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　　摘 要：本文以成都拜爾電力設備有限公司自行開發研制的基于貝加萊PCC為控制核心的水輪機調速器為例，從水輪機調速器的原理、硬件配置和軟件結構來講述和探討怎樣通過PCC技術來實現調速器的各種功能以及它與傳統調速器相比較的區別和優勢。

　　關鍵詞：可編程計算機控制器、水輪機調速器、頻率測量、步進電機驅動

　　Abstract: The article takes the new generation of hydraulic turbine governo which based on PCC（programmable computer controller） and developed by ChengDu BaiEr electric power device limited corporation as example , with discribing the principle、hardware configuration and software structure of the hydraulic turbine governo ,discussed how to carry out its functions with PCC, discussed its differences and advantages comparing to the traditional hydraulic turbine governo.

　　Key Words: programmable computer controller;hydraulic turbine governo;frequency measure;Stepping moter driver

　　1 引言

　　自上世紀90年代以來可編程計算機控制器（PCC）技術進入中國控制領域，已經越來越廣泛地應用于我國的許多工業技術領域，隨著國內一些重要的水電行業的輔機企業在調速器和勵磁上的廣泛應用，其性能也得到越來越多的廠家的青睞和用戶的認可。PCC技術已經逐漸掀起了一股技術革新的潮流。

　　2 可編程計算機控制器（PCC）的技術特點

　　PCC（Programmble Computer Controller）即可編程計算機控制器是由奧地利貝加萊公司（B&R）1994年首先提出的。它融合了傳統可編程邏輯控制器PLC和工業控制計算機IPC的優勢，既有PLC的高可靠性、易擴展性，又有IPC的強運算能力和強實時性等特點，所以也是目前PLC技術發展的新方向。行業內選用PCC做硬件控制核心也正逐漸成為工業自動化控制領域的新潮流。

　　與傳統的PLC相比較，PCC具有以下顯著優勢：

　　1） 定性的分時多任務操作系統：PCC借用了大型計算機的分時多任務操作系統理念，應用程序可以按照工藝功能的不同和優先級的不同設成不同的任務和不同的任務級別，并可根據要求自行設定任務的循環時間。優先權高的任務，可將其掃描周期設定相對更短。這樣使軟件的結構更加合理、科學，同時保證系統具有更高更確定的實時性能。

　　2） 系統響應速度快：系統的響應速度不僅由CPU來決定，還與I/O數據的傳輸速度有關。PCC的主CPU本身速度極快，同時還借用大型計算機的結構，采用I/O-Processor單獨處理I/O數據傳輸;采用DPR-Controller雙向口控制器負責網絡及系統的管理。也就是說，一個PCC模塊上有三個處理器，既相互獨立，又相互關聯，最大限度地提高了整個系統的速度。

　　3） 系統測頻、相位測量響應速度快：傳統的PLC步進式微機調速器其測頻單元仍采用單片機或數字電路來實現，其響應頻率低，產品一致性和可靠性差;而直接采用PCC測頻，則無需另設測頻硬件，因此測頻的可靠性非常高。因為PCC的主CPU內還含有一個獨立的時間處理器TPU（Time processing unit ）, 可計算處理高達4MHz至6MHz的脈沖信號。因而能巧妙地解決調速器的頻率和相位測量問題，實現快速自動準同期并網。這也是基于傳統PLC的調速器方案先天受限而無法企及的功能。

　　4）編程語言高級化：PCC不僅完全支持常規的梯形圖、指令表、順序功能圖等IEC61131-1規定的多種語言，而且支持高級語言如：Automation Basic語言和標準C語言編程。并且可以在同一個項目中同時采用多種語言混合編程。這對于解決復雜的控制算法和工藝任務的編程尤顯方便，由于其更好的可讀性，也非常易于用戶對控制程序進行合理的增減。

