水轮机主阀(球阀)自动控制

2013年度本科生毕业论文
水轮机主阀（球阀）自动控制
院－系：工学院
专业：电气工程及其自动化
年级：
学生姓名：
学号：
导师及职称：
2013年4月
2013 Annual Graduation Thesis of the College Undergraduate
Hydraulic turbine main valve (ball
valve) control
Department:engineering institute
Major:Electrical engineering and automation
Grade:
Student’s Name:
Student No.:
Tutor:
April, 2013
毕业论文（设计）原创性声明
本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

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对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。

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日期：日期：
毕业论文（设计）答辩委员会(答辩小组)成员名单
为了满足水电站机组运行与检修的需要，在水电站的引水系统和水轮机的过流系统中，不同位置应装设相应的闸门或阀门对水流加以控制，如进水口的工作闸门和检修闸门、尾水管出口的检修闸门和水轮机蜗壳前的阀门等。

通常将装设在水轮机蜗壳前的阀门称为主阀(又称进水阀)。

水轮机进水球阀是水轮发电机组的取水咽喉所在，对水轮发电机组在运行中的安全运行有着重要的意义。

水轮机进水球阀是机组和电站的一种重要安全保护设备，通常只有全开和全关两种状态，不允许部分开启来调节流量，以免造成过大的水力损失和影响水流稳定而引起过大的振动。

水轮机进水阀是水电站进水管线系统中截断或接通水流的控制设备。

对其工况要求：发电时必须可靠开启，并且在全开位要保持，不能出现误关现象；正常停机或事故关机时阀门必须可靠关闭。

本系统是一个水轮机主阀自动化系统，其主要控制对象为接力器操作的球阀型进水阀。

通过以可编程控制器PLC为主要控制器，以油压装置为主要执行元件，以指示球阀开启和关闭的信号灯为主要显示器件，由中控室或球阀控制柜旁能实现球阀的自动启闭。

根据需要，球阀可以单独启闭，亦可以在一个指令下和机组同时按程序启闭。

所有操作程序由可编程控制器PLC来完成。

构成了一个较为完善的水轮机主阀控制系统。

关键词：水电站；水轮机主阀；球阀；自动控制；PLC；
In order to meet the needs of hydropower station operation and maintenance, water diversion system of hydropower station and turbine flow system, the corresponding gate or valve should be installed at different locations to control the water flow, such as intake gate and repair of gates, bulkhead gate of draft tube exit and spiral case in front of the valve. Usually the valve will be installed in front of the turbine spiral case called the inlet valve (also known as the main valve). Progressive water polo valve of hydro-generating unit of hydraulic turbine intake throat, on the operation of turbine-generator unit in safe operation is of great significance.
Progressive water polo valve unit of hydraulic turbine and power station of an important security device, usually full on or full off two States, does not allow you to partially open to regulate the flow, so as not to cause excessive water loss and effects of water flow stability arising from excessive vibration. Turbine inlet valves are water truncating or put in a hydroelectric power station water intake pipeline system control equipment.
Her condition requirements: must be reliable when power turned on, and fully opened, maintained, cannot appear by mistake closed; outages or accidents shut down valve must be reliable and close properly.
This system is an automation system main valve of hydraulic turbine, the main action of the relay to control the object ball valve-type water inlet valve. Programmable logic controller PLC by the main controller in order to pressure oil supply units for main actuators, signal lights to indicate that the ball valve is opened and closed as the main display, in the control room or control cabinet can achieve next ball valve ball valve automatically open and close. Depending on your needs, gate ball valve can be individually, in a directive, and units as well as opening and closing by program. All procedures done by PLC programmable controller. Constitute a better main valve of hydraulic turbine control systems.
Key words:hydropower station; hydraulic turbine main valve; ball valve control; PLC;
目录
第一章绪论……………………………………………………………………错误！未定义书签。

1. 本次课题研究的背景和意义…………………………………………错
误！未定义书签。

2. 水轮机主阀(球阀)的作用……………………………………………错
误！未定义书签。

3. 进水球阀的结构及其主要特点 (2)
4. 进水球阀的工作原理…………………………………………………错
误！未定义书签。

第二章主阀控制系统的整体方案……………………………………………错误！未定义书签。

1. 设计流程………………………………………………………………错
误！未定义书签。

2. 主阀自动化系统的组成及作用………………………………………错
误！未定义书签。

3. 主阀门的控制要求……………………………………………………错
误！未定义书签。

2.1球阀的开启 (4)
2.2球阀的关闭 (4)
2.3球阀紧急关闭 (4)
第三章主阀控制系统硬件的设计 (5)
1．主阀控制系统硬件概述 (5)
2．三菱FX2N PLC介绍 (5)
3．主阀（球阀）自动控制基本原理……………………………………错误！未定义书签。

