摘 要：本文以成都拜爾電力設備有限公司自行開(kāi)發(fā)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(lái)講述和探討怎樣通過(guò)PCC技術(shù)來(lái)實(shí)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(yōu)勢。

　　關(guān)鍵詞：可編程計算機控制器、水輪機調速器、頻率測量、步進(jìn)電機驅動(dòng)

　　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(lái)可編程計算機控制器（PCC）技術(shù)進(jìn)入中國控制領(lǐng)域，已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應用于我國的許多工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，隨著(zhù)國內一些重要的水電行業(yè)的輔機企業(yè)在調速器和勵磁上的廣泛應用，其性能也得到越來(lái)越多的廠(chǎng)家的青睞和用戶(hù)的認可。PCC技術(shù)已經(jīng)逐漸掀起了一股技術(shù)革新的潮流。

　　2 可編程計算機控制器（PCC）的技術(shù)特點(diǎn)

　　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(yè)控制計算機IPC的優(yōu)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(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，所以也是目前PLC技術(shù)發(fā)展的新方向。行業(yè)內選用PCC做硬件控制核心也正逐漸成為工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的新潮流。

　　與傳統的PLC相比較，PCC具有以下顯著(zhù)優(yōu)勢：

　　1） 定性的分時(shí)多任務(wù)操作系統：PCC借用了大型計算機的分時(shí)多任務(wù)操作系統理念，應用程序可以按照工藝功能的不同和優(yōu)先級的不同設成不同的任務(wù)和不同的任務(wù)級別，并可根據要求自行設定任務(wù)的循環(huán)時(shí)間。優(yōu)先權高的任務(wù)，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(xué)，同時(shí)保證系統具有更高更確定的實(shí)時(shí)性能。

　　2） 系統響應速度快：系統的響應速度不僅由CPU來(lái)決定，還與I/O數據的傳輸速度有關(guān)。PCC的主CPU本身速度極快，同時(shí)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(wǎng)絡(luò )及系統的管理。也就是說(shuō)，一個(gè)PCC模塊上有三個(gè)處理器，既相互獨立，又相互關(guān)聯(lián)，最大限度地提高了整個(gè)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(jìn)式微機調速器其測頻單元仍采用單片機或數字電路來(lái)實(shí)現，其響應頻率低，產(chǎn)品一致性和可靠性差;而直接采用PCC測頻，則無(wú)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(gè)獨立的時(shí)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(wèn)題，實(shí)現快速自動(dòng)準同期并網(wǎng)。這也是基于傳統PLC的調速器方案先天受限而無(wú)法企及的功能。

　　4）編程語(yǔ)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(yǔ)言，而且支持高級語(yǔ)言如：Automation Basic語(yǔ)言和標準C語(yǔ)言編程。并且可以在同一個(gè)項目中同時(shí)采用多種語(yǔ)言混合編程。這對于解決復雜的控制算法和工藝任務(wù)的編程尤顯方便，由于其更好的可讀性，也非常易于用戶(hù)對控制程序進(jìn)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(guān)聯(lián)的編程方式，所以用戶(hù)在編程時(shí)候不需要關(guān)心實(shí)際的硬件IO映射關(guān)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(jiǎn)單地將各個(gè)標簽名映射在實(shí)際的IO通道即可。

　　6）高可靠性：PCC具有極高的可靠性，平均無(wú)故障時(shí)間MTBF達到50萬(wàn)小時(shí)（相當于57年）以上，屬于免維護產(chǎn)品，大大高于一般的PLC或IPC（目前市場(chǎng)上最好的PLC硬件平均無(wú)故障時(shí)間MTBF達到30萬(wàn)小時(shí)）。

　　7）軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境集成化：PCC的軟件組態(tài)開(kāi)發(fā)環(huán)境采用AUTOMATION STUDIO工具，秉承一個(gè)軟件工具，全部解決整個(gè)自動(dòng)化項目的集成自動(dòng)化思想，在這一個(gè)軟件中同時(shí)集成了觸摸屏畫(huà)面組態(tài)、PLC編程調試、伺服驅動(dòng)器的編程控制、離線(xiàn)在線(xiàn)仿真調試等豐富的功能。從而可以大大提高項目的開(kāi)發(fā)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(jìn)式水輪機調速器是一種以可編程計算機控制器PCC及步進(jìn)電機為控制核心，與步進(jìn)式液壓隨動(dòng)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(jiǎn)單，性能優(yōu)越，可靠性高，維護量小等一系列優(yōu)勢。它是在總結了目前國內外調速器的最新技術(shù)與現代液壓控制技術(shù)的特點(diǎn)設計開(kāi)發(fā)的新型換代產(chǎn)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(huán)相連，從而操作導水葉。使水輪發(fā)電機組的轉速保持在額定轉速允許偏差內運轉，以滿(mǎn)足電網(wǎng)對頻率質(zhì)量的要求。