　　5）可移植性強：在不同系列、不同型號PCC上所編制的程序，都可以不用修改源碼本身，而直接移植到另外的PCC系列或者型號上。這是因為貝加萊所有的PCC硬件平臺都基于相同的操作系統內核，而且采用標簽變量關聯的編程方式，所以用戶在編程時候不需要關心實際的硬件IO映射關系，而把精力投入在工藝算法本身。在完成這些工作后，最后只需要簡單地將各個標簽名映射在實際的IO通道即可。

　　6）高可靠性：PCC具有極高的可靠性，平均無故障時間MTBF達到50萬小時（相當于57年）以上，屬于免維護產品，大大高于一般的PLC或IPC（目前市場上最好的PLC硬件平均無故障時間MTBF達到30萬小時）。

　　7）軟件開發環境集成化：PCC的軟件組態開發環境采用AUTOMATION STUDIO工具，秉承一個軟件工具，全部解決整個自動化項目的集成自動化思想，在這一個軟件中同時集成了觸摸屏畫面組態、PLC編程調試、伺服驅動器的編程控制、離線在線仿真調試等豐富的功能。從而可以大大提高項目的開發效率。

　　3 PCC調速器的原理及結構

　　3.1 調節系統的基本原理

　　PCC步進式水輪機調速器是一種以可編程計算機控制器PCC及步進電機為控制核心，與步進式液壓隨動系統配套組成的水輪機調速器。該調速器裝置具有硬件新穎，結構簡單，性能優越，可靠性高，維護量小等一系列優勢。它是在總結了目前國內外調速器的最新技術與現代液壓控制技術的特點設計開發的新型換代產品。其主要作用是：

　　1）將機組轉速及負荷給定等控制信號轉換成液壓信號，以控制水輪機的導葉接力器，導葉接力器與水輪機的控制環相連，從而操作導水葉。使水輪發電機組的轉速保持在額定轉速允許偏差內運轉，以滿足電網對頻率質量的要求。

　　2）實現水輪機轉速的單機調節和控制，以適應電網負荷的增減。

　　3）實現機組按規定的操作程序進行正常的自動或手動開機、空載、負載和自動停機。并能接受不同的故障信號，進行必要的機組保護操作直至緊急停機，以保證機組的安全運行

　　4）當水輪發電機組在電力系統中并列運行時，調速器能自動承擔預定的負荷分配，使各機組能實現經濟運行。（見圖3.1-1調速器原理框圖[1]）

圖3.1-1 調速器原理框圖

　　3.2 PCC調速器的硬件配置

　　該水輪機調節器采用奧地利貝加萊公司的B&R 2003系列可編程計算機控制器CP474為硬件核心，配以電源系統、信號處理模塊、人機界面、接力器位移傳感器、步進電機驅動器、繼電器操作回路，組成了性能優越、可靠性高、操作方便的水輪機調速器電氣控制系統。PCC控制器的主要模塊包括：CPU模塊、高速脈沖量輸入/輸出模塊、混合模塊（開關量、模擬量輸出/輸入）等。所有元件裝在一塊垂直安裝板上，安裝、調試、檢修都非常方便。其系統結構如圖3.2-1所示。

　　該水輪機調速器主要構成自動-電手動雙通道，可實現調速器的全部自動控制功能，當機組轉速信號故障或PCC控制器故障時，可自動切換至純機械手動控制，除自動控制外，還可通過電手動控制單元可以對導葉進行控制;自動-手動切換時均能實現自動跟蹤導葉開度。（見圖3.2-1電氣系統結構框圖）

圖3.2-1 電氣系統結構框圖

　　3.2.1系統所用的主要PCC模塊

　　該系統的PCC硬件系統結構包括：安裝導軌、模塊底板、CPU模塊、各種I/O模塊、通訊模塊、液晶顯示觸摸屏HMI、其它附件等。

　　1）CPU模塊CP474

　　CPU安裝在底板的最左端，模塊上有RS232和CAN接口各一個，并有狀態指示燈，同時還有4個旋入式模塊的插槽，需要擴展時將旋入式模塊插入到插槽中并用緊固螺絲固定。旋入式模塊可以是模擬量或數字量模塊，也可以是通訊擴展模塊。