4．PLC与外部元件的连接 (10)
第四章主阀控制系统软软件的设计…………………………………………错
误！未定义书签。

1． PLC指令程序的编写 (12)
2． PLC梯形图程序 (13)
3． PLC与组态王的通讯 (14)
第五章总结 (18)
参考文献 (19)
致谢 (20)
第一章绪论
1.本次课题研究的背景和意义
本次毕业设计是在牛林老师的带领下，来到屏边倮姑水电站实地考察、收集资料、理论联系实际的一次工程实践项目。

众所周知水电是清洁能源，可再生、无污染、运行费用低，便于进行电力调峰，有利于提高资源利用率和经济社会的综合效益。

在地球传统能源日益紧张的情况下，世界各国普遍优先开发水电大力利用水能资源。

水轮机是水电站生产电能的主要动力设备。

以水轮机为原动机将水能转化为电能的发电机。

水流经过水轮机时，将水能转换成机械能，水轮机的转轴又带动发电机的转子，将机械能转换成电能而输出。

水轮机主阀作为水轮机的重要组成部分，是机组和电站的一种重要安全保护设备。

对其进行自动控制，对于水电站的正常运行及安全都具有重要的意义。

本文的内容可在实际中广泛应用，满足了水电站的基本要求，具有一定的经济和理论研究价值。

2.水轮机主阀（球阀）的作用
为了满足水电站机组运行与检修的需要，在水电站的引水系统和水轮机的过流系统中，不同位置应装设相应的闸门或阀门对水流加以控制，如进水口的工作闸门和检修闸门、尾水管出口的尾水检修闸门等。

通常将装设在水轮机蜗壳前的阀门称为主阀(又进水阀)。

水轮机主阀是机组和电站的一种重要安全保护设备，通常只有全开和全关两种状态，不允许部分开启来调节流量，以免造成过大的水力损失和影响水流稳定而引起过大的振动。

水轮机进水阀是水电站进水管线系统中截断或接通水流的控制设备。

其主要作用如下：
1.为水轮发电机组检修提供安全工作条件，即机组检修时，在静水中
关闭进水阀，截断机组进水。

2.当水轮机组需长时间停用时，截断上游来水，以减少导叶漏水及因
漏水造成的间隙之间的气蚀损坏。

还可避免机组长期运行后,因导叶漏水量增大而不能停机的问题。

重新开机时还可缩短机组所需的时间。

3.当水轮机组调速系统发生故障，机组转速升高到整定值的情况下，
动水紧急关阀,防止事故扩大。

4.水轮机双密封进水阀不仅具有以上功能，而且可保证在不排空阀前
压力钢管内部压力水的情况下，检修其阀轴密封或工作密封。

检修过程中，不影响其它机组的正常运行。

3.进水球阀结构及其主要特点
球阀主要由两个半球组成的可拆卸的球形阀体和圆筒形活门组成。

关闭时，活门旋转90度来阶段水流，在活门上设有一块可移动的球面圆板止漏盖，它在由其间隙进入的压力水作用下，推动止漏盖封住出口侧的孔口，随着阀后水压力的降低，形成严密的水封；在开启位置时，这个圆筒形活门的过水断面就与引水钢管直通，所以法门对水流不产生阻力，亦不会发生震动现象，对提高水轮机的工作效率特别有利。

球形阀的优点是关闭严密，漏水极少，水力损失小，止水面磨损小。

缺点是体积量大，重量大，用于管道直径在2-3米以下，水头在250米以上的高水头电站。

4.进水球阀的工作原理
进水球阀广泛应用在中、小直径高水头水电站上(一般用于最高静水头大于250m的水电站)，由于其活门为圆筒形,内径与钢管的直径相同,过流时水力损失接近于零,因此特别适用于流速高的场合。

现代球阀一般采用卧轴布置,主要由阀壳、活门及轴端、密封装置、操作机构等组成, 活门为一旋转的球体,关闭水道时利用球体挡水；旋转90°后开启,水流经球体中心与水道直径一致的圆柱孔通过,无阻水构件，水头损失小。

