歡迎來到《圣博凱斯》變頻供水設(shè)備官網(wǎng)
精銳于專業(yè) / 卓然于品質(zhì) -- 20年專注于供水行業(yè),締造至臻品質(zhì) -- 服務(wù)熱線:0731-85783205 18932453205

用西門子S7-300系列PLC,設(shè)計(jì)水電機(jī)組的圓筒閥控制系統(tǒng)

隨著我國高水頭、大容量水電機(jī)組逐步投產(chǎn)與運(yùn)行,圓筒閥在防止高壓漏水,保護(hù)導(dǎo)葉及軸承方面起著重大作用。圓筒閥自身質(zhì)量大、運(yùn)行精度及同步要求高,對其控制系統(tǒng)有著更高的要求。

三峽大學(xué)科技學(xué)院機(jī)電系、中國船舶重工集團(tuán)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(shù)》雜志上撰文,以電液比例閥驅(qū)動(dòng)圓筒閥的接力器,以西門子S7-315作為控制器,采用基于比例積分微分的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)圓筒閥啟停及緊急下落,滿足水電廠的安全運(yùn)行要求。

近年來隨著我國大型水電工程的建設(shè)與投運(yùn),水輪機(jī)的裝機(jī)容量及運(yùn)行水頭越來越大,水輪機(jī)的圓筒閥被廣泛應(yīng)用。水輪機(jī)停機(jī)時(shí),導(dǎo)葉的承壓能力不足(當(dāng)水頭超過100m水電機(jī)組,導(dǎo)葉立面承壓達(dá)到1MPa),導(dǎo)葉立面密封失去作用,水流由導(dǎo)葉立面縫隙泄流至轉(zhuǎn)輪區(qū),帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪蠕動(dòng),破壞機(jī)組軸承等。

水輪機(jī)的圓筒閥可以在機(jī)組停機(jī)時(shí)承擔(dān)高水頭形成的大數(shù)值水壓,避免機(jī)組軸承因蠕動(dòng)而造成的破壞,因此圓筒閥在機(jī)組調(diào)峰、快速啟停、保護(hù)導(dǎo)葉及軸承等方面意義重大。大直徑圓筒閥本身質(zhì)量非常大,其起停通過液壓操控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。如何保證多臺(tái)接力器同步控制圓筒閥的運(yùn)行速率和位置是關(guān)鍵問題。

本文主要針對上述問題研究基于西門子S7-300系列可編程邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)的水電機(jī)組圓筒閥控制系統(tǒng),以滿足水電機(jī)組安全運(yùn)行的要求。

1 水輪機(jī)圓筒閥簡介

水電機(jī)組將水能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,是水力發(fā)電廠的重要組成部分,其中混流式水輪機(jī)運(yùn)用非常普遍。高水頭混流式水輪機(jī)包含蝸殼、導(dǎo)葉、圓筒閥、軸承、轉(zhuǎn)輪、主軸等部件。其中圓筒閥相當(dāng)于一個(gè)隔離閥,布置在固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉之間,起著止水功能。圓筒閥主要由閥體、接力器、導(dǎo)向裝置、同步控制系統(tǒng)、油壓系統(tǒng)等構(gòu)成。

機(jī)組停機(jī)時(shí),圓筒閥處于閉鎖狀態(tài),位于固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉之間,上端與頂蓋下端密封條緊密結(jié)合,下端與座環(huán)上的密封條緊密結(jié)合,防止高水頭下滲水。機(jī)組起動(dòng)時(shí),打開圓筒閥,使圓筒閥至座環(huán)和頂蓋間的腔體內(nèi)部,不影響轉(zhuǎn)輪區(qū)流態(tài)。

停機(jī)時(shí),首先關(guān)閉活動(dòng)導(dǎo)葉,再落下圓筒閥;同時(shí)可滿足機(jī)組故障停機(jī),圓筒閥動(dòng)水狀態(tài)下自動(dòng)關(guān)閥。圓筒閥啟停時(shí)各接力器的同步方法有兩種,即機(jī)械同步和電液同步。電液同步由于可控性強(qiáng)、狀態(tài)過程平穩(wěn)、精度高得到廣泛應(yīng)用。

2 水輪機(jī)圓筒閥結(jié)構(gòu)

