李军路

(国电大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川汉源625304)

0 引言

瀑布沟水电站位于大渡河中游，地处四川西部汉源和甘洛两县交界处，距成都直线距离约200 km，距重庆直线距离约360 km，靠近负荷中心。成昆铁路汉源火车站位于电站下游约5 km的乌斯河镇。瀑布沟水电站以发电为主，兼顾拦沙、防洪等综合利用效益。电站共装设6台水轮发电机组，单机容量为600 MW，总装机容量为3 600 MW。每台水轮机上装设有一套筒形阀，共6套。瀑布沟水电站分别采用了国内外2个厂家所提供的筒形阀，其中1号、3号、5号机组由奥地利安德里茨公司提供，本文主要对奥地利安德里茨公司提供的筒形阀的控制系统进行简要介绍。

1 概述

水轮机筒形阀是法国ASLSTOM公司于1947年提出的专利，它是一个位于水轮机导叶与转轮或导叶与座环之间的可垂直移动的圆筒。机组停机时，该圆筒被移到导水机构的位置，切开水流，起到截流阀的作用。机组运转时，圆筒藏于专门的腔中。从20世纪90年代开始，圆筒阀在我国大中型水电站得到了广泛的应用，主要特点有:1)密封性能好。机组停机时，有效地减少了因导叶漏水引起的能量损失和水轮机导水机构的气蚀磨损，增加有效电量，延长水轮机检修周期。2)动水关闭速度快。具有防飞逸能力，提高了机组的事故保护能力。3)操作灵活、快速。缩短蜗壳充水时间，从而缩短机组启动准备时间和停机时间。4)结构简单，安装方便。筒形阀直接装设在水轮机活动导叶和固定导叶之间，同安装在蜗壳前的球阀、蝶阀相比，缩短了整个厂房的纵向长度，降低了工程造价。

而在圆筒阀的应用实践中如何保证多只接力器的同步成为筒阀控制的关键技术问题。下面就这一问题阐述应用PLC技术实现同步的原理和方法。

2 同步机构原理

传统同步设计采用丝杆链条机械液压同步装置，在筒阀圆周尽可能多地均匀布置多支液压接力器，每支接力器动杆(活塞)下端连接固定在阀体上，活塞上下运动可以驱动阀门启闭。各活塞的同步移动由可逆传动的滚动螺旋副实现，它是在活塞上固定的一只滚动螺旋传动的螺母，螺母连接传动丝杆，当活塞上下移动时丝杆做正反旋转，丝杆上端连接齿轮将筒阀的垂直运动变为齿轮的旋转，齿轮带动链条一起连动其它接力器的齿轮同速旋转并反作用于其丝杆而实现多只接力器的同步。此同步方案有4个缺点:①直径大的筒阀将布置数量较多的接力器，增加整个系统的投资;②接力器油缸进油口无调节能力，均由调定的节流阀控制流量，接力器运行速度的调节控制没有按调节规律运动的随动性;③链条同步对发生异步的的油缸矫正能力差，易发生链条张力矩过载甚至拉断，导致筒阀启闭失败;④由于油缸进油量由节流阀调整固定，筒阀只能定速启闭，丧失了筒阀直线运动可按程序指定启闭速度进行启闭的优势。

采用PLC输出控制比例阀液压随动系统实现同步。本方案的筒形阀采用全液压技术，通过位移变送器的反馈值进行比较，控制比例阀的供油量以达到每只接力器的同步性。取消了滚动螺旋副和链传动的同步机构。另外，接力器本身不需再设缓冲装置，缓冲功能由PLC控制程序实现。采用本方案与传统的同步控制系统相比有如下特点:1)可以灵活地改变(修改控制程序)阀门关闭开启的运动规律，使之更符合机组运行之需要。2)可以取消机械同步机构，大大简化控制操作机构从而精简筒阀的整体结构，节省机坑内空间，改善运行维护条件。3)减少操作执行组件数量，降低工程造价。

图1 系统结构图

2.1 控制系统基本原理

该系统主要由硬件和控制软件两部分组成，其中硬件部分包含可编程控制器(本方案PLC选用MOOG公司MSC)及其配套的I/O模块、CAN通讯模块、比例伺服阀、位移传感器、压力传感器、工控机等组成。其系统硬件构成见图1。

MSC主控制器PLC程序、触摸屏控制程序DC均由MOOG公司可在WINDOWS下编程的MACS开发而得。系统的基本控制策略如下:整个系统可视为以位移量偏差为负反馈的闭环电液随动系统。在多只接力器不同步的情况下，以位移给定为基准，在给定的启、闭规律基础上按经典PI控制算法，产生控制量作用到比例伺服阀上，比例伺服阀控制油流量大小校正发生的不同步的偏差以保证各油缸的同步运行。开闭规律示意图见图2。

