導(dǎo)語：PCC智能調(diào)速器分析論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1．前言

目前國內(nèi)廣為采用的水輪機調(diào)速器，多為以PLC為核心。天津市科音自控設(shè)備有限公司研制的數(shù)字閥pcc可編程智能調(diào)速器以全新控制理念，以PCC為控制核心，面向自動化控制全過程，成功配置由電磁球閥和插裝閥構(gòu)成的數(shù)字閥替代傳統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換器和主配壓閥。

控制器是調(diào)速器的核心部件，控制器完成調(diào)速器的信號采集、數(shù)據(jù)運算、控制規(guī)律實現(xiàn)、運行狀態(tài)切換、控制值輸出及其他附加功能。因此，控制器的選擇對新型調(diào)速器的開發(fā)至關(guān)重要。目前，市場上的控制器很多，如單片機、PLC、PCC等，但由于調(diào)速器是工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備，對可靠性要求很高。選擇控制器的重要原則是，要選用適合工業(yè)現(xiàn)場使用的抗干擾能力強、可靠性高、選擇余地大、操作維護方便的控制器。我們經(jīng)過對各種控制器的深入研究，分析對比，結(jié)合水輪機調(diào)速器的特殊性，發(fā)現(xiàn)奧地利貝加萊(B&R)公司的PCC是能夠滿足上述原則的最合適的控制器，故選擇PCC作為數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器的控制核心。

PCC代表著一個全新的控制理念，它既具有可編程邏輯控制器(PLC)的標準控制功能（可靠性高、易擴展），又具有工業(yè)計算機（IPC）的系統(tǒng)功能（運算能力強、適時性好、編程方便等特點）。它能方便地處理開關(guān)量，模擬量，進行回路調(diào)節(jié)。并能用高級語言編程，具備大型機的分析運算能力。其硬件具有獨特新穎的插拔式模塊結(jié)構(gòu)，可使系統(tǒng)得到靈活多樣的擴展和組合。軟件也具備模塊結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)擴展時只需在原有基礎(chǔ)上疊加運用軟件模塊。PCC的CPU為32位，運行效率高，具有高速的智能處理器TPU，TPU功能可使系統(tǒng)響應(yīng)時間達到微秒級，而CPU不需作任何加載。用戶存儲器容量大。具有良好的電磁兼容能力和現(xiàn)場總線全面支持技術(shù)，體現(xiàn)了工控領(lǐng)域的發(fā)展方向。

數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器包括單調(diào)整型和雙調(diào)整型，本文介紹雙調(diào)整型調(diào)速器的主要特點、功能及構(gòu)成。

2．數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器的主要特點

（1）全新的控制理念。采用不同于常規(guī)PLC的新一代可編程計算機控制器--PCC，面向控制過程，采用高級語言，分析運算能力強，在同一CPU中能同時運行不同程序。程序運行時僅掃描部分程序，效率很高。

（2）全PCC化，具有極高的可靠性。從輸入到輸出,從測頻到控制脈沖等各環(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，即57年。

（3）多任務(wù)的優(yōu)點。在傳統(tǒng)PLC中，并行處理是靠程序掃描來完成的。但事實上多任務(wù)才是并行處理的邏輯表達式，更簡單直接的方法就是采用多任務(wù)技術(shù)。PCC恰恰可以滿足這種需求，當某一任務(wù)在等待時，其他任務(wù)仍可繼續(xù)執(zhí)行。PCC將整個調(diào)節(jié)控制分成若干個具有不同優(yōu)先權(quán)的任務(wù)等級（TaskClass）。優(yōu)先權(quán)越高的任務(wù)等級，其掃描周期越短，優(yōu)先權(quán)越低，其掃描周期越長。把適時性要求高的程序放在高速任務(wù)層，把一般的邏輯判斷處理程序放在普通任務(wù)層，這樣可以提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能指標。

（4）智能型調(diào)速器。采用自適應(yīng)式變結(jié)構(gòu)，變參數(shù)并聯(lián)PID調(diào)節(jié)，采用對常規(guī)PID調(diào)節(jié)器改進后的算法[2]。自動識別電網(wǎng)的性質(zhì)，并自動適應(yīng)電站的各種特殊運行方式，如孤網(wǎng)運行，及或由大電網(wǎng)解列為小電網(wǎng)運行的突變負荷等特殊情況時，均可保證機組穩(wěn)定運行。人性化設(shè)計，具有很強的自診斷、防錯、糾錯及容錯功能。當出現(xiàn)故障時，自動彈出故障診斷畫面，并自動顯示故障原因及處理辦法。