按密封形式的不同分为单面密封球阀和双面密封球阀，现在以双面密封球阀居多,即在上游进口端设检修密封,下游出口端设工作密封。

球阀的优点是关闭严密,漏水极少；密封装置不易磨损,使用寿命长；全开时几乎无水力损失；阀门开关时两密封副无磨擦旋转,故启闭操作力矩小；可进行动水紧急关闭等。

第二章主阀自动控制系统的整体方案
1. 设计流程
1.深入了解和分析水轮机主阀的控制要求和控制部件。

2.确定I/O设备。

根据主阀控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。

3.分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。

4.设计自动控制系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个自动控制系统设计的核心工作。

5.设计组态王与PLC的通讯，实现由中控室上位机对球阀的操作。

6.将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。

2.球阀自动化系统组成及作用
水轮机进水球阀系统由液动双密封球阀、液压系统、电气系统及附属设备等组成。

进水球阀的附件包括旁通阀、上、下游连接管、伸缩节、空气阀和蜗壳放空排水阀等。

液动双密封球阀基本形式为卧轴双密封结构。

液压系统由油压装置和操作机构二部分组成，为主要的执行机构。

控制系统以PLC为核心, 可就地操作或远程控制，也可采用触摸屏进行操作。

执行机构控制柜
上游管
下游管
3.主阀门的控制要求
由中控室或球阀控制柜旁能实现球阀的自动启闭。

所有操作程序由球阀控制柜内的可编程控制器PLC来完成。

球阀控制柜设有操作球阀开启和关闭的按钮，便于就地操作；同时通过与组态王的通讯，能够实现中控室远程操作。

并且在现地和机旁有指示球阀开启和关闭的状态指示灯。

2.1球阀的开启
球阀正常操作时，开阀命令下达后由PLC接收开阀命令，通过接力器将球阀开至全开位置,球阀全开位置行程开关使指示球阀开启的红色信号灯明亮，开启球阀程序完成。

2.2球阀的关闭
当需要球阀关闭时，PLC收到球阀关闭指令球阀关闭。

球阀全关后，工作密封投入，球阀液压锁锭投入。

2.3球阀紧急关闭
1. 当PLC接收到紧急关闭球阀命令。

2.命令在机组紧急事故(过温、过速)的情况下，由紧急事故停机继电器直接作用停机的同时使球阀事故关闭，以保护机组，避免事故进一步扩大。

第三章主阀控制系统硬件的设计
1. 主阀控制系统硬件概述
水轮机进水球阀控制柜应设有以下信号装置：指示主阀开启与关闭的信号装置；指示旁通阀开启与关闭的信号装置；指示接力器锁定投入与拔出的信号装置；指示工作、检修密封的信号装置；油压表、阀前、阀后水压表。

这些传感器提供信号，并与控制柜和中央控制室连接，实现阀门的就地操作或中央控制，满足系统的要求。

控制系统以PLC为核心,此处采用三菱FX2N PLC。

（可编程控制器PLC，图片取自倮姑水电站现场）
2. 三菱FX2N PLC介绍
1. 三菱FX2N PLC 的主要特点：
1)集成型高性能。

CPU、电源、输入输出三为一体。

对6 种基本单元，可以以最小8 点为单元连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256 点。

2)高速运算
基本指令：0.08μs／指令
应用指令：1.52～几百μs／指令
3)安全、宽裕的存储器规格
内置8000 步RAM 存贮器
安装存储盒后，最大可以扩展到16000 步。

4)丰富的软元件范围
辅助继电器：3072 点，定时器：256 点，计数：235 点
数据寄存器；8000 点
5)除了具有输入输出16～256 点的一般速途，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制。

6)面向海外的产品适合各种安全规格为大量实际应用而开发的特殊功能：
开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要----模拟I／O，高速计数器。

对每一个FX2N 主单元可配置总计达8 个特殊功能模块。

2. PLC 的性能指标和分类
1) PLC 的主要性能指标
(1)输入／输出点数（I／O 点数）
I／O 点数是指可编程序控制器外部输入、输出端子数的总和。

它标志着可以
接多少个开关、按钮和可以控制多少个负载。

(2)存储容量
存储容量是指可编程序控制器内部用于存放用户程序的存储器容量，一般以步为单位，二进制16 位即一个字为一步。

(3)扫描速度
一般以执行1000 步指令所需时间来衡量，单位为ms/k 步，也有以执行一步指令所需时间来计算的，单位用μs/步。

(4)功能扩展能力
可编程序控制器除了主模块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊应用的需要，如A／D 模块、D／A 模块、位置控制模块等。

