摘要：本文以成都拜爾電力設(shè)備有限公司自行開發(fā)研制的基于貝加萊PCC為控制核心的水輪機調(diào)速器為例，從水輪機調(diào)速器的原理、硬件配置和軟件結(jié)構(gòu)來講述和探討怎樣通過PCC技術(shù)來實現(xiàn)調(diào)速器的各種功能以及它與傳統(tǒng)調(diào)速器相比較的區(qū)別和優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：可編程計算機控制器、水輪機調(diào)速器、頻率測量、步進(jìn)電機驅(qū)動

1 可編程計算機控制器（PCC）的技術(shù)特點[2]

自上世紀(jì)90年代以來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)越來越廣泛地應(yīng)用于我國的許多工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，隨著國內(nèi)一些重要的水電行業(yè)的輔機企業(yè)在調(diào)速器和勵磁上的廣泛應(yīng)用，其性能也得到越來越多的廠家的青睞和用戶的認(rèn)可。PCC技術(shù)已經(jīng)逐漸掀起了一股技術(shù)革新的潮流。

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(tǒng)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時性等特點，所以也是目前PLC技術(shù)發(fā)展的新方向。行業(yè)內(nèi)選用PCC做硬件控制核心也正逐漸成為工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的新潮流。

與傳統(tǒng)的PLC相比較，PCC具有以下顯著優(yōu)勢：

1) 定性的分時多任務(wù)操作系統(tǒng)：PCC借用了大型計算機的分時多任務(wù)操作系統(tǒng)理念，應(yīng)用程序可以按照工藝功能的不同和優(yōu)先級的不同設(shè)成不同的任務(wù)和不同的任務(wù)級別，并可根據(jù)要求自行設(shè)定任務(wù)的循環(huán)時間。優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)，可將其掃描周期設(shè)定相對更短。這樣使軟件的結(jié)構(gòu)更加合理、科學(xué)，同時保證系統(tǒng)具有更高更確定的實時性能。

2) 系統(tǒng)響應(yīng)速度快：系統(tǒng)的響應(yīng)速度不僅由CPU來決定，還與I/O數(shù)據(jù)的傳輸速度有關(guān)。PCC的主CPU本身速度極快，同時還借用大型計算機的結(jié)構(gòu)，采用I/O-Processor單獨處理I/O數(shù)據(jù)傳輸；采用DPR-Controller雙向口控制器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)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(guān)聯(lián)，最大限度地提高了整個系統(tǒng)的速度。

3) 系統(tǒng)測頻、相位測量響應(yīng)速度快：傳統(tǒng)的PLC步進(jìn)式微機調(diào)速器其測頻單元仍采用單片機或數(shù)字電路來實現(xiàn)，其響應(yīng)頻率低，產(chǎn)品一致性和可靠性差；而直接采用PCC測頻，則無需另設(shè)測頻硬件，因此測頻的可靠性非常高。因為PCC的主CPU內(nèi)還含有一個獨立的時間處理器TPU(Time processing unit ), 可計算處理高達(dá)4MHz至6MHz的脈沖信號。因而能巧妙地解決調(diào)速器的頻率和相位測量問題，實現(xiàn)快速自動準(zhǔn)同期并網(wǎng)。這也是基于傳統(tǒng)PLC的調(diào)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(guī)的梯形圖、指令表、順序功能圖等IEC61131-1規(guī)定的多種語言，而且支持高級語言如：Automation Basic語言和標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(tǒng)內(nèi)核，而且采用標(biāo)簽變量關(guān)聯(lián)的編程方式，所以用戶在編程時候不需要關(guān)心實際的硬件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，最后只需要簡單地將各個標(biāo)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(dá)到50萬小時（相當(dāng)于57年）以上，屬于免維護(hù)產(chǎn)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(dá)到30萬小時）。

7) 軟件開發(fā)環(huán)境集成化：PCC的軟件組態(tài)開發(fā)環(huán)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(tài)、PLC編程調(diào)試、伺服驅(qū)動器的編程控制、離線在線仿真調(diào)試等豐富的功能。從而可以大大提高項目的開發(fā)效率。

2 PCC調(diào)速器的原理及結(jié)構(gòu)[3]

2.1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本原理

PCC步進(jìn)式水輪機調(diào)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)式液壓隨動系統(tǒng)配套組成的水輪機調(diào)速器。該調(diào)速器裝置具有硬件新穎，結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)越，可靠性高，維護(hù)量小等一系列優(yōu)勢。它是在總結(jié)了目前國內(nèi)外調(diào)速器的最新技術(shù)與現(xiàn)代液壓控制技術(shù)的特點設(shè)計開發(fā)的新型換代產(chǎn)品。其主要作用是：

1）將機組轉(zhuǎn)速及負(fù)荷給定等控制信號轉(zhuǎn)換成液壓信號，以控制水輪機的導(dǎo)葉接力器，導(dǎo)葉接力器與水輪機的控制環(huán)相連，從而操作導(dǎo)水葉。使水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速保持在額定轉(zhuǎn)速允許偏差內(nèi)運轉(zhuǎn)，以滿足電網(wǎng)對頻率質(zhì)量的要求。

2）實現(xiàn)水輪機轉(zhuǎn)速的單機調(diào)節(jié)和控制，以適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的增減。

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

4）當(dāng)水輪發(fā)電機組在電力系統(tǒng)中并列運行時，調(diào)速器能自動承擔(dān)預(yù)定的負(fù)荷分配，使各機組能實現(xiàn)經(jīng)濟運行。（見圖2.1-1調(diào)速器原理框圖[1]