（5）采用PCC高速計數(shù)模塊(HSC)測頻。PCC高達6.3MHz的計數(shù)頻率，具有很高的測頻精度和可靠性，從而使調(diào)速器的輸入通道－測頻環(huán)節(jié)的可靠性有了根本的保證。

（6）采用數(shù)字協(xié)聯(lián)方式，且可現(xiàn)場修改協(xié)聯(lián)曲線并記憶修改后的數(shù)據(jù)，以便根據(jù)電站的實際條件按最優(yōu)曲線運行，槳葉隨動系統(tǒng)準確度高。

（7）PCC的大內(nèi)存，為智能型調(diào)速器提供了資源保證。用戶內(nèi)存：1.5MBFLASHPROM。

（8）采用電磁球閥做數(shù)字閥作為電液轉(zhuǎn)換元件。徹底解決了常規(guī)調(diào)速器電液轉(zhuǎn)換元件油污發(fā)卡的問題，使電站可以實現(xiàn)完全可靠的自動運行。

（9）具有故障鎖錠的功能。由于數(shù)字閥只有通/斷兩個狀態(tài)，且數(shù)字閥采用錐閥密封可以保證在31.5MPa下無泄漏，所以，數(shù)字閥又具有液壓鎖的功能，因此當測頻信號消失及斷電等情況下，具有故障鎖錠的功能。

（10）無杠桿結(jié)構(gòu)。該系列調(diào)速器采用了數(shù)字閥液壓隨動系統(tǒng)，自動時有電氣返饋，手動無需反饋，因此取消了杠桿，消除了因為杠桿造成的死區(qū)，提高了調(diào)速系統(tǒng)的精度，而且無管路，結(jié)構(gòu)簡單，美觀。

（11）友好的人機界面。采用觸摸屏做為人機界面，畫面美觀逼真，全中文顯示，操作方便，可以同時顯示很多信息。具有屏幕保護功能，以延長觸摸屏的壽命。

（12）維護簡單調(diào)試方便。由于PCC的高度集成化和高可靠性，對于運行維護人員沒有太高的特殊要求，調(diào)試只需設(shè)定有關(guān)數(shù)字，沒有太多的電位器等可調(diào)元件。

3．數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器的主要功能

數(shù)字閥PCC可編程智能調(diào)速器具有自動、電手動、手動三種操作方式，且可無條件無擾動切換。具有很多功能，實用性智能性很強，除常規(guī)功能外具有如下主要功能。

（1）空載運行時，能自動跟蹤系統(tǒng)頻率,實現(xiàn)快速并網(wǎng)。

（2）具有頻率調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)三種模式，并可實現(xiàn)調(diào)節(jié)模式間的無擾動切換。功率調(diào)節(jié)模式下，可接受上位機控制指令，實現(xiàn)發(fā)電自動控制功能(AGC)。

（3）具有很強的自診斷、防錯、糾錯及容錯功能，并可將有關(guān)故障信息顯示在屏幕上，或發(fā)出報警信號。具有下述在線診斷和容錯功能：模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和輸入通道故障；反饋通道故障；液壓控制系統(tǒng)故障；程序出錯和時鐘故障；事故關(guān)機回路故障；操作出錯；測頻回路故障；其他故障。

（4）與上位機通訊的功能，接受上位機的控制命令，給上位機傳送有關(guān)信息。

（5）開停機智能控制。

（6）輔助試驗功能。通過觸摸屏可以很方便地進行靜態(tài)特性、空載擾動及空載擺動等試驗。

（7）具有水位調(diào)節(jié)功能。

（8）波浪控制，以避免甩負荷時上下游水位發(fā)生較大的波浪。

（9）多級密碼保護功能。持有密碼級別的高低，決定了對系統(tǒng)行使權(quán)利的大小。運行人員只能觀察到常規(guī)顯示畫面并進行常規(guī)操作，檢修人員或管理人員可對調(diào)節(jié)參數(shù)等進行修改。

（10）具備折線關(guān)機功能，并由標準的插裝閥完成，結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠。

4．數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器的構(gòu)成

數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

根據(jù)用戶的要求既可采用機電合柜型也可采用機電分柜型。結(jié)構(gòu)布置簡潔合理，人性化設(shè)計，便于檢修，便于操作。調(diào)速器上的觸摸屏、儀表、按鈕等，安裝在相應(yīng)柜子儀表盤上，便于觀測且對稱地排列，所有的儀表及控制裝置，外觀相互協(xié)調(diào)。

