摘要:針對水輪機PCC 智能調(diào)速器的應(yīng)用，介紹PCC的特點，步進式PCC智能調(diào)速器的功能、控制硬件系統(tǒng)、控制軟件及數(shù)液隨動系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞: 可編程計算機控制器；智能；步進電機；調(diào)速器
概述
水輪機調(diào)速器是水力發(fā)電機組的重要輔機。調(diào)速器的功能正不斷擴展和完善，要使調(diào)速器的智能化程度提高，而其操作簡單化，不僅需要新型的控制硬件系統(tǒng)，而且應(yīng)優(yōu)化控制軟件的設(shè)計。因此，水輪機調(diào)速器的智能化是一個硬件和軟件智能程度的綜合問題。
自美國第一臺可編程序控制器 (PLC）問世以來，PLC 控制技術(shù)走過了幾十年的輝煌歷程。奧地利的貝加萊(B&R) 公司在1994年推出新一代的硬件平臺可編程計算機控制器 (PCC），這是對傳統(tǒng)PLC功能的大提升，其系統(tǒng)平臺的智能性、開放性以及組網(wǎng)的靈活性，可使復(fù)雜的控制項目得以完善實現(xiàn)。PCC自1996年進入中國市場以來，已在工業(yè)自動化領(lǐng)域中被廣泛采用。PCC智能調(diào)速器是目前我國生產(chǎn)的新一代水輪機微機調(diào)速器；它將諸多功能集成于可編程計算機控制器 (PCC）內(nèi)，以PCC為控制核心，配以步進電機式隨動系統(tǒng)為功率放大單元，以構(gòu)成高可靠性的調(diào)速器。
1 PCC的主要特點
PCC作為一個全新的概念，代表了當(dāng)今工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。
1.1 PCC與PLC、IPC 的區(qū)別
PCC是在PLC的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它集成了PLC、IPC(工業(yè)控制機)和大型計算機的的各自優(yōu)點，而且具有自身的優(yōu)勢。PCC擺脫了PLC中單個程序?qū)τ布囊蕾?，也彌補了IPC布線不靈活的短處。
1.2 PCC的的功能優(yōu)勢
1.2.1 PCC 能夠提供面向軟件及硬件的模塊化、標準化的設(shè)計，其最大特點就在于它采用了定性多任務(wù)分時的操作系統(tǒng)及多樣化的應(yīng)用軟件的設(shè)計。
1.2.2 與傳統(tǒng)的PLC相比，PCC產(chǎn)品有著如下明顯的優(yōu)勢：
a. PCC融合了大型計算機的分析運算能力，智能性由此得到明顯的提高；
b. 采用多任務(wù)分時機制，其應(yīng)用程序由多任務(wù)模塊構(gòu)成，大大方便于控制項目的應(yīng)用軟件開發(fā)，
以及使用高級語言編程；
c. 能夠方便地處理開關(guān)量、模擬量，并提供回路調(diào)節(jié)功能；
d. pcc產(chǎn)品通過現(xiàn)場總線技術(shù)，可以很方便地進行組網(wǎng)，且具有強大的通信能力。
1.3 PCC對設(shè)備智能化的改善與提高
PCC可改善與提高設(shè)備的智能化，體現(xiàn)為：
1.3.1 智能化控制。智能化控制是指PCC產(chǎn)品具備智能的硬件基礎(chǔ)，又具備軟件上的智能化算法。
1.3.2 智能化管理。智能化管理是指PCC產(chǎn)品的控制系統(tǒng)具備自身的智能診斷、開放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用軟件具備智能診斷及報警功能；產(chǎn)品智能化，而操作卻簡單化。
2. 水輪機步進式PCC智能調(diào)速器的優(yōu)點與功能
目前我國應(yīng)用的水輪機步進式PC智能調(diào)速器，可以更適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)及被控制系統(tǒng)的特性。與
常規(guī)的步進式PLC調(diào)速器比較，它具有如下明顯的優(yōu)點和性能：
2.1 全新控制，全面PCC化，具有高效率和高可靠性。
由于采用高級語言，分析運算能力強，在同一CPU中，PCC能同時運行不同程序，且僅掃描部分程序，因而效率高。而常規(guī)PLC須掃描所有程序,占用CPU時間。
從輸入到輸出，從測頻到控制脈沖，從算術(shù)運算到邏輯運算，從人機界面到聯(lián)網(wǎng)通訊等各環(huán)節(jié)，均實現(xiàn)了PCC 化。PCC的平均無故障時間(MTBF) 高達50萬小時，各種動態(tài)、靜態(tài)性能指標均達到或優(yōu)于國家標準（GB/T-9652.1--1997）。
2.2 多任務(wù)分時技術(shù)，智能化、適應(yīng)式控制。
