摘要:針對(duì)水輪機(jī)PCC 智能調(diào)速器的應(yīng)用，介紹PCC的特點(diǎn)，步進(jìn)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(dòng)系統(tǒng)。
　　關(guān)鍵詞: 可編程計(jì)算機(jī)控制器；智能；步進(jìn)電機(jī)；調(diào)速器

　　概述
　　水輪機(jī)調(diào)速器是水力發(fā)電機(jī)組的重要輔機(jī)。調(diào)速器的功能正不斷擴(kuò)展和完善，要使調(diào)速器的智能化程度提高，而其操作簡(jiǎn)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(jì)。因此，水輪機(jī)調(diào)速器的智能化是一個(gè)硬件和軟件智能程度的綜合問(wèn)題。
　　自美國(guó)第一臺(tái)可編程序控制器 (PLC）問(wèn)世以來(lái)，PLC 控制技術(shù)走過(guò)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(tái)可編程計(jì)算機(jī)控制器 (PCC），這是對(duì)傳統(tǒng)PLC功能的大提升，其系統(tǒng)平臺(tái)的智能性、開(kāi)放性以及組網(wǎng)的靈活性，可使復(fù)雜的控制項(xiàng)目得以完善實(shí)現(xiàn)。PCC自1996年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)以來(lái)，已在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中被廣泛采用。PCC智能調(diào)速器是目前我國(guó)生產(chǎn)的新一代水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器；它將諸多功能集成于可編程計(jì)算機(jī)控制器 (PCC）內(nèi)，以PCC為控制核心，配以步進(jìn)電機(jī)式隨動(dòng)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(diǎn)
　　PCC作為一個(gè)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(shì)。
　　1.1  PCC與PLC、IPC 的區(qū)別
　　PCC是在PLC的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它集成了PLC、IPC(工業(yè)控制機(jī))和大型計(jì)算機(jī)的的各自?xún)?yōu)點(diǎn)，而且具有自身的優(yōu)勢(shì)。PCC擺脫了PLC中單個(gè)程序?qū)τ布囊蕾?lài)，也彌補(bǔ)了IPC布線不靈活的短處。
　　1.2   PCC的的功能優(yōu)勢(shì)
　　1.2.1  PCC 能夠提供面向軟件及硬件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，其最大特點(diǎn)就在于它采用了定性多任務(wù)分時(shí)的操作系統(tǒng)及多樣化的應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。
　　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(shì)：
　　a. PCC融合了大型計(jì)算機(jī)的分析運(yùn)算能力，智能性由此得到明顯的提高；
　　b. 采用多任務(wù)分時(shí)機(jī)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(xiàng)目的應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)，
　　以及使用高級(jí)語(yǔ)言編程；
　　c. 能夠方便地處理開(kāi)關(guān)量、模擬量，并提供回路調(diào)節(jié)功能；
　　d. pcc產(chǎn)品通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可以很方便地進(jìn)行組網(wǎng)，且具有強(qiáng)大的通信能力。
　　1.3   PCC對(duì)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(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用軟件具備智能診斷及報(bào)警功能；產(chǎn)品智能化，而操作卻簡(jiǎn)單化。
　　2. 水輪機(jī)步進(jìn)式PCC智能調(diào)速器的優(yōu)點(diǎn)與功能
　　目前我國(guó)應(yīng)用的水輪機(jī)步進(jìn)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(jìn)式PLC調(diào)速器比較，它具有如下明顯的優(yōu)點(diǎn)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(jí)語(yǔ)言，分析運(yùn)算能力強(qiáng)，在同一CPU中，PCC能同時(shí)運(yùn)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(shí)間。
　　從輸入到輸出，從測(cè)頻到控制脈沖，從算術(shù)運(yùn)算到邏輯運(yùn)算，從人機(jī)界面到聯(lián)網(wǎng)通訊等各環(huán)節(jié)，均實(shí)現(xiàn)了PCC 化。PCC的平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF) 高達(dá)50萬(wàn)小時(shí)，各種動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T-9652.1--1997）。
　　2.2 多任務(wù)分時(shí)技術(shù)，智能化、適應(yīng)式控制。
　　在PCC 中，采用多任務(wù)來(lái)直接進(jìn)行并行處理，即當(dāng)某一任務(wù)在等待時(shí)，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(lái)完成并行處理。PCC調(diào)速器具有適應(yīng)式變結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行變參數(shù)并聯(lián)PID 調(diào)節(jié)，具有很強(qiáng)的診斷能力和冗錯(cuò)功能。
　　2.3 由PCC 實(shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)測(cè)頻、信號(hào)綜合及脈寬調(diào)制。
　　采用PCC高速計(jì)數(shù)模塊(HSC) 測(cè)頻，計(jì)數(shù)頻率高，具有很高的測(cè)頻精度和可靠性。調(diào)節(jié)器的綜合信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，包括電氣開(kāi)度、接力器實(shí)際位移等；此綜合數(shù)字信號(hào)由PCC 內(nèi)部進(jìn)行綜合比較，再輸出方向信號(hào)和控制脈沖信號(hào)，經(jīng)功率放大后，直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，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(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話、與上位機(jī)通訊；其調(diào)節(jié)模式可實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)、開(kāi)度調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)，并可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)模式間的無(wú)擾動(dòng)切換，提高了電站的自動(dòng)化水平。
　　2.5 電位轉(zhuǎn)換采用步進(jìn)電機(jī)，具有故障鎖錠的功能。
　　采用步進(jìn)電機(jī)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(wèn)題，以保證自動(dòng)運(yùn)行可靠。由于步進(jìn)電機(jī)具有斷電不動(dòng)的特點(diǎn)，因此在測(cè)頻信號(hào)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(jī)界面，調(diào)試、維護(hù)簡(jiǎn)單方便。