(5)指令系统
指令系统是指一台可编程序控制器指令的总和，它是衡量可编程序控制器功能强弱的主要指标。

2) PLC 的分类
通常，PLC 产品可按结构形式、控制规模等进行分类。

按结构形式不同, 可以分为整体式和模块式两类。

按控制规模大小、则可以分为小型、中型和大型PLC
三种类型。

3. PLC 系统的组成
PLC 是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其硬件结构与微型计算机控制系统相似。

PLC 也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。

1) PLC 的硬件结构
一套PLC 系统在硬件上由基本单元（包含中央处理单元、存储器、输入／输出接口、内部电源）、I／O 扩展单元及外部设备组成。

2) PLC 的软件
PLC 的软件系统指PLC 所使用的各种程序的集合，它由系统程序（系统软件）和用户程序（应用软件）组成。

系统程序：包括监控程序、输入译码程序及诊断程序等。

用户程序是用户根据控制要求，用PLC 的编程语言（如梯形图）编制的应用程序。

3. 球阀自动控制基本原理
1.开启操作
当球阀具备了开启条件，即可发出球阀开启命令脉冲，此命令可在机旁屏幕上操作控制开关51SA发出，也可就地操作控制柜上的启动按钮51SB发出，还可以作为机组启动的操作程序之一由开机继电器对应的触点42KST（自动）发出。

开启命令发出后，球阀开启继电器51KBO动作常开触点自保持，然后按照规定的操作程序进行开阀操作。

51KBO的常开触点闭合，接通开启旁通阀拔出锁定的电磁阀51YV0，当51YV0动作后位置接点的51YV的常闭触点断开，其常开触点闭合，并接通有关油路，开启球阀的旁通阀，拔出锁定。

旁通阀对蜗壳充满水，球阀前后水压基本平衡时压力信号器51SP动作，使开启接力器的的电磁阀线圈52YV0带电，将球阀开启。

当球阀开至全开位置时，齐全开位开关1SBV闭合，使51KRR动作，其常闭触点51KRR断开，断开球阀开启继电器51KBO回路，51KBO复归后，其常闭触点闭合，接通关闭旁通阀，投入锁定。

51KRR动作后就地及机旁屏上的球阀全开位置红色指示灯51HR和52HR亮。

至此，球阀开启完毕。

2.关闭操作
关闭球阀命令脉冲，可由机旁屏幕上操作控制开关52SA发出，也可就地操作控制柜上的启动按钮52SB发出，还可以作为机组停机的操作程序之一由停机继电器对应的触点42KST（自动）发出。

还可由事故继电器42KOU对应的触点发出。

关闭命令发出后，球阀关闭继电器51KBC动作常开触点自保持，然后按照规定的操作程序进行开阀操作。

51KBC的常开触点闭合, 接通开启旁通阀拔出锁定的电磁阀51YV0。

当51YV0动作后位置接点的51YV的常闭触点断开，其常开触点闭合，并接通有关油路，开启球阀的旁通阀，拔出锁定。

这一过程与开阀相同。

锁定拔出，球阀关闭接力器电磁阀52YV S带电，则球阀接力器向关闭方向动作将球阀关闭。

当球阀到全关位置时，其全关位置开关2SBV闭合，位置重复继电器52KRR动作，就地及机旁屏幕上的全关位置绿色指示灯51HG和52HG亮。

51KRR的常闭触点断开，51KBC失电返回，常闭触点使51YVs带电，从而将锁定投入旁通阀关闭。

至此，整个关阀操作流程完毕。

液压操作球阀自动控制基本原理接线图
电气元件表
4. PLC与外部元件的连接
(PLC接线图)
第四章主阀控制系统软件的设计1. PLC指令程序编写：
0 LD X000
1 OR X001
2 OR X002
3 OR Y000
4 ANI X012
5 ANI Y001
6 ANI M1
7 OUT Y000
8 LD X003
9 OR X004
10 OR X005
11 OR X006
12 OR M1
13 ANI X013
14 OUT M1
15 OUT T1 K2
18 LD T1
19 OUT Y001
20 LD Y000
21 OR Y001
22 ANI X007
23 OUT Y002
24 LDI Y000
25 ANI Y001
26 AND X007
27 OUT Y003
28 LD Y000
29 ANI X011
30 ANI X010
31 OUT Y004
32 LD Y001
33 AND X010
34 OUT Y005
35 LD X012
36 OUT Y006
37 OUT Y007
38 LD X013
39 OUT Y010
40 OUT Y011
41 END
2.PLC梯形图程序
3.PLC与组态王的通讯
为了实现由中控制对顺轮机主阀进行远程操控，需要进行PLC与组态王之间的通讯的设计。

首先对PLC进行设置。

三菱PLC FX2N 程序：
0 LD M8002
1 MOV HE080 D8120
2 MOV K1 D8121
3 MOV K2012 D201
4 END
程序分析：
D8121---PLC的485通讯站号，在这里我们设置为1号站，这样，在组态王中设置时，就应该在通讯设备站点地址定义时设定为“1”。