　　2）實(shí)現水輪機轉速的單機調節和控制，以適應電網(wǎng)負荷的增減。

　　3）實(shí)現機組按規定的操作程序進(jìn)行正常的自動(dòng)或手動(dòng)開(kāi)機、空載、負載和自動(dòng)停機。并能接受不同的故障信號，進(jìn)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(fā)電機組在電力系統中并列運行時(shí)，調速器能自動(dòng)承擔預定的負荷分配，使各機組能實(shí)現經(jīng)濟運行。（見(jiàn)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(jìn)電機驅動(dòng)器、繼電器操作回路，組成了性能優(yōu)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(kāi)關(guān)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(dòng)-電手動(dòng)雙通道，可實(shí)現調速器的全部自動(dòng)控制功能，當機組轉速信號故障或PCC控制器故障時(shí)，可自動(dòng)切換至純機械手動(dòng)控制，除自動(dòng)控制外，還可通過(guò)電手動(dòng)控制單元可以對導葉進(jìn)行控制;自動(dòng)-手動(dòng)切換時(shí)均能實(shí)現自動(dòng)跟蹤導葉開(kāi)度。（見(jiàn)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(gè)，并有狀態(tài)指示燈，同時(shí)還有4個(gè)旋入式模塊的插槽，需要擴展時(shí)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(wù)操作:TPU功能、高速數字量信號的計數、門(mén)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(tài)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(gè)通道輸出模塊，每個(gè)輸出的操作類(lèi)型可單獨設定，以下為可能的操作類(lèi)型：輸出通道的開(kāi)/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(yè)級開(kāi)關(guān)電源，將廠(chǎng)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(shí)一套電源做主用，另一套電源做熱備用。任一路開(kāi)關(guān)電源出故障，將自動(dòng)瞬時(shí)無(wú)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(dòng)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(wǎng)PT信號直接輸入電氣柜內的頻率整形模塊，經(jīng)信號隔離變壓器送入整形電路，經(jīng)濾波整形后處理成幅值24V，頻率與機組實(shí)際頻率相關(guān)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(xiàn)性頻率范圍為10——100Hz。測頻模塊采用高質(zhì)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(yè)彩色液晶顯示觸摸屏。工業(yè)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(guò)HMI，用戶(hù)可以在線(xiàn)顯示、修改各種參數及顯示故障信息。

　　3.2.5 步進(jìn)電機絲杠位移傳感器

　　采用直線(xiàn)式電位器，工作行程±7.5mm。

　　3.2.6 步進(jìn)電機驅動(dòng)器

　　該步進(jìn)電機驅動(dòng)器采用優(yōu)異的設計和混合電路工藝，結構緊湊，噪音低;采用變速驅動(dòng)方式，控制精確無(wú)振作，運行穩定。

　　3.2.7 繼電器操作回路

　　為了指示手動(dòng)/自動(dòng)、緊急停機/復歸等信號，完成手動(dòng)/自動(dòng)、緊急停機/復歸等操作，及向電站監控系統發(fā)送相關(guān)接點(diǎn)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(yōu)先級的不同，PCC調速器的軟件被劃分為測頻程序、步進(jìn)電機驅動(dòng)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(guān)聯(lián)，在分時(shí)多任務(wù)操作系統平臺上由主控程序統一調度來(lái)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(fā)揮了PCC分時(shí)多任務(wù)操作系統的優(yōu)勢并且使得調速器程序得到了優(yōu)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(shí)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(jīng)信號處理模塊整形后的機頻、網(wǎng)頻信號分別引入PCC的TPU通道1和2，利用時(shí)間測量功能塊LTXcpiC和LTXcpiD分別測量機頻和網(wǎng)頻脈沖信號的相鄰兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間，然后根據該功能塊注釋中提供的計算公式可計算出實(shí)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(guò)比較相鄰兩個(gè)波形的頻差是否超出正常頻差范圍（差值可由用戶(hù)設定）來(lái)判斷并過(guò)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(shí)測的機頻定義為臨時(shí)機頻（tempFj）而真正參與運算的機頻被定義為實(shí)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?xún)日f(shuō)明后面的波形是實(shí)際的機頻信號，反之則說(shuō)明遇到了干擾信號，這個(gè)波形應被過(guò)濾。

　　5.2 步進(jìn)電機的驅動(dòng)和控制

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

　　5.3運算程序

　　毫無(wú)疑問(wèn)，數值運算是PCC調速器軟件的核心部分。一個(gè)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(yǔ)言的同時(shí)也提供了強大的浮點(diǎn)運算功能。簡(jiǎn)單的邏輯處理仍然可以采用梯形圖的方式，但高級語(yǔ)言的應用則改變了以往PLC編寫(xiě)運算程序相對比較困難的局面，以前需要許多句梯形圖語(yǔ)句才能完成的復雜計算過(guò)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(jìn)行整型變量運算，而PCC則可以進(jìn)行浮點(diǎn)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(yǔ)

　　成都拜爾電力設備有限公司開(kāi)發(fā)的基于可編程計算機控制器PCC技術(shù)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(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)，其各項靜態(tài)、動(dòng)態(tài)指標全部滿(mǎn)足并且部分優(yōu)于國標GB /T9652-1997中的相關(guān)技術(shù)要求，經(jīng)過(guò)實(shí)際長(cháng)期應用，表現出良好的穩定性，是行業(yè)技術(shù)的發(fā)展方向。

　　參考文獻

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