　　采用觸摸屏做為人機(jī)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(duì)于運(yùn)行維護(hù)人員沒(méi)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(guó)生產(chǎn)了一些步進(jìn)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(dú)立負(fù)責(zé)CPU的數(shù)據(jù)傳輸，雙口控制器負(fù)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(dú)立又關(guān)聯(lián)，從而使主CPU的資源得到了合理使用，同時(shí)又最大限度地提高了整個(gè)系統(tǒng)的速度；采用多任務(wù)分時(shí)技術(shù)，使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)得到優(yōu)化，而具備良好的實(shí)時(shí)性。
　　硬件系統(tǒng)進(jìn)行以下幾方面的配置：在硬件配置的選擇上，測(cè)頻環(huán)節(jié)的輸入采用PCC高速計(jì)數(shù)模塊(HSC) ，計(jì)數(shù)頻率高達(dá)4MHz，具有遠(yuǎn)高于PLC的測(cè)頻精度；接力器位移量輸入采用模擬量模塊（AI），步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖輸出、調(diào)速器開(kāi)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(jī)接口采用緊湊型人機(jī)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(tái)之外，應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的。該調(diào)速器的軟件包括PCC部分和人機(jī)接口面板部分。PCC部分的編程語(yǔ)言采用B&R公司的PL2000高級(jí)語(yǔ)言，編程更方便，更利于描述復(fù)雜的控制思想。人機(jī)接口面板P120部分采用PCS軟件編制。在同一CPU 中能同時(shí)運(yùn)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(yùn)算能力強(qiáng)。
　　3.3 數(shù)液隨動(dòng)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(jì)算結(jié)果，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械液壓隨動(dòng)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)為機(jī)液隨動(dòng)系統(tǒng)），步進(jìn)電機(jī)與機(jī)液隨動(dòng)系統(tǒng)可視為數(shù)液隨動(dòng)系統(tǒng)。
　　PCC 調(diào)速器的數(shù)液隨動(dòng)系統(tǒng)為二級(jí)隨動(dòng)系統(tǒng)。第一級(jí)為由脈沖分配器、功率放大單元、步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的機(jī)電隨動(dòng)系統(tǒng)；第二級(jí)由兩級(jí)液壓放大裝置組成，步進(jìn)電機(jī)作為第一級(jí)液壓放大裝置的中間接力器輸出。調(diào)差的反饋信號(hào)除了可取自機(jī)組的輸出功率外，還可取自步進(jìn)電機(jī)的位移輸出。由于液壓隨動(dòng)系統(tǒng)中取消了傳統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換器，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)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(wèn)題，大大提高了電液隨動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，可以實(shí)現(xiàn)完全可靠的自動(dòng)運(yùn)行。
　　4.  PCC 調(diào)速器的應(yīng)用實(shí)例
　　在我國(guó)，現(xiàn)有水輪機(jī)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(jìn)電機(jī)式隨動(dòng)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(chǎng)總線的步進(jìn)式微機(jī)調(diào)速器；武漢市能達(dá)通用電氣股份合作公司研制的PCC智能水輪機(jī)調(diào)速器，其PCC是32 位可編程控制器，為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制而設(shè)計(jì)。
　　4.1 YZBT 型PCC 調(diào)速器的應(yīng)用實(shí)例
　　福建省建甌市順陽(yáng)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(jī)調(diào)速器與油壓裝置試驗(yàn)驗(yàn)收規(guī)程》，進(jìn)行了微機(jī)調(diào)速器的靜態(tài)特性試驗(yàn)和水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該調(diào)速器具有良好的靜、動(dòng)態(tài)特性，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于GB / 9652.1-1997《水輪機(jī)調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件》的規(guī)定。其主要試驗(yàn)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(dòng)試驗(yàn)。轉(zhuǎn)速擾動(dòng)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(guò)程保證了穩(wěn)定性，且調(diào)節(jié)時(shí)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(shuō)明調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)良。選此參數(shù)組作為空載運(yùn)行的最佳PID參數(shù)；
　　4.1.3 突變負(fù)荷試驗(yàn)。該參數(shù)組的動(dòng)態(tài)特性良好；
　　4.1.4 機(jī)組甩25%額定負(fù)荷，接力器不動(dòng)時(shí)間為0.5S；甩50%、75%、100%額定負(fù)荷，接力器不
　　動(dòng)時(shí)間小于0.175S；
　　4.1.5 甩100%額定負(fù)荷時(shí)，水擊壓力上升為28%，機(jī)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(yùn)行，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與速動(dòng)性均為優(yōu)良，且使用簡(jiǎn)單、方便，體現(xiàn)了高可靠性高效、智能型的優(yōu)點(diǎn)。
　　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(biāo)
　　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(fù)荷，接力器不動(dòng)時(shí)間不大于0.2s ；機(jī)頻測(cè)量：機(jī)端電壓互感器(0.2~160V)或齒盤(pán)信號(hào)；網(wǎng)頻測(cè)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(kāi)限：0~100%；頻率給定：45~55Hz；開(kāi)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(xiàn)：
　　[1]  南海鵬，王德意，王濤.基于可編程計(jì)算機(jī)控制器的水輪機(jī)調(diào)速器[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電
　　2001，（5）

　　作者簡(jiǎn)介：　　
　　伍哲身(1945，男，福建石獅人，高級(jí)講師，全國(guó)水利水電中專(zhuān)教研會(huì)水動(dòng)主、輔機(jī)課程組組長(zhǎng)，從事水電站機(jī)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