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　　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(jī)調(diào)速器為例，從水輪機(jī)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(shí)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(shì)。

　　關(guān)鍵詞：可編程計(jì)算機(jī)控制器、水輪機(jī)調(diào)速器、頻率測(cè)量、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(jì)90年代以來可編程計(jì)算機(jī)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(jī)企業(yè)在調(diào)速器和勵(lì)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。

　　2 可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）的技術(shù)特點(diǎn)

　　PCC（Programmble Computer Controller）即可編程計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)IPC的優(yōu)勢(shì)，既有PLC的高可靠性、易擴(kuò)展性，又有IPC的強(qiáng)運(yùn)算能力和強(qiáng)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(nèi)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(tǒng)的PLC相比較，PCC具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

　　1） 定性的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)：PCC借用了大型計(jì)算機(jī)的分時(shí)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(jí)的不同設(shè)成不同的任務(wù)和不同的任務(wù)級(jí)別，并可根據(jù)要求自行設(shè)定任務(wù)的循環(huán)時(shí)間。優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)，可將其掃描周期設(shè)定相對(duì)更短。這樣使軟件的結(jié)構(gòu)更加合理、科學(xué)，同時(shí)保證系統(tǒng)具有更高更確定的實(shí)時(shí)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(shí)還借用大型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)，采用I/O-Processor單獨(dú)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(gè)PCC模塊上有三個(gè)處理器，既相互獨(dú)立，又相互關(guān)聯(lián)，最大限度地提高了整個(gè)系統(tǒng)的速度。

　　3） 系統(tǒng)測(cè)頻、相位測(cè)量響應(yīng)速度快：傳統(tǒng)的PLC步進(jìn)式微機(jī)調(diào)速器其測(cè)頻單元仍采用單片機(jī)或數(shù)字電路來實(shí)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(cè)頻，則無需另設(shè)測(cè)頻硬件，因此測(cè)頻的可靠性非常高。因?yàn)镻CC的主CPU內(nèi)還含有一個(gè)獨(dú)立的時(shí)間處理器TPU（Time processing unit ）, 可計(jì)算處理高達(dá)4MHz至6MHz的脈沖信號(hào)。因而能巧妙地解決調(diào)速器的頻率和相位測(cè)量問題，實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)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(jí)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(jí)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(gè)項(xiàng)目中同時(shí)采用多種語言混合編程。這對(duì)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(duì)控制程序進(jìn)行合理的增減。

　　5）可移植性強(qiáng)：在不同系列、不同型號(hào)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(hào)上。這是因?yàn)樨惣尤R所有的PCC硬件平臺(tái)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(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(biāo)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，平均無故障時(shí)間MTBF達(dá)到50萬小時(shí)（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(chǎng)上最好的PLC硬件平均無故障時(shí)間MTBF達(dá)到30萬小時(shí)）。

　　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(gè)軟件工具，全部解決整個(gè)自動(dòng)化項(xiàng)目的集成自動(dòng)化思想，在這一個(gè)軟件中同時(shí)集成了觸摸屏畫面組態(tài)、PLC編程調(diào)試、伺服驅(qū)動(dòng)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(xiàng)目的開發(fā)效率。

　　3 PCC調(diào)速器的原理及結(jié)構(gòu)

　　3.1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本原理

　　PCC步進(jìn)式水輪機(jī)調(diào)速器是一種以可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC及步進(jìn)電機(jī)為控制核心，與步進(jìn)式液壓隨動(dòng)系統(tǒng)配套組成的水輪機(jī)調(diào)速器。該調(diào)速器裝置具有硬件新穎，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)越，可靠性高，維護(hù)量小等一系列優(yōu)勢(shì)。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(diǎn)設(shè)計(jì)開發(fā)的新型換代產(chǎn)品。其主要作用是：

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

　　2）實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的單機(jī)調(diào)節(jié)和控制，以適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的增減。

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

　　4）當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組在電力系統(tǒng)中并列運(yùn)行時(shí)，調(diào)速器能自動(dòng)承擔(dān)預(yù)定的負(fù)荷分配，使各機(jī)組能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。（見圖3.1-1調(diào)速器原理框圖[1]）

圖3.1-1 調(diào)速器原理框圖

　　3.2 PCC調(diào)速器的硬件配置

　　該水輪機(jī)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(jì)算機(jī)控制器CP474為硬件核心，配以電源系統(tǒng)、信號(hào)處理模塊、人機(jī)界面、接力器位移傳感器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(jī)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(jī)調(diào)速器主要構(gòu)成自動(dòng)-電手動(dòng)雙通道，可實(shí)現(xiàn)調(diào)速器的全部自動(dòng)控制功能，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)故障或PCC控制器故障時(shí)，可自動(dòng)切換至純機(jī)械手動(dòng)控制，除自動(dòng)控制外，還可通過電手動(dòng)控制單元可以對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)行控制;自動(dòng)-手動(dòng)切換時(shí)均能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤導(dǎo)葉開度。（見圖3.2-1電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖）

