隨著我國高水頭、大容量水電機組逐步投產與運行，圓筒閥在防止高壓漏水，保護導葉及軸承方麵起著重大作用。圓筒閥自身質量大、運行精度及同步要求高，對其控製係統有著更高的要求。
三峽大學科技學院機電係、中國船舶重工集團有限公司第七一○研究所的研究人員吳雅純、肖冉娉、尚佳、王雅婕、蔣小輝，在2020年第7期《電氣技術》雜誌上撰文，以電液比例閥驅動圓筒閥的接力器，以西門子S7-315作為控製器，采用基於比例積分微分的閉環控製實現圓筒閥啟停及緊急下落，滿足水電廠的安全運行要求。
近年來隨著我國大型水電工程的建設與投運，水輪機的裝機容量及運行水頭越來越大，水輪機的圓筒閥被廣泛應用。水輪機停機時，導葉的承壓能力不足（當水頭超過100m水電機組，導葉立麵承壓達到1MPa），導葉立麵密封失去作用，水流由導葉立麵縫隙泄流至轉輪區，帶動轉輪蠕動，破壞機組軸承等。
水輪機的圓筒閥可以在機組停機時承擔高水頭形成的大數值水壓，避免機組軸承因蠕動而造成的破壞，因此圓筒閥在機組調峰、快速啟停、保護導葉及軸承等方麵意義重大。大直徑圓筒閥本身質量非常大，其起停通過液壓操控係統實現。如何保證多台接力器同步控製圓筒閥的運行速率和位置是關鍵問題。
本文主要針對上述問題研究基於西門子S7-300係列可編程邏輯控製器（programmable logic controller, PLC）的水電機組圓筒閥控製係統，以滿足水電機組安全運行的要求。
1 水輪機圓筒閥簡介
水電機組將水能轉化為機械能，是水力發電廠的重要組成部分，其中混流式水輪機運用非常普遍。高水頭混流式水輪機包含蝸殼、導葉、圓筒閥、軸承、轉輪、主軸等部件。其中圓筒閥相當於一個隔離閥，布置在固定導葉和活動導葉之間，起著止水功能。圓筒閥主要由閥體、接力器、導向裝置、同步控製係統、油壓係統等構成。
機組停機時，圓筒閥處於閉鎖狀態，位於固定導葉和活動導葉之間，上端與頂蓋下端密封條緊密結合，下端與座環上的密封條緊密結合，防止高水頭下滲水。機組起動時，打開圓筒閥，使圓筒閥至座環和頂蓋間的腔體內部，不影響轉輪區流態。
停機時，首先關閉活動導葉，再落下圓筒閥；同時可滿足機組故障停機，圓筒閥動水狀態下自動關閥。圓筒閥啟停時各接力器的同步方法有兩種，即機械同步和電液同步。電液同步由於可控性強、狀態過程平穩、精度高得到廣泛應用。
2 水輪機圓筒閥結構
本文以高水頭大容量水電機組圓筒閥為例分析研究。高水頭大容量水電機組圓筒閥係統包括比例閥、筒閥本體、壓油裝置、換向閥及附屬部件。比例閥的作用是按照輸入的速度/位移信號，連續地、按比例地控製液壓油的流量；壓油裝置的作用是為圓筒閥提供一定壓力的液壓油驅動筒體運動；換向閥的作用是切換液壓油的流向，實現筒閥本體上行或下行運動；筒閥本體作為被控對象實現止水功能。
圖1 水電機組圓筒閥係統組成
3 基於S7-315PLC的圓筒閥控製係統設計
基於S7-300PLC的圓筒閥控製係統中，由西門子S7-315PLC作為控製器，控製壓油裝置的油壓及比例閥輸出壓力油的流量來驅動圓筒閥的接力器運行，同時將接力器輸出的速度、位移信號作為反饋量實現閉環控製。
運行時，由觸摸屏下發速度、位置設定給PLC，PLC將計算結果輸出至比例閥，比例閥控製壓油裝置的壓力油流量，壓力油供應給接力器，推動圓筒閥起停，圓筒閥的實時速度、位置經傳感器反饋至PLC，完成閉環控製。
圖2 水電機組圓筒閥控製係統組成
本文針對圓筒閥起動、停止的過程要求，采用閉環控製，在啟停過程中對圓筒閥的運行采用分段速度閉環控製，即開度的0～5%及95%～100%采用慢速運行，5%～95%采用快速運行，同時全程采用位置控製以保證接力器同步。
基於S7-315PLC的圓筒閥控製元件係統包含S7-315PLC控製器、模擬量采集（analog input, AI）模塊、數字量采集（digital input, DI）模塊、模擬量輸出（analog output, AO）模塊、數字量輸出（digital output, DO）模塊及觸摸屏。
模擬量采集模塊接收傳感器采集的壓力、位移和速度信號並傳輸至PLC中；數字量采集模塊采集壓油裝置及係統的開關量信息；PLC通過模擬量輸出模塊連續控製圓筒閥的運行；PLC通過數字量輸出模塊控製壓油裝置的加壓、換向等；觸摸屏用以改變係統設置參數，如筒閥運行速度等。
圖3 水電機組圓筒閥控製元件組成
4 圓筒閥控製流程
圓筒閥控製流程利用S7-315PLC內部基於可編程邏輯器件的閉環控製流程實現，主要包括上行運動流程、下行運動流程以及事故關閉流程3個。
下行運動時，首先判斷係統的壓力以及係統是否準備就緒，若壓力及係統正常則以給定的速度運行接力器至筒閥到給定的位置，否則異常報警停止流程，上行運動時流程相似。緊急關閉筒閥時，首先判斷係統的壓力是否正常以及係統是否準備就緒，若是，則以給定的較大的速度快速落下，否則通過機械關閉完成緊急關閉。
圖4 圓筒閥下行控製流程
圖5 圓筒閥緊急關閉控製流程
5 結論
高水頭、大容量水電機組活動導葉的承壓能力不足，導致其立麵密封失去作用，產生泄流帶動機組蠕動，破壞導葉密封、軸承等。圓筒閥自身質量大、運行精度高且同步要求高，對其控製功能的實現有一定困難。
本文以電液比例閥驅動圓筒閥的接力器，以西門子S7-315PLC作為控製器，對圓筒閥起停運行中的速度采用基於比例積分微分的分段閉環控製，同時全程采用位置閉環控製，其優點在於能夠保證圓筒閥在全開瞬間、全關瞬間和啟停不同階段對速度的要求，以及保證全程接力器同步，防止圓筒閥傾斜，滿足水電廠的安全運行要求。