摘要:针对水轮机PCC 智能调速器的应用，介绍PCC的特点，步进式PCC智能调速器的功能、控制硬件系统、控制软件及数液随动系统。
关键词: 可编程计算机控制器；智能；步进电机；调速器
概述
水轮机调速器是水力发电机组的重要辅机。调速器的功能正不断扩展和完善，要使调速器的智能化程度提高，而其操作简单化，不仅需要新型的控制硬件系统，而且应优化控制软件的设计。因此，水轮机调速器的智能化是一个硬件和软件智能程度的综合问题。
自美国第一台可编程序控制器 (PLC）问世以来，PLC 控制技术走过了几十年的辉煌历程。奥地利的贝加莱(B&R) 公司在1994年推出新一代的硬件平台可编程计算机控制器 (PCC），这是对传统PLC功能的大提升，其系统平台的智能性、开放性以及组网的灵活性，可使复杂的控制项目得以完善实现。PCC自1996年进入中国市场以来，已在工业自动化领域中被广泛采用。PCC智能调速器是目前我国生产的新一代水轮机微机调速器；它将诸多功能集成于可编程计算机控制器 (PCC）内，以PCC为控制核心，配以步进电机式随动系统为功率放大单元，以构成高可靠性的调速器。
1 PCC的主要特点
PCC作为一个全新的概念，代表了当今工业控制技术的发展趋势。
1.1 PCC与PLC、IPC 的区别
PCC是在PLC的基础上发展起来的，它集成了PLC、IPC(工业控制机)和大型计算机的的各自优点，而且具有自身的优势。PCC摆脱了PLC中单个程序对硬件的依赖，也弥补了IPC布线不灵活的短处。
1.2 PCC的的功能优势
1.2.1 PCC 能够提供面向软件及硬件的模块化、标准化的设计，其最大特点就在于它采用了定性多任务分时的操作系统及多样化的应用软件的设计。
1.2.2 与传统的PLC相比，PCC产品有着如下明显的优势：
a. PCC融合了大型计算机的分析运算能力，智能性由此得到明显的提高；
b. 采用多任务分时机制，其应用程序由多任务模块构成，大大方便于控制项目的应用软件开发，
以及使用高级语言编程；
c. 能够方便地处理开关量、模拟量，并提供回路调节功能；
d. pcc产品通过现场总线技术，可以很方便地进行组网，且具有强大的通信能力。
1.3 PCC对设备智能化的改善与提高
PCC可改善与提高设备的智能化，体现为：
1.3.1 智能化控制。智能化控制是指PCC产品具备智能的硬件基础，又具备软件上的智能化算法。
1.3.2 智能化管理。智能化管理是指PCC产品的控制系统具备自身的智能诊断、开放的网络结构，其应用软件具备智能诊断及报警功能；产品智能化，而操作却简单化。
2. 水轮机步进式PCC智能调速器的优点与功能
目前我国应用的水轮机步进式PC智能调速器，可以更适应调速系统及被控制系统的特性。与
常规的步进式PLC调速器比较，它具有如下明显的优点和性能：
2.1 全新控制，全面PCC化，具有高效率和高可靠性。
由于采用高级语言，分析运算能力强，在同一CPU中，PCC能同时运行不同程序，且仅扫描部分程序，因而效率高。而常规PLC须扫描所有程序,占用CPU时间。
从输入到输出，从测频到控制脉冲，从算术运算到逻辑运算，从人机界面到联网通讯等各环节，均实现了PCC 化。PCC的平均无故障时间(MTBF) 高达50万小时，各种动态、静态性能指标均达到或优于国家标准（GB/T-9652.1--1997）。
2.2 多任务分时技术，智能化、适应式控制。
在PCC 中，采用多任务来直接进行并行处理，即当某一任务在等待时，其他任务仍可继续执行，而传统的PLC是靠程序扫描来完成并行处理。PCC调速器具有适应式变结构，可进行变参数并联PID 调节，具有很强的诊断能力和冗错功能。
2.3 由PCC 实现高速计数测频、信号综合及脉宽调制。
采用PCC高速计数模块(HSC) 测频，计数频率高，具有很高的测频精度和可靠性。调节器的综合信号为数字信号，包括电气开度、接力器实际位移等；此综合数字信号由PCC 内部进行综合比较，再输出方向信号和控制脉冲信号，经功率放大后，直接驱动步进电机，以发挥多任务的功能。
2.4 联网方便，调节模式灵活。
具有RS232、CAN通讯接口，可以方便地实现人机对话、与上位机通讯；其调节模式可实现频率调节、开度调节、功率调节，并可实现调节模式间的无扰动切换，提高了电站的自动化水平。
2.5 电位转换采用步进电机，具有故障锁锭的功能。
采用步进电机做为电位转换元件，克服了常规电液转换器的油污发卡问题，以保证自动运行可靠。由于步进电机具有断电不动的特点，因此在测频信号消失及断电等情况下，调速器具有故障锁锭的功能。
2.6 友好的人机界面，调试、维护简单方便。
采用触摸屏做为人机界面，操作方便。由于PCC的高度集成化和高可靠性，调试只需设定有关数字，而电位器等可调元件少，对于运行维护人员没有太高的技术性要求。
3. PCC 调速器的结构型式
3.1 控制硬件系统