圖3.2-1 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　3.2.1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(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(kuò)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(shù)字量模塊，也可以是通訊擴(kuò)展模塊。

　　2）高速計(jì)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(hào)的計(jì)數(shù)、門測(cè)量、頻率測(cè)量、事件計(jì)數(shù)、增量式編碼器操作、?s級(jí)輸入響應(yīng)、帶直接輸出控制的本地計(jì)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(gè)通道輸出模塊，每個(gè)輸出的操作類型可單獨(dú)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。

　　3.2.2 電源系統(tǒng)

　　系統(tǒng)采用兩套大功率的工業(yè)級(jí)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(jī)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(shí)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(dòng)瞬時(shí)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(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(hào)）

　　兩路機(jī)組電壓互感器（PT）信號(hào)和一路電網(wǎng)PT信號(hào)直接輸入電氣柜內(nèi)的頻率整形模塊，經(jīng)信號(hào)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(jī)組實(shí)際頻率相關(guān)的方波信號(hào)，送入PCC的高速脈沖輸入模塊DI135。PT信號(hào)幅值范圍0.3V——180V，線性頻率范圍為10——100Hz。測(cè)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(cè)頻模塊的高可靠性。

　　3.2.4 人機(jī)界面（HMI）

　　人機(jī)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。

　　3.2.5 步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

　　該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用優(yōu)異的設(shè)計(jì)和混合電路工藝，結(jié)構(gòu)緊湊，噪音低;采用變速驅(qū)動(dòng)方式，控制精確無振作，運(yùn)行穩(wěn)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(jī)/復(fù)歸等信號(hào)，完成手動(dòng)/自動(dòng)、緊急停機(jī)/復(fù)歸等操作，及向電站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)接點(diǎn)信號(hào)，設(shè)置了DC24V繼電器操作回路。

　　4 PCC調(diào)速器的軟件結(jié)構(gòu)

　　按照功能和優(yōu)先級(jí)的不同，PCC調(diào)速器的軟件被劃分為測(cè)頻程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、運(yùn)算程序、主控程序、報(bào)警程序、通訊功能程序以及人機(jī)界面程序等程序模塊。各程序塊既相互獨(dú)立又互相關(guān)聯(lián)，在分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)平臺(tái)上由主控程序統(tǒng)一調(diào)度來完成調(diào)節(jié)器的各項(xiàng)操作、控制、顯示和報(bào)警功能。這種程序結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了PCC分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)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4-1主控制程序流程圖

　　5 調(diào)速器各項(xiàng)功能的軟件實(shí)現(xiàn)

　　5.1 頻率測(cè)量與濾波

　　PCC內(nèi)部擁有高達(dá)6M Hz的計(jì)數(shù)基準(zhǔn)頻率，因此它具有比普通PLC更高的測(cè)頻精度。經(jīng)信號(hào)處理模塊整形后的機(jī)頻、網(wǎng)頻信號(hào)分別引入PCC的TPU通道1和2，利用時(shí)間測(cè)量功能塊LTXcpiC和LTXcpiD分別測(cè)量機(jī)頻和網(wǎng)頻脈沖信號(hào)的相鄰兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間，然后根據(jù)該功能塊注釋中提供的計(jì)算公式可計(jì)算出實(shí)測(cè)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(jì)數(shù)值。

　　此外，為提高測(cè)頻回路的抗干擾能力，我們?cè)谠摮绦蚰K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(gè)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(hào)。頻率測(cè)量及濾波（以機(jī)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(cè)的機(jī)頻定義為臨時(shí)機(jī)頻（tempFj）而真正參與運(yùn)算的機(jī)頻被定義為實(shí)際機(jī)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(shí)際的機(jī)頻信號(hào)，反之則說明遇到了干擾信號(hào)，這個(gè)波形應(yīng)被過濾。

　　5.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制

　　步進(jìn)電機(jī)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(jī)構(gòu)是一個(gè)非常好的選擇。此外步進(jìn)電機(jī)可與絲杠位移傳感器構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，這樣可以對(duì)因頻繁工作而丟步的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行零位校正。

　　5.3運(yùn)算程序

　　毫無疑問，數(shù)值運(yùn)算是PCC調(diào)速器軟件的核心部分。一個(gè)好的算法不但能夠提高運(yùn)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(shí)也提供了強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)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(jí)語言的應(yīng)用則改變了以往PLC編寫運(yùn)算程序相對(duì)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(jì)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(yùn)算，而PCC則可以進(jìn)行浮點(diǎn)型變量運(yùn)算，這使得運(yùn)算精度得到大大提高。

　　以下是一段計(jì)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(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(jì)算機(jī)控制器PCC技術(shù)的新型水輪機(jī)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(yùn)算功能強(qiáng)大、人機(jī)界面友好和調(diào)節(jié)品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)，其各項(xiàng)靜態(tài)、動(dòng)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(shí)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。

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