　　2）高速計數器模塊DI135

　　數字量輸入模塊DI135是適用于2003系列PCC和PP41的旋入式模塊。它可完成以下任務操作:TPU功能、高速數字量信號的計數、門測量、頻率測量、事件計數、增量式編碼器操作、?s級輸入響應、帶直接輸出控制的本地計數器狀態監控。

　　3）I/O組合混合模塊CM211

　　通用的輸入/輸出模塊，它具有：8路數字量輸入、8路數字量輸出、2路模擬量輸入、2路模塊量輸出、特殊功能。

　　4）高速數字量輸出模塊DO135

　　DO135是4個通道輸出模塊，每個輸出的操作類型可單獨設定，以下為可能的操作類型：輸出通道的開/閉切換、脈沖寬度調制（PWM）、TPU操作。

　　3.2.2 電源系統

　　系統采用兩套大功率的工業級開關電源，將廠用220V AC與220V DC供電電源變換成直流24V DC電源后作為水輪機調節器供電電源。大大提高了供電系統的可靠性。正常工作時一套電源做主用，另一套電源做熱備用。任一路開關電源出故障，將自動瞬時無擾切換至正常的另一路，且不影響調速器正常工作。電壓波動范圍：220V AC±20%（50Hz單相）或220V DC（180-260V）。

　　3.2.3頻率整形模塊（PT信號）

　　兩路機組電壓互感器（PT）信號和一路電網PT信號直接輸入電氣柜內的頻率整形模塊，經信號隔離變壓器送入整形電路，經濾波整形后處理成幅值24V，頻率與機組實際頻率相關的方波信號，送入PCC的高速脈沖輸入模塊DI135。PT信號幅值范圍0.3V——180V，線性頻率范圍為10——100Hz。測頻模塊采用高質量、低功耗的大規模集成電路構成，并采用通道冗余結構確保了測頻模塊的高可靠性。

　　3.2.4 人機界面（HMI）

　　人機界面（Human Machine Interface）采用工業彩色液晶顯示觸摸屏。工業觸摸屏配以彩色液晶顯示器，采用RS232與PCC主控制器交換信息，信息量大，操作方便。通過HMI，用戶可以在線顯示、修改各種參數及顯示故障信息。

　　3.2.5 步進電機絲杠位移傳感器

　　采用直線式電位器，工作行程±7.5mm。

　　3.2.6 步進電機驅動器

　　該步進電機驅動器采用優異的設計和混合電路工藝，結構緊湊，噪音低;采用變速驅動方式，控制精確無振作，運行穩定。

　　3.2.7 繼電器操作回路

　　為了指示手動/自動、緊急停機/復歸等信號，完成手動/自動、緊急停機/復歸等操作，及向電站監控系統發送相關接點信號，設置了DC24V繼電器操作回路。

　　4 PCC調速器的軟件結構

　　按照功能和優先級的不同，PCC調速器的軟件被劃分為測頻程序、步進電機驅動程序、運算程序、主控程序、報警程序、通訊功能程序以及人機界面程序等程序模塊。各程序塊既相互獨立又互相關聯，在分時多任務操作系統平臺上由主控程序統一調度來完成調節器的各項操作、控制、顯示和報警功能。這種程序結構充分發揮了PCC分時多任務操作系統的優勢并且使得調速器程序得到了優化。該系統的主控制程序流程如圖4-1所示。