在PCC 中，采用多任務(wù)來直接進行并行處理，即當(dāng)某一任務(wù)在等待時，其他任務(wù)仍可繼續(xù)執(zhí)行，而傳統(tǒng)的PLC是靠程序掃描來完成并行處理。PCC調(diào)速器具有適應(yīng)式變結(jié)構(gòu)，可進行變參數(shù)并聯(lián)PID 調(diào)節(jié)，具有很強的診斷能力和冗錯功能。
2.3 由PCC 實現(xiàn)高速計數(shù)測頻、信號綜合及脈寬調(diào)制。
采用PCC高速計數(shù)模塊(HSC) 測頻，計數(shù)頻率高，具有很高的測頻精度和可靠性。調(diào)節(jié)器的綜合信號為數(shù)字信號，包括電氣開度、接力器實際位移等；此綜合數(shù)字信號由PCC 內(nèi)部進行綜合比較，再輸出方向信號和控制脈沖信號，經(jīng)功率放大后，直接驅(qū)動步進電機，以發(fā)揮多任務(wù)的功能。
2.4 聯(lián)網(wǎng)方便，調(diào)節(jié)模式靈活。
具有RS232、CAN通訊接口，可以方便地實現(xiàn)人機對話、與上位機通訊；其調(diào)節(jié)模式可實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)，并可實現(xiàn)調(diào)節(jié)模式間的無擾動切換，提高了電站的自動化水平。
2.5 電位轉(zhuǎn)換采用步進電機，具有故障鎖錠的功能。
采用步進電機做為電位轉(zhuǎn)換元件，克服了常規(guī)電液轉(zhuǎn)換器的油污發(fā)卡問題，以保證自動運行可靠。由于步進電機具有斷電不動的特點，因此在測頻信號消失及斷電等情況下，調(diào)速器具有故障鎖錠的功能。
2.6 友好的人機界面，調(diào)試、維護簡單方便。
采用觸摸屏做為人機界面，操作方便。由于PCC的高度集成化和高可靠性，調(diào)試只需設(shè)定有關(guān)數(shù)字，而電位器等可調(diào)元件少，對于運行維護人員沒有太高的技術(shù)性要求。
3. PCC 調(diào)速器的結(jié)構(gòu)型式
3.1 控制硬件系統(tǒng)
目前我國生產(chǎn)了一些步進式PCC 智能調(diào)速器產(chǎn)品，如YZBT 型PCC智能（中小型）調(diào)速器等，其硬件以B&R公司2000或2003 系列PCC為主體，CPU模塊采用多處理器結(jié)構(gòu)。其中，I/O 處理器獨立負責(zé)CPU的數(shù)據(jù)傳輸，雙口控制器負責(zé)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的管理。這種多CPU并行處理，彼此之間既是獨立又關(guān)聯(lián)，從而使主CPU的資源得到了合理使用，同時又最大限度地提高了整個系統(tǒng)的速度；采用多任務(wù)分時技術(shù)，使計算機控制系統(tǒng)得到優(yōu)化，而具備良好的實時性。
硬件系統(tǒng)進行以下幾方面的配置：在硬件配置的選擇上，測頻環(huán)節(jié)的輸入采用PCC高速計數(shù)模塊(HSC) ，計數(shù)頻率高達4MHz，具有遠高于PLC的測頻精度；接力器位移量輸入采用模擬量模塊（AI），步進電機驅(qū)動脈沖輸出、調(diào)速器開關(guān)量輸入/輸出采用數(shù)字量混合模塊（DM），調(diào)速器的人機接口采用緊湊型人機接口面板（P）。
3.2 控制軟件
在PCC 調(diào)速器中，除了作為智能核心的硬件平臺之外，應(yīng)用軟件的設(shè)計也是至關(guān)重要的。該調(diào)速器的軟件包括PCC部分和人機接口面板部分。PCC部分的編程語言采用B&R公司的PL2000高級語言，編程更方便，更利于描述復(fù)雜的控制思想。人機接口面板P120部分采用PCS軟件編制。在同一CPU 中能同時運行不同程序，且僅掃描部分程序，因此其效率比PLC大為提高，分析運算能力強。
3.3 數(shù)液隨動系統(tǒng)
PCC 調(diào)速器采用增量式數(shù)字PID控制算法，即直接利用其增量計算結(jié)果，驅(qū)動步進電機帶動機械液壓隨動系統(tǒng)（簡稱為機液隨動系統(tǒng)），步進電機與機液隨動系統(tǒng)可視為數(shù)液隨動系統(tǒng)。
PCC 調(diào)速器的數(shù)液隨動系統(tǒng)為二級隨動系統(tǒng)。第一級為由脈沖分配器、功率放大單元、步進電機構(gòu)成的機電隨動系統(tǒng)；第二級由兩級液壓放大裝置組成，步進電機作為第一級液壓放大裝置的中間接力器輸出。調(diào)差的反饋信號除了可取自機組的輸出功率外，還可取自步進電機的位移輸出。由于液壓隨動系統(tǒng)中取消了傳統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換器，采用步進電機驅(qū)動的步進式引導(dǎo)閥，從根本上解決了常規(guī)電液轉(zhuǎn)換器的油污發(fā)卡、控制失靈等問題，大大提高了電液隨動系統(tǒng)的可靠性，可以實現(xiàn)完全可靠的自動運行。