目前我国生产了一些步进式PCC 智能调速器产品，如YZBT 型PCC智能（中小型）调速器等，其硬件以B&R公司2000或2003 系列PCC为主体，CPU模块采用多处理器结构。其中，I/O 处理器独立负责CPU的数据传输，双口控制器负责网络和系统的管理。这种多CPU并行处理，彼此之间既是独立又关联，从而使主CPU的资源得到了合理使用，同时又最大限度地提高了整个系统的速度；采用多任务分时技术，使计算机控制系统得到优化，而具备良好的实时性。
硬件系统进行以下几方面的配置：在硬件配置的选择上，测频环节的输入采用PCC高速计数模块(HSC) ，计数频率高达4MHz，具有远高于PLC的测频精度；接力器位移量输入采用模拟量模块（AI），步进电机驱动脉冲输出、调速器开关量输入/输出采用数字量混合模块（DM），调速器的人机接口采用紧凑型人机接口面板（P）。
3.2 控制软件
在PCC 调速器中，除了作为智能核心的硬件平台之外，应用软件的设计也是至关重要的。该调速器的软件包括PCC部分和人机接口面板部分。PCC部分的编程语言采用B&R公司的PL2000高级语言，编程更方便，更利于描述复杂的控制思想。人机接口面板P120部分采用PCS软件编制。在同一CPU 中能同时运行不同程序，且仅扫描部分程序，因此其效率比PLC大为提高，分析运算能力强。
3.3 数液随动系统
PCC 调速器采用增量式数字PID控制算法，即直接利用其增量计算结果，驱动步进电机带动机械液压随动系统（简称为机液随动系统），步进电机与机液随动系统可视为数液随动系统。
PCC 调速器的数液随动系统为二级随动系统。第一级为由脉冲分配器、功率放大单元、步进电机构成的机电随动系统；第二级由两级液压放大装置组成，步进电机作为第一级液压放大装置的中间接力器输出。调差的反馈信号除了可取自机组的输出功率外，还可取自步进电机的位移输出。由于液压随动系统中取消了传统的电液转换器，采用步进电机驱动的步进式引导阀，从根本上解决了常规电液转换器的油污发卡、控制失灵等问题，大大提高了电液随动系统的可靠性，可以实现完全可靠的自动运行。
4. PCC 调速器的应用实例
在我国，现有水轮机PCC调速器的研制生产单位及其产品有：天津市科音自控设备有限公司研制的YZBT系列PCC智能调速器，它是用PCC配以步进电机式随动系统，构成高可靠性的中小型水轮调速器；陕西省科研院校研制的YWT-PCC 型调速器，它是新一代以PCC为核心，基于现场总线的步进式微机调速器；武汉市能达通用电气股份合作公司研制的PCC智能水轮机调速器，其PCC是32 位可编程控制器，为工业现场控制而设计。
4.1 YZBT 型PCC 调速器的应用实例
福建省建瓯市顺阳乡马鞍水电站于2002年安装了YZBT型PCC调速器。依照GB /T 9652.2-1997《水轮机调速器与油压装置试验验收规程》，进行了微机调速器的静态特性试验和水轮机调节系统的动态特性试验。现场试验结果表明，该调速器具有良好的静、动态特性，各项性能指标均达到或优于GB / 9652.1-1997《水轮机调速器与油压装置技术条件》的规定。其主要试验结果及鉴定如下：
4.1.1 调速器转速死区为0.03% ，静态特性非线性度为3.5%；
4.1.2 空载扰动试验。转速扰动量以 80% ，其中参数组Kp=2.62、K1=0.51/s、Kd=2.04s，其调节过程保证了稳定性，且调节时间Tp较短，最大偏差?nmax较小，超调量 较小，振荡次数X较少，而衰减度 较大，说明调节品质优良。选此参数组作为空载运行的最佳PID参数；
4.1.3 突变负荷试验。该参数组的动态特性良好；
4.1.4 机组甩25%额定负荷，接力器不动时间为0.5S；甩50%、75%、100%额定负荷，接力器不
动时间小于0.175S；
4.1.5 甩100%额定负荷时，水击压力上升为28%，机组转速上升为19%，满足调节保证的要求。
该YZBT 型调速器投入运行，动态稳定性与速动性均为优良，且使用简单、方便，体现了高可靠性高效、智能型的优点。
4.2 YZBT 型调速器产品的技术性能及参数
4.2.1 主要技术指标
转速死区不大于0.08%；静态特性非线性度小于5%；甩大于25%额定负荷，接力器不动时间不大于0.2s ；机频测量：机端电压互感器(0.2~160V)或齿盘信号；网频测量：电压互感(70~160V)；温度漂移小于0.02%；综合漂移小于0.6%。
4.2.2 调节参数
永态转差系数bp：0~10%；比例增益Kp：0.5~20；积分增益KI：0~10%s； 微分增益Kd:0~5s
频率人工死区Ex： 0.5Hz。
4.2.3 控制参数
电气开限：0~100%；频率给定：45~55Hz；开度给定：0~100%；功率给定：0~110%；调速器操作功：3000，6000，10000，!18000，30000，50000(N.m)；工作油压2.5MPa，4.0MPa。
参考文献：
[1] 南海鹏，王德意，王涛.基于可编程计算机控制器的水轮机调速器[J].中国农村水利水电
2001，（5）
作者简介：
伍哲身(1945，男，福建石狮人，高级讲师，全国水利水电中专教研会水动主、辅机课程组组长，从事水电站机电设备的教学工作及工程技术)
福建水利电力职业技术学院，福建永安 366000