〔摘要〕：PCC是計算機(jī)功能比PLC （可編程邏輯控制器）更為強(qiáng)大的一種可編程控制器，可支持多個CPU同時工作并能實現(xiàn)多個任務(wù)分時按優(yōu)先級運行，因此編程簡潔運行快速，更適合實時控制的調(diào)速器的需要。本文介紹PCC 技術(shù)與《步進(jìn)電機(jī)—絲杠螺母副》式電/液變換技術(shù)相結(jié)合，在水力發(fā)電廠電液調(diào)速器技術(shù)更新改造中的成功應(yīng)用。
〔關(guān)鍵詞〕：PCC 技術(shù)；步進(jìn)電機(jī)；絲杠螺母副；調(diào)速器
0 前言
黑河象山水電廠采用的有壓隧洞供水，隧洞全長500m，到廠房前分為叉管通向各臺機(jī)組。電廠共裝有SLD74 –LJ-140型水輪發(fā)電機(jī)組三臺：N＝3×6000KW，Hr＝44.15m，Qr＝15.77m/s，nr＝375r/min，配用YDT-3000型電液調(diào)速器。
為了提高機(jī)組運行的穩(wěn)定性和可靠性，和提高電廠的自動化管理水平，2001 年10 月象山水電廠與南寧發(fā)電設(shè)備總廠（2001 年12月該廠的輔機(jī)部分已改制形成專業(yè)化公司—南寧瑞能處控技術(shù)有限公司）合作，采用PCC技術(shù)和《步進(jìn)電機(jī)—絲杠螺母副》式電/液變換技術(shù)對象山水電廠3#機(jī)的YDT-3000型電液調(diào)速器進(jìn)行技術(shù)改造。改造工作于2001年10月18日完成，機(jī)組投入運行前對調(diào)速器進(jìn)行了全面的靜、動態(tài)性能驗收試驗，其性能指標(biāo)達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)要求，隨后3# 機(jī)即投入商業(yè)運行考驗，隨后對余下的2臺進(jìn)行了改造。
由于負(fù)荷調(diào)度的需要，象山水電廠三臺機(jī)組的起、停操作都比較頻繁，但三臺PCC 微機(jī)調(diào)速器均能經(jīng)受住考驗，正確可靠地工作未見出現(xiàn)故障。三臺調(diào)速器改造成PCC微機(jī)調(diào)速器后，其《PCC微機(jī)調(diào)節(jié)器》和《步進(jìn)電機(jī)—絲杠螺母副》式電/ 液變換裝置工作可靠性高，調(diào)速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)也變得相當(dāng)簡單，運行的穩(wěn)定性和可靠性令人滿意，而且使用操作方便、維護(hù)工作量小，實現(xiàn)了中控室遠(yuǎn)方操作，滿足了象山水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求。另外，由于取消了原來的控制套式電液轉(zhuǎn)換器，減少了調(diào)速器的耗油量，所以，油泵的啟動次數(shù)也明顯減少。因此，我們認(rèn)為對象山水電廠YDT-3000型電液調(diào)速器所進(jìn)行的技術(shù)改造是成功的。
1 調(diào)速器改造的思路和方案
隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，電站對調(diào)速器的要求也愈加嚴(yán)格，他們不僅要求調(diào)速器的性能好，而且對其可靠性的要求也越來越高。同時，還提出了逐步實現(xiàn)“無人值班，少人值守”的要求。因此，調(diào)速器產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性，以及是否能與計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)相匹配等等，已經(jīng)成為用戶關(guān)注的焦點。
象山水電廠的YDT-3000型電液調(diào)速器，其性能還是不錯的比較優(yōu)越，但原還存在著以下幾個方面的弱點：
1.1 其《YDT 調(diào)節(jié)器》屬模擬電路型，性能受電壓、溫度和時間這三種“漂移”的影響較大，電路也較復(fù)雜且難于調(diào)整，因此，對運行維護(hù)人員的要求比較高。