D8120---其内容E080表示 :
bit0=0表示数据位为7；
bit2,bit1=(1,1)表示偶校验；
bit3=0表示停止位为1；
(bit7,6,5,4)=(1,0,0,0)表示波特率为9600;
bit8=0表示无首字符；
bit9=0表示无尾字符；
bit10为留存，可以设置为1或者0;
bit11(为DTR检测控制线)=0表示设置为:接收;
bit12=1表示使用硬件握手：信号线ER(DTR)和DR(DSR)用来控制数据发送接收。

注意：设置后必须关PLC电源，再重新给PLC上电，以上设置才能生效。

完成上述设置后，PLC这边的工作就暂告一段落了。

现在进行PC这边的硬件连接和组态王通讯设备设置：
将RS232C/485通讯适配器的D形9孔端插到计算机的串口1（COM1），将RS232C/485通讯适配器的“DATA+”用延长线并联连接到FX2N-485-BD的RDA端子，将“DATA-”用延长线并联连接到FX2N-485-BD的RDB端子。

进入组态王工程浏览器，选择串口1，定义串口参数如图所示：
串口设置为 9600,N,7,1--232C通讯方式。

然后，在COM1新建一个设备——PLC--三菱———FX2_485_通讯口。

默认取名“新IO设备”———COM1---站点地址“1”，若是USB转485那就在电脑找到对应COM口即可。

其余步骤均为默认设置即可。

在数据词典建立变量（球阀开启、球阀关闭、开启指示、关闭指示），数据类型为I/O离散型。

建立一个画面，关联变量。

最后读取数据上来完成通讯。

第五章总结
通过几个月来的辛勤劳动，我顺利的完成了这次毕业设计，虽然其中难免存在着一些问题，但是总体而言这是一次成功的毕业设计。

我所设计的水轮机主阀自动控制系统是整个水电站自动化系统中的一个组成部分，在控制方面可以实现由现地或机旁对顺轮机的进水主阀进行操作，实现对水流的通断处理，可以满足水电站机组运行与检修的需要。

从改进角度来看，其中还可以加入一些保护措施，例如轴承过温保护，机组过速保护等等，可以通过相应的传感器将检测信号反馈给控制器，再由控制器对主阀进行相应的自动操作对机组进行保护，这样将使系统更加的完善，应用价值更高。

但是由于所学知识和能力有限，所以难免有很多的不足之处。

望各位老师批评指点。

参考文献
[1] 黄林根，吴卫国，熊杰《电气设备运行与维护》[M].南京：河海大学出版社，2005: P352-P3.
[2] 许建安,水电站自动化技术[M]. 中国水利水电出版社,2005.
[3] 崔明,变电站与水电站综合自动化[M].中国水利水电出版社,2005.
[4] 徐绍坤、熊伟，《PLC编程设计教程》[M] 中国电力出版社，2011：P22-P153.
[5] 徐绍坤、刘玉，《工厂电气控制技术》[M] 中国科学技术出版社，
2011:P40-P110.
[6] 林春方，《电气控制与PLC原理及应用》[M] 上海交通大学出版社，
2008:P96-P168.
[7] 熊伟.工业组态软件及应用[M]. 中国电力出版社，2012.
[8] 黄容娥. 小型水电站综合自动化配置探讨[J]. 水利科技 , 2007。

[9] 周延松. 中小型水电站监控系统及其软件设计[D]. 北京工业大学 ,2001
致谢
本次毕业设计是在我的导师牛林老师的细心指导下完成的，牛老师带领我们来到屏边倮姑水电站进行实地参观与实习，这次实习是一次难得的理论结合实践的机会，令我受益匪浅。

在本次毕业设计的整个过程中，以及毕业设计的写作、修改和定稿的过程中，曾得到许多老师的热心帮助，在这里首先向他们表示最诚挚的谢意。

另外在电站实习一个月的时间里，电站的领导和工作人员们在获取相关资料和信息等方面对给予了我非常大的帮助，在此向你们表示感谢。

还要感谢母校红河学院还有和我共度四年美好大学生活的2009级电气工程及其自动化的全体同学们、感谢工学院的所有授课老师，感谢你们这四年来给我的指导和帮助。

祝愿母校红河学院越办越好，祝愿老师们培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下。

感谢岁月与困难对我的磨砺“长风破浪会有时，直挂云帆济沧海”，这是我最喜欢的诗句。

以此作为结尾，与所有要感谢的人共勉，相信自己，追逐最初的梦想，永不放弃！。