圖2.1-1 調(diào)速器原理框圖

2.2 PCC調(diào)速器的硬件配置

該水輪機調(diào)節(jié)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(tǒng)、信號處理模塊、人機界面、接力器位移傳感器、步進(jìn)電機驅(qū)動器、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(diào)速器電氣控制系統(tǒng)。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(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(diào)試、檢修都非常方便。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.2-1所示。

該水輪機調(diào)速器主要構(gòu)成自動-電手動雙通道，可實現(xiàn)調(diào)速器的全部自動控制功能，當(dāng)機組轉(zhuǎn)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(dǎo)葉進(jìn)行控制；自動-手動切換時均能實現(xiàn)自動跟蹤導(dǎo)葉開度。（見圖2.2-1電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖）

圖2.2-1 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1系統(tǒng)所用的主要PCC模塊

該系統(tǒng)的PCC硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：安裝導(dǎo)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(tài)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(shù)字量模塊，也可以是通訊擴展模塊。

2）高速計數(shù)器模塊DI135

數(shù)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(shù)字量信號的計數(shù)、門測量、頻率測量、事件計數(shù)、增量式編碼器操作、μs級輸入響應(yīng)、帶直接輸出控制的本地計數(shù)器狀態(tài)監(jiān)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(shù)字量輸入、8路數(shù)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(shù)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(shè)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(diào)制(PWM)、TPU操作。

2.2.2 電源系統(tǒng)

系統(tǒng)采用兩套大功率的工業(yè)級開關(guān)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(diào)節(jié)器供電電源。大大提高了供電系統(tǒng)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(guān)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(diào)速器正常工作。電壓波動范圍：220V AC±20%（50Hz單相）或220V DC（180-260V）。

2.2.3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(nèi)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，線性頻率范圍為10--100Hz。測頻模塊采用高質(zhì)量、低功耗的大規(guī)模集成電路構(gòu)成，并采用通道冗余結(jié)構(gòu)確保了測頻模塊的高可靠性。

2.2.4 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HMI，用戶可以在線顯示、修改各種參數(shù)及顯示故障信息。

2.2.5 步進(jìn)電機絲杠位移傳感器

采用直線式電位器，工作行程±7.5mm。

2.2.6 步進(jìn)電機驅(qū)動器

該步進(jìn)電機驅(qū)動器采用優(yōu)異的設(shè)計和混合電路工藝，結(jié)構(gòu)緊湊，噪音低； 采用變速驅(qū)動方式，控制精確無振作，運行穩(wěn)定。

2.2.7 繼電器操作回路

為了指示手動/自動、緊急停機/復(fù)歸等信號，完成手動/自動、緊急停機/復(fù)歸等操作，及向電站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)接點信號，設(shè)置了DC24V繼電器操作回路。

3. PCC調(diào)速器的軟件結(jié)構(gòu)

按照功能和優(yōu)先級的不同，PCC調(diào)速器的軟件被劃分為測頻程序、步進(jìn)電機驅(qū)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(guān)聯(lián)，在分時多任務(wù)操作系統(tǒng)平臺上由主控程序統(tǒng)一調(diào)度來完成調(diào)節(jié)器的各項操作、控制、顯示和報警功能。這種程序結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了PCC分時多任務(wù)操作系統(tǒng)的優(yōu)勢并且使得調(diào)速器程序得到了優(yōu)化。該系統(tǒng)的主控制程序流程如圖4-1所示。

圖3-1主控制程序流程圖

4. 調(diào)速器各項功能的軟件實現(xiàn)

4.1 頻率測量與濾波

PCC內(nèi)部擁有高達(dá)6M Hz的計數(shù)基準(zhǔn)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上升沿之間的時間，然后根據(jù)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(nèi)部晶振頻率（數(shù)值為6291667），DifCnt 為相鄰兩上升沿之間的計數(shù)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(shè)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(nèi)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(yīng)被過濾。

4.2 步進(jìn)電機的驅(qū)動和控制

步進(jìn)電機是高精度數(shù)字元件，它可以迅速且精確定位，用它來控制調(diào)速器的執(zhí)行機構(gòu)是一個非常好的選擇。此外步進(jìn)電機可與絲杠位移傳感器構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，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。

4.3運算程序

毫無疑問，數(shù)值運算是PCC調(diào)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(jié)省CPU資源。PCC操作系統(tǒng)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(yīng)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(fù)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(jìn)行整型變量運算，而PCC則可以進(jìn)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
。。。。。。

5 結(jié)束語

成都拜爾電力設(shè)備有限公司開發(fā)的基于可編程計算機控制器PCC技術(shù)的新型水輪機調(diào)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(yīng)速度快、運算功能強大、人機界面友好和調(diào)節(jié)品質(zhì)高等優(yōu)點，其各項靜態(tài)、動態(tài)指標(biāo)全部滿足并且部分優(yōu)于國標(biāo)GB /T9652-1997中的相關(guān)技術(shù)要求，經(jīng)過實際長期應(yīng)用，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，是行業(yè)技術(shù)的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)
1. 沈祖詒,水輪機調(diào)節(jié)（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(yīng)用.西北工業(yè)大學(xué)出版社.2002.7;
3. 南海鵬,水輪發(fā)電機組PCC控制.西北工業(yè)大學(xué)出版社.2002.9;
4. 孔昭年,2004中國水電控制設(shè)備論文集.黃河水利出版社.2004.10.