1.2 由于調(diào)速器產(chǎn)品屬單件小批量生產(chǎn)，因此，其電子元器件的采購來源不夠穩(wěn)定，檢測、老化和篩選工作也不容易做到家，而且，單件小批量生產(chǎn)難以擺脫“手工作坊”式的生產(chǎn)模式。因此產(chǎn)品制造工藝水平低，至使產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性較差。
1.3 調(diào)速器使用的“電/ 液變換裝置”是操作力小、對油污敏感、可靠性較低的常規(guī)“控制套”式電/液轉(zhuǎn)換器。這種“控制套”/ 液轉(zhuǎn)換器對加工精度、裝配調(diào)試人員的素質(zhì)，以及電站運行維護(hù)水平的要求都比較高（據(jù)統(tǒng)計，由于制造質(zhì)量和電站運行維護(hù)等方面的原因，而由電/液轉(zhuǎn)換器引起的調(diào)速器的故障可占道20%~25%）。
基于以上分析，我們改造思路是：采用先進(jìn)的PCC技術(shù)和《步進(jìn)電機(jī)—絲杠螺母副》式電/液變換技術(shù)對象山水電廠YDT-3000 型調(diào)速器進(jìn)行實質(zhì)性更新改造，借助外部廠商的專業(yè)化優(yōu)勢和性能優(yōu)良的電/液變換技術(shù)，來克服YDT-3000型調(diào)速器存在的不足，以達(dá)到提高機(jī)組運行的穩(wěn)定性和可靠性，和提高電廠的自動化管理水平的目的，具體措施和做法是：
1.3.1 采用全標(biāo)準(zhǔn)模塊式的《PCC 微機(jī)調(diào)節(jié)器》取代模擬電路型的《YDT調(diào)節(jié)器》以解決調(diào)速器產(chǎn)品制造工藝水平低、電氣性能不穩(wěn)定、可靠性差和難于調(diào)整等問題；
1.3.2 配備通訊模塊以滿足電站計算機(jī)監(jiān)控和通訊的需要；
1.3.3 用帶反饋的《步進(jìn)電機(jī)—絲杠螺母副》式電/液變換裝置取代原來的常規(guī)“控制套”式電/ 液轉(zhuǎn)換器，并借以重新構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)簡潔而實用的調(diào)速器液壓控制系統(tǒng)，以降低機(jī)械部分的故障率，提高調(diào)速器的安全可靠性；
1.3.4 由于調(diào)速器的油壓裝置和接力器等部分運行較為可靠不是問題所在，故予以保留繼續(xù)使用，以減少改造的工作量和節(jié)省改造費用。
2 全標(biāo)準(zhǔn)模塊式的《PCC微機(jī)調(diào)速器》
可編程邏輯控制器（PLC）和可編程計算機(jī)控制器PCC）都是計算機(jī)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的新成果，是為工業(yè)控制之用而專門設(shè)計的，在世界范圍銷售并由專業(yè)廠商采用自動化流水線大規(guī)模生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)模塊式產(chǎn)品。因此，制造工藝水平高，質(zhì)量穩(wěn)定性好（無故障運行時間PLC 可達(dá)30 萬小時，PCC 可達(dá)50 萬小時）。這些標(biāo)準(zhǔn)模塊使用方便，用戶只需根據(jù)要求自行選擇和配置模塊，并編自己的應(yīng)用程序即可。但PCC較之PLC具有更強(qiáng)大的計算機(jī)功能，可支持多個CPU 同時工作。它不但支持梯形圖編程，還可使用高級的C 語言編程。更重要的是能實現(xiàn)多任務(wù)分時按優(yōu)先等級的先后來運行，因此程序簡潔快速，更適合調(diào)速器實時控制的需要。
由于微機(jī)調(diào)節(jié)器是整個調(diào)速器的調(diào)節(jié)控制核心，是調(diào)速器安全可靠運行的關(guān)鍵所在，因此，對于象山水電廠調(diào)速器的微機(jī)調(diào)節(jié)器，我們決定全部采用比PLC 具有更高檔次得2000系列PCC 模塊（奧地利B＆R工業(yè)自動化公司產(chǎn)品）來構(gòu)成，使這種《PCC 微機(jī)調(diào)節(jié)器》能夠成為一種“全標(biāo)準(zhǔn)可編程模塊”式的產(chǎn)品。