图2 开闭规律示意图

2.2 各部分工作元器件特性

2.2.1 主控制器MSC及其各功能模块

本方案PLC采用MOOG公司MSCⅠ，具备 PLC功能并配备现场总线、高分辨率模拟输入/输出以及位置传感器接口的高性能伺服控制器。其主要性能指标见表1。

表1 MSC I性能参数表

各功能模块:1)模拟量输入输出模块QAIO 2/2-AV:用于接收比例伺服阀输出的4～20 mA电流信号，并对比例伺服阀输出±10 mA的控制信号。其性能指标如下:分辨率:16 bit，最小扫描周期:400μs;2路模拟量输入范围:电压 DC±10V，电流 DC±10mA、4～20 mA;2路模拟量输出范围:电压DC±10V，电流DC±10mA、±50mA 、4～20 mA，且具备断线自诊断功能;1路基准电压输出:DC±10V，且具备短路保护功能。2)开关量输入输出模块QDIO 16/16:用于输入、输出各种开关量信号。其性能指标如下:16×I/O，工作电压:DC 24V。3)总线通讯模块QEBUS-CAN:用于接收筒阀各个接力器下腔压力数据。

2.2.2 测量部件:位移传感器

选用美国MTS Temposonics III(PB/PH)非接触式位移传感器。工作原理:由询问信号的电流脉冲所产生的磁场(沿波导管运行)与位置磁铁产生的磁场相交产生一个应变脉冲信号，然后计算这个信号被探测所需的时间周期，便能换算出准确的位置。性能及指标:分辨率:2μm;响应速度:比其他测量方式快4～20倍;提供网络数字输出 SSI、CANBUS、PROFIBUS、DEVICENET;符合欧洲 CE规格。本方案采用CANBUS传输方式。

2.2.3 执行部件:MOOG比例伺服阀

本方案选用MOOG D682直动型高频响电液伺服阀，该伺服阀采用高性能直动式伺服阀作先导级，有效降低先导阀泄漏，提高阀的动态性能，主阀芯用位移传感器检测，内置式电子放大器对主阀芯进行闭环控制。其技术数据如下:额定流量:150 L/min，最大操作压力:35 MPa，响应时间:11 ms，分辨率:＜0.03%，滞环:＜0.2%，电源电压DC 18～32 V，控制电压:±10V，输出电流:4～20 mA。

2.2.4 操作显示终端

本系统选用MOOG的触摸操作显示终端，显示画面可通过配套的MACS软件制作，其通过以太网与主控制器MSC进行通讯，触摸屏故障不影响筒阀正常运行。同时具备通过以太网与PC机连接进行数据传送及调试。通过触摸屏可监视圆筒阀实时状态数据、报警信号，现地对筒阀进行开启、关闭操作。另外，在更换位移传感器后可直接在触摸屏画面中可对位移传感器的零点进行标定。

2.2.5 CAN现场总线通讯

本系统中的接力器位移传感器、压力传感器数据均采用CAN现场总线通讯方式与主控制器MSC进行传输。其报文采用短帧格式，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。

2.3 控制逻辑

主控制器MSC与触摸屏程序均采用MOOG MACS编程软件编写，通用性强。主要采用功能模块语言，内置直观的调试界面，方便维护。流程框图见图3。

2.3.1 具有启闭运动规律的调节给定量

筒阀在启闭过程中，前段通过加速可快速开启比例阀，当比例阀开口全开后，此时筒阀进入匀速运行，后段通过减速加大缓冲效应，降低机械损害。其他启闭规律可在筒阀的运行实践中总结得到，通过编制具有启闭运动规律的调节给定量实现。

2.3.2 同步故障判断

通过筒阀6个接力器中每2个接力器A—B、C—D、E—F(对称位置，如图1)的反馈位移进行差值比较，3组差值中任何1组大于整定值，则报同步故障。考虑同步故障非系统致命故障，可通过触摸屏对同步故障进行忽略后继续操作筒阀，此时筒阀进入开环控制，若出现其他故障，则筒阀停止动作。

图3 控制流程图

2.3.3 信号设置

考虑系统各节点中存在的不可靠性，除同步故障信号，增加控制故障(单个接力器实际位移与给定偏差)、比例阀偏差故障(比例阀实际反馈与给定偏差)、压力过大(接力器下腔压力超过整定值)、传感器故障(位移传感器、压力传感器断线判断)等信号，在筒阀启闭过程中进行中断停止判断。全开、全关极限位置通过程序内置给定量，另外增设3个磁性位置开关信号(全开、未全开、全关)上送监控。操作条件满足信号主要由筒阀准备就绪信号、比例阀电源正常信号、控制油压力正常信号、导叶接力器锁锭投入信号组成。

3 结语

MSC可编程控制器运用于筒阀的控制，有效地解决了筒阀多只油缸的同步问题，提高了系统的可靠性，减少了油缸数量，节省了投资，提高了水电站自动化程度。

［1］杜江，林洪德，张利民.瀑布沟水电站筒形阀结构设计［J］. 东方电机，2010(2):11-15.

［2］冯剑涛，李忠学.可编程控制器在筒阀同步控制中的运用［J］.水电自动化与大坝监测，2002(4):37-40.

［3］樊林，余耀.瀑布沟水电站筒形阀启闭控制流程［J］.水利水电科技进展，2011(2):20-24.