4. PCC 調(diào)速器的應(yīng)用實例
在我國，現(xiàn)有水輪機PCC調(diào)速器的研制生產(chǎn)單位及其產(chǎn)品有：天津市科音自控設(shè)備有限公司研制的YZBT系列PCC智能調(diào)速器，它是用PCC配以步進電機式隨動系統(tǒng)，構(gòu)成高可靠性的中小型水輪調(diào)速器；陜西省科研院校研制的YWT-PCC 型調(diào)速器，它是新一代以PCC為核心，基于現(xiàn)場總線的步進式微機調(diào)速器；武漢市能達通用電氣股份合作公司研制的PCC智能水輪機調(diào)速器，其PCC是32 位可編程控制器，為工業(yè)現(xiàn)場控制而設(shè)計。
4.1 YZBT 型PCC 調(diào)速器的應(yīng)用實例
福建省建甌市順陽鄉(xiāng)馬鞍水電站于2002年安裝了YZBT型PCC調(diào)速器。依照GB /T 9652.2-1997《水輪機調(diào)速器與油壓裝置試驗驗收規(guī)程》，進行了微機調(diào)速器的靜態(tài)特性試驗和水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性試驗?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，該調(diào)速器具有良好的靜、動態(tài)特性，各項性能指標均達到或優(yōu)于GB / 9652.1-1997《水輪機調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件》的規(guī)定。其主要試驗結(jié)果及鑒定如下：
4.1.1 調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)為0.03% ，靜態(tài)特性非線性度為3.5%；
4.1.2 空載擾動試驗。轉(zhuǎn)速擾動量以 80% ，其中參數(shù)組Kp=2.62、K1=0.51/s、Kd=2.04s，其調(diào)節(jié)過程保證了穩(wěn)定性，且調(diào)節(jié)時間Tp較短，最大偏差?nmax較小，超調(diào)量 較小，振蕩次數(shù)X較少，而衰減度 較大，說明調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)良。選此參數(shù)組作為空載運行的最佳PID參數(shù)；
4.1.3 突變負荷試驗。該參數(shù)組的動態(tài)特性良好；
4.1.4 機組甩25%額定負荷，接力器不動時間為0.5S；甩50%、75%、100%額定負荷，接力器不
動時間小于0.175S；
4.1.5 甩100%額定負荷時，水擊壓力上升為28%，機組轉(zhuǎn)速上升為19%，滿足調(diào)節(jié)保證的要求。
該YZBT 型調(diào)速器投入運行，動態(tài)穩(wěn)定性與速動性均為優(yōu)良，且使用簡單、方便，體現(xiàn)了高可靠性高效、智能型的優(yōu)點。
4.2 YZBT 型調(diào)速器產(chǎn)品的技術(shù)性能及參數(shù)
4.2.1 主要技術(shù)指標
轉(zhuǎn)速死區(qū)不大于0.08%；靜態(tài)特性非線性度小于5%；甩大于25%額定負荷，接力器不動時間不大于0.2s ；機頻測量：機端電壓互感器(0.2~160V)或齒盤信號；網(wǎng)頻測量：電壓互感(70~160V)；溫度漂移小于0.02%；綜合漂移小于0.6%。
4.2.2 調(diào)節(jié)參數(shù)
永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp：0~10%；比例增益Kp：0.5~20；積分增益KI：0~10%s； 微分增益Kd:0~5s
頻率人工死區(qū)Ex： 0.5Hz。
4.2.3 控制參數(shù)
電氣開限：0~100%；頻率給定：45~55Hz；開度給定：0~100%；功率給定：0~110%；調(diào)速器操作功：3000，6000，10000，!18000，30000，50000(N.m)；工作油壓2.5MPa，4.0MPa。
參考文獻：
[1] 南海鵬，王德意，王濤.基于可編程計算機控制器的水輪機調(diào)速器[J].中國農(nóng)村水利水電
2001，（5）
作者簡介：
伍哲身(1945，男，福建石獅人，高級講師，全國水利水電中專教研會水動主、輔機課程組組長，從事水電站機電設(shè)備的教學(xué)工作及工程技術(shù))
福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建永安 366000