4.1調(diào)節(jié)器的構(gòu)成

調(diào)節(jié)器主要由PCC的CPU模塊、高速DI模塊、脈沖輸出模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、通訊模塊及機架等組成。

4.1.1測頻環(huán)節(jié)

測頻環(huán)節(jié)的優(yōu)劣將直接影響調(diào)速器的性能和可靠性。該系列調(diào)速器采用PCC具有TPU功能的高速數(shù)字量輸入模塊DI135測頻，測頻過程簡單，測頻精度高，適時性強，可靠性高。以機頻測量為例，測頻程序如下：

Speed1FUBLTXcpi8()(1)

Fj=f/Speed1.DifCnt*Speed1.PCnt(2)

式（1）表示調(diào)用測頻功能塊LTXcpi8()，Speed1是別名，F(xiàn)UB是別名調(diào)用命令語句。

式（2）中：

Fj表示機組頻率。

f表示PCC頻率測量的內(nèi)部時鐘，高達6.3MHz的計數(shù)頻率，具有很高的測頻精度和可靠性，從而使調(diào)速器的輸入通道－測頻環(huán)節(jié)有了根本的保證。其測頻精度遠高于常規(guī)PLC的測頻精度。

Speed1.DifCnt表示計數(shù)器累加到的脈沖個數(shù)。

Speed1.PCnt表示測頻的周期數(shù)，采用多個周期測量然后求取平均值，通過程序初始化中設(shè)置Speed1.PCnt=1，這樣可以保證測頻的適時性。

傳統(tǒng)的微機調(diào)速器測頻為了避免正弦波正負半周的不對稱性，需要分頻后才能保證測頻精度。而PCC中的頻率測量，TPU讀取的是方波信號兩相臨上升沿之間的計數(shù)值，不需要分頻，因此簡化了電路，提高了測頻的可靠性，且測頻的適時性提高了一倍。

4.1.2數(shù)字閥的控制

數(shù)字閥的控制采用PCC具有TPU功能的高速數(shù)字量輸出模塊DO135，根據(jù)電氣開度和實際開度的差值DY輸出脈寬調(diào)制（PWM）信號，經(jīng)功率放大后驅(qū)動電磁球閥。電磁球閥控制流程如圖2所示。

以導(dǎo)葉數(shù)字閥的控制為例，程序如下：

DO4pwmFUBLTXdpwm4()(3)

DO5pwmFUBLTXdpwm5()(4)

式(3)和式(4)分別表示調(diào)用脈沖輸出功能塊LTXdpwm4()和LTXdpwm5()，DO4pwm和DO5pwm是別名，F(xiàn)UB是別名調(diào)用命令語句。

4.2電液隨動系統(tǒng)的構(gòu)成

電液隨動系統(tǒng)主要是執(zhí)行機構(gòu)，它將直接影響調(diào)速器的性能和可靠性。數(shù)字閥調(diào)速器以標準件—電磁球閥為先導(dǎo)閥，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換器、比例閥或步進電機的電液轉(zhuǎn)換元件，以標準液壓元件—二通插裝閥為放大元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的主配壓閥，。其工作特點是以電磁球閥的通、斷控制插裝閥，插裝閥的通、斷來控制接力器。電磁球閥的工作狀態(tài)只有通、斷兩個狀態(tài)，也即相當于數(shù)字電路的高電平、低電平兩個狀態(tài)（即1、0），故將其稱為數(shù)字閥，由此構(gòu)成的調(diào)速器稱為數(shù)字閥調(diào)速器。

采用了速動閥與微調(diào)閥并聯(lián)的液壓系統(tǒng)。由于速動閥與微調(diào)閥可分別控制接力器的速度，使其均可調(diào)，因此，數(shù)字閥調(diào)速器可很好的適應(yīng)不同容積的接力器，避免了大型機組接力器容積與調(diào)速器主油管通徑不匹配時造成的過調(diào)和欠調(diào)，實現(xiàn)了精確調(diào)節(jié)。小波動時只有微調(diào)閥調(diào)節(jié)，大波動時速動閥同時參與調(diào)節(jié)，大大提高了動態(tài)性能。