調(diào)節(jié)器能否實現(xiàn)“全可編程”，關(guān)鍵在于測頻功能 “標(biāo)準(zhǔn)模塊”化。通常的PLC 模塊用于測頻時，由于其精度和響應(yīng)速度不能同時滿足要求，因此，市面上相當(dāng)一部分的PLC 微機(jī)調(diào)速器都不得不使用自制的測頻插件（這種插件成本也低），從而使其整機(jī)可靠性打了折扣，而對象山水電廠的調(diào)速器改造，由于我們應(yīng)用了PCC 技術(shù)，因此，就能夠利用B＆R公司高速（4MHz）數(shù)字
量I/O模塊，配合獨特的時間處理單元來完成“標(biāo)準(zhǔn)模塊”的直接高速高精度測頻，從而實現(xiàn)了主要電路無自制插件的設(shè)計思想，避免因使用工藝水平差的自制插件而造成整機(jī)可靠性低的現(xiàn)象。
這種“全可編程”標(biāo)準(zhǔn)模塊式的《PCC 微機(jī)調(diào)節(jié)器》，只需要將配置好的模塊插入和接好相應(yīng)的外部線路，并寫入“調(diào)速器應(yīng)用程序”即可使用。這就免去了大量而重要的電子元件的采購、檢測、老化、篩選、電路板的裝焊和調(diào)試等項工作，使調(diào)節(jié)器生產(chǎn)的關(guān)鍵工序基本擺脫了“手工作坊”式的生產(chǎn)模式，大大減少了人為因素影響，因此，調(diào)節(jié)器的產(chǎn)品質(zhì)量就比較穩(wěn)定可靠。再加上《PCC微機(jī)調(diào)節(jié)器》屬免維修型，所以對電站運行維護(hù)人員的要求也大為降低，這就為調(diào)速器的安全可靠運行提供了堅實的硬件基礎(chǔ)。
3 帶反饋的《步進(jìn)電機(jī)—絲杠螺母副》式電/液變換裝置
“電/液變換裝置”是電液調(diào)速器液壓控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，但也是液壓控制系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。因此，要使改造調(diào)速器的整機(jī)可靠性高，除了在電氣方面采用PCC 技術(shù)進(jìn)行改造之外，還必須對YDT-3000型電液調(diào)速器中以常規(guī)“控制套”式電/ 液轉(zhuǎn)換器來構(gòu)成的液壓控制系統(tǒng)加以改造。
由于這種“控制套”式電/ 液轉(zhuǎn)換器操作力?。ㄊ謴椈蓜偠葍H未400/mm），加上其控制套配合間隙、以及定節(jié)流孔和變節(jié)流孔都較小，因此對油污敏感容易卡澀，至使裝置可靠性較低。所以它就成為機(jī)械部分改造的主攻對象：我們用輸出力矩大且?guī)Х答伒摹恫竭M(jìn)電機(jī)—絲杠螺母副》式電/液變換裝置取而代之。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，由于采用了將“電/ 液變換裝置”直接座落在主配壓閥上的方案，故而得以重新構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)簡潔而適用的調(diào)速器液壓控制系統(tǒng)，這對改善系統(tǒng)性能和提高調(diào)速器的可靠性都十分有利。為了適應(yīng)新的控制方式，原來的主配壓閥活賽結(jié)構(gòu)有所改變。
“變換裝置”中的步進(jìn)電機(jī)選用日本RORZE 公司的RM 型產(chǎn)品，并配以高品質(zhì)的進(jìn)口RD 驅(qū)動器，步進(jìn)電機(jī)最大相電流為3A，輸出力矩13kgf.com（比原來電/液轉(zhuǎn)換器的十字彈簧剛度大數(shù)十倍）。而“絲杠螺母副”是經(jīng)過熱處理的精細(xì)傳動偶件，配以直線式導(dǎo)電塑料精密電位器（軍品），用來準(zhǔn)確地反饋絲杠螺母副在調(diào)節(jié)過程中的實際位移，也可借以消除傳動副的間隙，以及步進(jìn)電機(jī)可能出現(xiàn)的失步所造成的影響。
4 改造后調(diào)速器的特點及試驗和運行情況
4.1 調(diào)速器的特點
4.1.1 配置“全可編程”標(biāo)準(zhǔn)模塊的《PCC 微機(jī)調(diào)速器》；