圖4-1主控制程序流程圖

　　5 調速器各項功能的軟件實現

　　5.1 頻率測量與濾波

　　PCC內部擁有高達6M Hz的計數基準頻率，因此它具有比普通PLC更高的測頻精度。經信號處理模塊整形后的機頻、網頻信號分別引入PCC的TPU通道1和2，利用時間測量功能塊LTXcpiC和LTXcpiD分別測量機頻和網頻脈沖信號的相鄰兩個上升沿之間的時間，然后根據該功能塊注釋中提供的計算公式可計算出實測頻率[4],即:

　　f = fe / DifCnt

　　fe 為PCC內部晶振頻率（數值為6291667），DifCnt 為相鄰兩上升沿之間的計數值。

　　此外，為提高測頻回路的抗干擾能力，我們在該程序模塊里添加了具有濾波功能的程序段。該程序通過比較相鄰兩個波形的頻差是否超出正常頻差范圍（差值可由用戶設定）來判斷并過濾干擾信號。頻率測量及濾波（以機頻為例）的部分程序段如下所示：

　　。。。。。。

　　Speed1 FUB LTXcpi1（）

　　;alias call TPU FBK

　　Hz_real1=4000000.0/Speed0.DifCnt＊Speed0.PCnt ;Calculate Hz

　　delta1 = Hz_real1 - 50.0

　　;Calculate the delta value

　　PT1=Speed0.PRest

　　。。。。。。

　　如程序所示，我們將實測的機頻定義為臨時機頻（tempFj）而真正參與運算的機頻被定義為實際機頻（ActFj），二者的差值與頻差上限（FilterFj_Diff）相比較之后，如在頻差范圍以內說明后面的波形是實際的機頻信號，反之則說明遇到了干擾信號，這個波形應被過濾。

　　5.2 步進電機的驅動和控制

　　步進電機是高精度數字元件，它可以迅速且精確定位，用它來控制調速器的執行機構是一個非常好的選擇。此外步進電機可與絲杠位移傳感器構成一個閉環系統，這樣可以對因頻繁工作而丟步的步進電機進行零位校正。

　　5.3運算程序

　　毫無疑問，數值運算是PCC調速器軟件的核心部分。一個好的算法不但能夠提高運算的速度和精度而且還能節省CPU資源。PCC操作系統在提供靈活多樣的編程語言的同時也提供了強大的浮點運算功能。簡單的邏輯處理仍然可以采用梯形圖的方式，但高級語言的應用則改變了以往PLC編寫運算程序相對比較困難的局面，以前需要許多句梯形圖語句才能完成的復雜計算過程如今只需定義變量后輸入公式即可。此外，一般普通的PLC只能進行整型變量運算，而PCC則可以進行浮點型變量運算，這使得運算精度得到大大提高。

　　以下是一段計算程序例子：

　　。。。。。。

　　Fe=（Fc-F_x）/50.0

　　d_Yp=Kp＊（Fe-Fe_1x）

　　d_Yi=Ki＊Ts＊（Fe-bp＊（Y_pid-Pc_1x））

　　d_Yd=（Kd＊（Fe-2＊Fe_1x+Fe_2x））/（T0+Ts）+（（T0＊d_Ydtem）/（T0+Ts））

　　Y_pid=（Y_tem+d_Yp+d_Yi）+d_Yd+Pc_1x-Pc_2x

　　。。。。。。

　　6 結束語

　　成都拜爾電力設備有限公司開發的基于可編程計算機控制器PCC技術的新型水輪機調速器采用奧地利貝加萊（B&R）公司的2003系列模塊作為控制核心部件，具有可靠性高、響應速度快、運算功能強大、人機界面友好和調節品質高等優點，其各項靜態、動態指標全部滿足并且部分優于國標GB /T9652-1997中的相關技術要求，經過實際長期應用，表現出良好的穩定性，是行業技術的發展方向。

　　參考文獻

　　1. 沈祖詒,水輪機調節（第三版）.中國水利水電出版社.1998.5;

　　2. 齊蓉（主編）,可編程計算機控制器原理及應用.西北工業大學出版社.2002.7;

　　3. 南海鵬,水輪發電機組PCC控制.西北工業大學出版社.2002.9;

　　4. 孔昭年,2004中國水電控制設備論文集.黃河水利出版社.2004.10.