本文以高水頭大容量水電機(jī)組圓筒閥為例分析研究。高水頭大容量水電機(jī)組圓筒閥系統(tǒng)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(hào),連續(xù)地、按比例地控制液壓油的流量;壓油裝置的作用是為圓筒閥提供一定壓力的液壓油驅(qū)動(dòng)筒體運(yùn)動(dòng);換向閥的作用是切換液壓油的流向,實(shí)現(xiàn)筒閥本體上行或下行運(yùn)動(dòng);筒閥本體作為被控對象實(shí)現(xiàn)止水功能。

圖1 水電機(jī)組圓筒閥系統(tǒng)組成

3 基于S7-315PLC的圓筒閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于S7-300PLC的圓筒閥控制系統(tǒng)中,由西門子S7-315PLC作為控制器,控制壓油裝置的油壓及比例閥輸出壓力油的流量來驅(qū)動(dòng)圓筒閥的接力器運(yùn)行,同時(shí)將接力器輸出的速度、位移信號(hào)作為反饋量實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

運(yùn)行時(shí),由觸摸屏下發(fā)速度、位置設(shè)定給PLC,PLC將計(jì)算結(jié)果輸出至比例閥,比例閥控制壓油裝置的壓力油流量,壓力油供應(yīng)給接力器,推動(dòng)圓筒閥起停,圓筒閥的實(shí)時(shí)速度、位置經(jīng)傳感器反饋至PLC,完成閉環(huán)控制。

圖2 水電機(jī)組圓筒閥控制系統(tǒng)組成

本文針對圓筒閥起動(dòng)、停止的過程要求,采用閉環(huán)控制,在啟停過程中對圓筒閥的運(yùn)行采用分段速度閉環(huán)控制,即開度的0~5%及95%~100%采用慢速運(yùn)行,5%~95%采用快速運(yùn)行,同時(shí)全程采用位置控制以保證接力器同步。

基于S7-315PLC的圓筒閥控制元件系統(tǒng)包含S7-315PLC控制器、模擬量采集(analog input, AI)模塊、數(shù)字量采集(digital input, DI)模塊、模擬量輸出(analog output, AO)模塊、數(shù)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(hào)并傳輸至PLC中;數(shù)字量采集模塊采集壓油裝置及系統(tǒng)的開關(guān)量信息;PLC通過模擬量輸出模塊連續(xù)控制圓筒閥的運(yùn)行;PLC通過數(shù)字量輸出模塊控制壓油裝置的加壓、換向等;觸摸屏用以改變系統(tǒng)設(shè)置參數(shù),如筒閥運(yùn)行速度等。

圖3 水電機(jī)組圓筒閥控制元件組成

4 圓筒閥控制流程

圓筒閥控制流程利用S7-315PLC內(nèi)部基于可編程邏輯器件的閉環(huán)控制流程實(shí)現(xiàn),主要包括上行運(yùn)動(dòng)流程、下行運(yùn)動(dòng)流程以及事故關(guān)閉流程3個(gè)。

下行運(yùn)動(dòng)時(shí),首先判斷系統(tǒng)的壓力以及系統(tǒng)是否準(zhǔn)備就緒,若壓力及系統(tǒng)正常則以給定的速度運(yùn)行接力器至筒閥到給定的位置,否則異常報(bào)警停止流程,上行運(yùn)動(dòng)時(shí)流程相似。緊急關(guān)閉筒閥時(shí),首先判斷系統(tǒng)的壓力是否正常以及系統(tǒng)是否準(zhǔn)備就緒,若是,則以給定的較大的速度快速落下,否則通過機(jī)械關(guān)閉完成緊急關(guān)閉。

圖4 圓筒閥下行控制流程

圖5 圓筒閥緊急關(guān)閉控制流程

5 結(jié)論

高水頭、大容量水電機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉的承壓能力不足,導(dǎo)致其立面密封失去作用,產(chǎn)生泄流帶動(dòng)機(jī)組蠕動(dòng),破壞導(dǎo)葉密封、軸承等。圓筒閥自身質(zhì)量大、運(yùn)行精度高且同步要求高,對其控制功能的實(shí)現(xiàn)有一定困難。

本文以電液比例閥驅(qū)動(dòng)圓筒閥的接力器,以西門子S7-315PLC作為控制器,對圓筒閥起停運(yùn)行中的速度采用基于比例積分微分的分段閉環(huán)控制,同時(shí)全程采用位置閉環(huán)控制,其優(yōu)點(diǎn)在于能夠保證圓筒閥在全開瞬間、全關(guān)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(yùn)行要求。

猜你喜歡

18932453205