4.1.2 采用標(biāo)準(zhǔn)和B＆R＂高速數(shù)字量I/O模塊＂完成容錯殘壓測頻，實現(xiàn)變參數(shù)并聯(lián)PID 調(diào)節(jié)，因此，調(diào)速器具有優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)；
4.1.３備有“頻率”和“開度”兩種運行模式供用戶選擇，運行模式之間可無擾動地任意切換；
4.1.４設(shè)有不同運行水頭下機(jī)組的最優(yōu)開機(jī)規(guī)律和高水頭時自動限制機(jī)組最大出力的功能；
4.1.５采用液晶《顯示設(shè)定單元》作為人機(jī)對話工具，將數(shù)據(jù)監(jiān)視、參數(shù)設(shè)定和報警顯示等集于一身，參數(shù)顯示和修改直觀準(zhǔn)確，并有防止和自動效正誤操作的功能；
4.1.６配備通訊模塊，滿足電站計算機(jī)監(jiān)控和通訊的需要；
4.1.７為了保證PCC 微機(jī)調(diào)節(jié)器的可靠工作，采用了高質(zhì)量的進(jìn)口開關(guān)電源模塊和交直流電源兩路供電互為備用的工作方式；
4.1.８采用了大力矩帶反饋的《步進(jìn)電機(jī)—絲杠螺母副》式電/液變換裝置；
4.1.９采用電氣輸出通過“電/液變換裝置”直接控制主配壓閥動作的結(jié)構(gòu)方式，而變換裝置和接力器的行程反饋均取用“電氣量”，因此，得以省去自動調(diào)節(jié)信號通道上的大量中間環(huán)節(jié)，也取消了大量機(jī)械杠桿傳動（唯一的一根杠桿僅用于機(jī)械開限并不參與自動調(diào)節(jié)）。
以上這些實質(zhì)性的改造措施，使得PCC 微機(jī)調(diào)速器具有系統(tǒng)簡潔適用、轉(zhuǎn)速死區(qū)小、響應(yīng)敏捷、調(diào)節(jié)穩(wěn)定可靠、運行維護(hù)簡單和操作使用方便的特點。
4.2 試驗和運行情況
象山水電廠三臺機(jī)的YDT-3000 調(diào)速器在改造工作完成之后，都進(jìn)行了全面的靜、動態(tài)性能驗收試驗，其性能指標(biāo)均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。現(xiàn)將三臺PCC微機(jī)調(diào)速器的主要試驗結(jié)果摘錄整理如下表：
說明：在甩負(fù)荷試驗中由于受壓力上升的限制而未能把接力器關(guān)閉時間調(diào)快，因此機(jī)組轉(zhuǎn)速上升略偏高（仍滿足調(diào)保計算要求）。
三臺機(jī)組的調(diào)速器經(jīng)過全面的靜、動態(tài)性能試驗之后又分別進(jìn)行了七十二小時負(fù)載運行試驗均未見異常，三臺機(jī)中得3#機(jī)PCC 微機(jī)調(diào)速器于2001 年10 月18日，1#、2# 機(jī)PCC 微機(jī)調(diào)速器分別于2002 年6 月和7月16日都陸續(xù)投入商業(yè)運行。
由于負(fù)荷調(diào)度的需要，象山水電廠三臺機(jī)組的起、停機(jī)操作都比較頻繁，但三臺PCC 微機(jī)調(diào)速器均能經(jīng)受住考驗，正確可靠地工作，未見出現(xiàn)故障，其運行穩(wěn)定性和可靠性令人滿意。另外，由于取消了原來的“控制套”式電液轉(zhuǎn)換器減少調(diào)速器的耗油量，使調(diào)速器油泵的啟動間隔時間由原來的15~20分鐘延長至90~110 分鐘，啟動次數(shù)明顯減少，這對延長“油泵—電動機(jī)”及其控制設(shè)備的壽命和減少廠用電的消耗都帶來好處。
5 結(jié)語
經(jīng)過較全面的性能試驗和象山水電廠連續(xù)一年多的實際運行考驗表明，黑河象山水電廠和南寧瑞能自控技術(shù)有限公司對YDT-3000 調(diào)速器所進(jìn)行的技術(shù)改造是成功的。這種采用PCC 技術(shù)和《步進(jìn)電機(jī)—絲杠螺母副》式電／ 液變換技術(shù)的微機(jī)調(diào)速器不僅可以滿足新的電站的配套需要，也為眾多電站調(diào)速器的技術(shù)更新改造提供了一種新的簡捷而經(jīng)濟(jì)的途徑。
作者： 劉德文 毛樹輝 黑龍江省黑河市象山水電廠