插裝閥的密封形式為錐閥，因此插裝閥又具有液壓鎖的功能，插裝閥在31.5MPa油壓下零泄漏。電磁球閥失電后接力器零漂移，具有故障鎖定的功能。所以該系列調(diào)速器具有充分理由去掉了機械反饋。由于該系統(tǒng)的先導(dǎo)電磁球閥又具有手動閥及事故閥的功能，減化了調(diào)速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此該系列調(diào)速器實現(xiàn)了真正意義上的無杠桿，無管路；機械部分結(jié)構(gòu)上采用集成塊的形式，可應(yīng)用于31.5MPa的高油壓系統(tǒng)；電磁球閥及插裝閥對液壓油的潔凈度要求很低，抗卡阻能力極強；零部件互換性好，更換零部件時，無需調(diào)整；整體結(jié)構(gòu)簡單，運行維護方便，可靠性高。

4.3調(diào)速器工作過程

調(diào)速器自動運行時，接收到開機令后，按照預(yù)先設(shè)定好的開機規(guī)律開機。當網(wǎng)頻測量正常時，調(diào)速器自動選擇頻率調(diào)節(jié)模式，PCC按照機頻與網(wǎng)頻的差值進行PID運算，為實現(xiàn)快速并網(wǎng)作好準備；當網(wǎng)頻測量故障時，自動切換為開度調(diào)節(jié)模式，PCC按照機頻與頻率給定的差值進行PID運算。PCC根據(jù)電氣開度和實際開度的差值輸出脈寬調(diào)制（PWM）信號，經(jīng)功率放大后驅(qū)動電磁球閥，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，使機組自動運行于空載工況。

并網(wǎng)后，如為并大電網(wǎng)運行，當功率測量正常時，自動選擇功率調(diào)節(jié)模式；當功率測量故障時，自動切換為開度調(diào)節(jié)模式。如為孤網(wǎng)運行，自動選擇頻率調(diào)節(jié)模式。通過上位機或觸摸屏改變功率給定值或開度給定值，調(diào)節(jié)器經(jīng)PI運算后，實現(xiàn)負荷調(diào)節(jié)。接到停機令后，調(diào)速器自動將機組關(guān)機，完成停機過程。

5．數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器的應(yīng)用

目前，已有多臺數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器在水電站成功投運。現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，各項性能指標均優(yōu)于國家標準“水輪機調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件GB9652.1-1997”。所有投運的調(diào)速器均未出

現(xiàn)任何故障，運行人員操作簡單，維護工作量很少。

以貴州省漾頭水電站第一臺調(diào)速器為例，該電站裝機容量為2X8000KW，水輪機為軸流轉(zhuǎn)槳式，設(shè)計水頭為18M。現(xiàn)場試驗結(jié)果如下：

（1）轉(zhuǎn)速死區(qū)：0.015%。

（2）自動空載頻率擺動值：±0.06%。PID調(diào)節(jié)參數(shù)為空載擾動試驗優(yōu)選出的運行參數(shù)，即:bt=45%，Td=20s，Tn=0.5s，

（3）甩25%額定負荷，接力器不動時間為0.18s。

（4）甩100%額定負荷，轉(zhuǎn)速最大上升為額定轉(zhuǎn)速的133.6%，超過3%額定轉(zhuǎn)速的波峰次數(shù)為1次，從接力器第一次向開啟方向移動起，到機組轉(zhuǎn)速擺動值不超過±0.5%為止所經(jīng)歷的時間為27S。

6．結(jié)語

試驗結(jié)果表明，數(shù)字閥PCC可編程智能調(diào)速器的各項性能指標均優(yōu)于國家標準“水輪機調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件GB9652.1-1997”。不僅解決了傳統(tǒng)調(diào)速器的缺陷，而且可滿足現(xiàn)代水輪機調(diào)速器發(fā)展的要求，為實現(xiàn)水電站無人值班奠定了基礎(chǔ)。本項目產(chǎn)品己通過“國家中小型水電設(shè)備檢測中心”的技術(shù)檢測。并在多個水電站成功應(yīng)用，得到用戶的一致好評。W國家科技部于2004年將“數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器”確定為創(chuàng)新基金支持項目，天津市科音自控設(shè)備有限公司得到了科技部和天津市科委的無償資助，為該項技術(shù)的盡快推廣增添了動力。

參考文獻

[1]米建國，劉忠良．數(shù)字閥PCC可編程智能調(diào)速器的研究及應(yīng)用．水電廠附屬設(shè)備技術(shù)進步研討會論文集，2005（4）

[2]齊蓉．可編程計算機控制器原理及應(yīng)用．西安：西北工業(yè)大學出版社，2002。