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水輪機PCC 智能調速器的應用
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摘要:針對水輪機PCC 智能調速器的應用，介紹PCC的特點，步進式PCC智能調速器的功能、控制硬件系統、控制軟件及數液隨動系統。
關鍵詞: 可編程計算機控制器；智能；步進電機；調速器
概述
水輪機調速器是水力發(fā)電機組的重要輔機。調速器的功能正不斷擴展和完善，要使調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，而且應優(yōu)化控制軟件的設計。因此，水輪機調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PLC功能的大提升，其系統平臺的智能性、開放性以及組網的靈活性，可使復雜的控制項目得以完善實現。PCC自1996年進入中國市場以來，已在工業(yè)自動化領域中被廣泛采用。PCC智能調速器是目前我國生產的新一代水輪機微機調速器；它將諸多功能集成于可編程計算機控制器 (PCC）內，以PCC為控制核心，配以步進電機式隨動系統為功率放大單元，以構成高可靠性的調速器。
1 PCC的主要特點
PCC作為一個全新的概念，代表了當今工業(yè)控制技術的發(fā)展趨勢。
1.1 PCC與PLC、IPC 的區(qū)別
PCC是在PLC的基礎上發(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中單個程序對硬件的依賴，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、標準化的設計，其最大特點就在于它采用了定性多任務分時的操作系統及多樣化的應用軟件的設計。
1.2.2 與傳統的PLC相比，PCC產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. 采用多任務分時機制，其應用程序由多任務模塊構成，大大方便于控制項目的應用軟件開發(fā)，
以及使用高級語言編程；
c. 能夠方便地處理開關量、模擬量，并提供回路調節(jié)功能；
d. pcc產品通過現場總線技術，可以很方便地進行組網，且具有強大的通信能力。
1.3 PCC對設備智能化的改善與提高
PCC可改善與提高設備的智能化，體現為：
1.3.1 智能化控制。智能化控制是指PCC產品具備智能的硬件基礎，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產品的控制系統具備自身的智能診斷、開放的網絡結構，其應用軟件具備智能診斷及報警功能；產品智能化，而操作卻簡單化。
2. 水輪機步進式PCC智能調速器的優(yōu)點與功能
目前我國應用的水輪機步進式PC智能調速器，可以更適應調速系統及被控制系統的特性。與
常規(guī)的步進式PLC調速器比較，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，從算術運算到邏輯運算，從人機界面到聯網通訊等各環(huán)節(jié)，均實現了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 多任務分時技術，智能化、適應式控制。
在PCC 中，采用多任務來直接進行并行處理，即當某一任務在等待時，其他任務仍可繼續(xù)執(zhí)行，而傳統的PLC是靠程序掃描來完成并行處理。PCC調速器具有適應式變結構，可進行變參數并聯PID 調節(jié)，具有很強的診斷能力和冗錯功能。
2.3 由PCC 實現高速計數測頻、信號綜合及脈寬調制。
采用PCC高速計數模塊(HSC) 測頻，計數頻率高，具有很高的測頻精度和可靠性。調節(jié)器的綜合信號為數字信號，包括電氣開度、接力器實際位移等；此綜合數字信號由PCC 內部進行綜合比較，再輸出方向信號和控制脈沖信號，經功率放大后，直接驅動步進電機，以發(fā)揮多任務的功能。
2.4 聯網方便，調節(jié)模式靈活。
具有RS232、CAN通訊接口，可以方便地實現人機對話、與上位機通訊；其調節(jié)模式可實現頻率調節(jié)、開度調節(jié)、功率調節(jié)，并可實現調節(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換元件，克服了常規(guī)電液轉換器的油污發(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，調速器具有故障鎖錠的功能。
2.6 友好的人機界面，調試、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，調試只需設定有關數字，而電位器等可調元件少，對于運行維護人員沒有太高的技術性要求。
3. PCC 調速器的結構型式
3.1 控制硬件系統
目前我國生產了一些步進式PCC 智能調速器產品，如YZBT 型PCC智能（中小型）調速器等，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構。其中，I/O 處理器獨立負責CPU的數據傳輸，雙口控制器負責網絡和系統的管理。這種多CPU并行處理，彼此之間既是獨立又關聯，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的速度；采用多任務分時技術，使計算機控制系統得到優(yōu)化，而具備良好的實時性。
硬件系統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高速計數模塊(HSC) ，計數頻率高達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），步進電機驅動脈沖輸出、調速器開關量輸入/輸出采用數字量混合模塊（DM），調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 調速器中，除了作為智能核心的硬件平臺之外，應用軟件的設計也是至關重要的。該調速器的軟件包括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 數液隨動系統
PCC 調速器采用增量式數字PID控制算法，即直接利用其增量計算結果，驅動步進電機帶動機械液壓隨動系統（簡稱為機液隨動系統），步進電機與機液隨動系統可視為數液隨動系統。
PCC 調速器的數液隨動系統為二級隨動系統。第一級為由脈沖分配器、功率放大單元、步進電機構成的機電隨動系統；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。由于液壓隨動系統中取消了傳統的電液轉換器，采用步進電機驅動的步進式引導閥，從根本上解決了常規(guī)電液轉換器的油污發(fā)卡、控制失靈等問題，大大提高了電液隨動系統的可靠性，可以實現完全可靠的自動運行。
4. PCC 調速器的應用實例
在我國，現有水輪機PCC調速器的研制生產單位及其產品有：天津市科音自控設備有限公司研制的YZBT系列PCC智能調速器，它是用PCC配以步進電機式隨動系統，構成高可靠性的中小型水輪調速器；陜西省科研院校研制的YWT-PCC 型調速器，它是新一代以PCC為核心，基于現場總線的步進式微機調速器；武漢市能達通用電氣股份合作公司研制的PCC智能水輪機調速器，其PCC是32 位可編程控制器，為工業(yè)現場控制而設計。
4.1 YZBT 型PCC 調速器的應用實例
福建省建甌市順陽鄉(xiāng)馬鞍水電站于2002年安裝了YZBT型PCC調速器。依照GB /T 9652.2-1997《水輪機調速器與油壓裝置試驗驗收規(guī)程》，進行了微機調速器的靜態(tài)特性試驗和水輪機調節(jié)系統的動態(tài)特性試驗?，F場試驗結果表明，該調速器具有良好的靜、動態(tài)特性，各項性能指標均達到或優(yōu)于GB / 9652.1-1997《水輪機調速器與油壓裝置技術條件》的規(guī)定。其主要試驗結果及鑒定如下：
4.1.1 調速器轉速死區(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。轉速擾動量以 80% ，其中參數組Kp=2.62、K1=0.51/s、Kd=2.04s，其調節(jié)過程保證了穩(wěn)定性，且調節(jié)時間Tp較短，最大偏差?nmax較小，超調量 較小，振蕩次數X較少，而衰減度 較大，說明調節(jié)品質優(yōu)良。選此參數組作為空載運行的最佳PID參數；
4.1.3 突變負荷試驗。該參數組的動態(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%，機組轉速上升為19%，滿足調節(jié)保證的要求。
該YZBT 型調速器投入運行，動態(tài)穩(wěn)定性與速動性均為優(yōu)良，且使用簡單、方便，體現了高可靠性高效、智能型的優(yōu)點。
4.2 YZBT 型調速器產品的技術性能及參數
4.2.1 主要技術指標
轉速死區(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 調節(jié)參數
永態(tài)轉差系數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
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速器[J].中國農村水利水電
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，從事水電站機電設備的教學工作及工程技術)
福建水利電力職業(yè)技術學院，福建永安 366000
