基于贝加莱可编程计算机控制器的新型水轮机调速器
关键词：可编程计算机控制器、水轮机调速器、频率测量、步进电机驱动
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
自上世纪90年代以来可编程计算机控制器（PCC）技术进入中国控制领域，已经越来越广泛地应用于我国的许多工业技术领域，随着国内一些重要的水电行业的辅机企业在调速器和励磁上的广泛应用，其性能也得到越来越多的厂家的青睐和用户的认可。PCC技术已经逐渐掀起了一股技术革新的潮流。
2 可编程计算机控制器（PCC）的技术特点
PCC（Programmble Computer Controller）即可编程计算机控制器是由奥地利贝加莱公司（B&R）1994年首先提出的。它融合了传统可编程逻辑控制器PLC和工业控制计算机IPC的优势，既有PLC的高可靠性、易扩展性，又有IPC的强运算能力和强实时性等特点，所以也是目前PLC技术发展的新方向。行业内选用PCC做硬件控制核心也正逐渐成为工业自动化控制领域的新潮流。
与传统的PLC相比较，PCC具有以下显著优势：
1） 定性的分时多任务操作系统：PCC借用了大型计算机的分时多任务操作系统理念，应用程序可以按照工艺功能的不同和优先级的不同设成不同的任务和不同的任务级别，并可根据要求自行设定任务的循环时间。优先权高的任务，可将其扫描周期设定相对更短。这样使软件的结构更加合理、科学，同时保证系统具有更高更确定的实时性能。
2） 系统响应速度快：系统的响应速度不仅由CPU来决定，还与I/O数据的传输速度有关。PCC的主CPU本身速度极快，同时还借用大型计算机的结构，采用I/O-Processor单独处理I/O数据传输;采用DPR-Controller双向口控制器负责网络及系统的管理。也就是说，一个PCC模块上有三个处理器，既相互独立，又相互关联，最大限度地提高了整个系统的速度。
3） 系统测频、相位测量响应速度快：传统的PLC步进式微机调速器其测频单元仍采用单片机或数字电路来实现，其响应频率低，产品一致性和可靠性差;而直接采用PCC测频，则无需另设测频硬件，因此测频的可靠性非常高。因为PCC的主CPU内还含有一个独立的时间处理器TPU（Time processing unit ）, 可计算处理高达4MHz至6MHz的脉冲信号。因而能巧妙地解决调速器的频率和相位测量问题，实现快速自动准同期并网。这也是基于传统PLC的调速器方案先天受限而无法企及的功能。
4）编程语言高级化：PCC不仅完全支持常规的梯形图、指令表、顺序功能图等IEC61131-1规定的多种语言，而且支持高级语言如：Automation Basic语言和标准C语言编程。并且可以在同一个项目中同时采用多种语言混合编程。这对于解决复杂的控制算法和工艺任务的编程尤显方便，由于其更好的可读性，也非常易于用户对控制程序进行合理的增减。
5）可移植性强：在不同系列、不同型号PCC上所编制的程序，都可以不用修改源码本身，而直接移植到另外的PCC系列或者型号上。这是因为贝加莱所有的PCC硬件平台都基于相同的操作系统内核，而且采用标签变量关联的编程方式，所以用户在编程时候不需要关心实际的硬件IO映射关系，而把精力投入在工艺算法本身。在完成这些工作后，最后只需要简单地将各个标签名映射在实际的IO通道即可。
6）高可靠性：PCC具有极高的可靠性，平均无故障时间MTBF达到50万小时（相当于57年）以上，属于免维护产品，大大高于一般的PLC或IPC（目前市场上最好的PLC硬件平均无故障时间MTBF达到30万小时）。
7）软件开发环境集成化：PCC的软件组态开发环境采用AUTOMATION STUDIO工具，秉承一个软件工具，全部解决整个自动化项目的集成自动化思想，在这一个软件中同时集成了触摸屏画面组态、PLC编程调试、伺服驱动器的编程控制、离线在线仿真调试等丰富的功能。从而可以大大提高项目的开发效率。
3 PCC调速器的原理及结构
3.1 调节系统的基本原理
PCC步进式水轮机调速器是一种以可编程计算机控制器PCC及步进电机为控制核心，与步进式液压随动系统配套组成的水轮机调速器。该调速器装置具有硬件新颖，结构简单，性能优越，可靠性高，维护量小等一系列优势。它是在总结了目前国内外调速器的最新技术与现代液压控制技术的特点设计开发的新型换代产品。其主要作用是：
1）将机组转速及负荷给定等控制信号转换成液压信号，以控制水轮机的导叶接力器，导叶接力器与水轮机的控制环相连，从而操作导水叶。使水轮发电机组的转速保持在额定转速允许偏差内运转，以满足电网对频率质量的要求。
2）实现水轮机转速的单机调节和控制，以适应电网负荷的增减。
3）实现机组按规定的操作程序进行正常的自动或手动开机、空载、负载和自动停机。并能接受不同的故障信号，进行必要的机组保护操作直至紧急停机，以保证机组的安全运行
4）当水轮发电机组在电力系统中并列运行时，调速器能自动承担预定的负荷分配，使各机组能实现经济运行。（见图3.1-1调速器原理框图[1]）
图3.1-1 调速器原理框图
3.2 PCC调速器的硬件配置
该水轮机调节器采用奥地利贝加莱公司的B&R 2003系列可编程计算机控制器CP474为硬件核心，配以电源系统、信号处理模块、人机界面、接力器位移传感器、步进电机驱动器、继电器操作回路，组成了性能优越、可靠性高、操作方便的水轮机调速器电气控制系统。PCC控制器的主要模块包括：CPU模块、高速脉冲量输入/输出模块、混合模块（开关量、模拟量输出/输入）等。所有元件装在一块垂直安装板上，安装、调试、检修都非常方便。其系统结构如图3.2-1所示。
该水轮机调速器主要构成自动-电手动双通道，可实现调速器的全部自动控制功能，当机组转速信号故障或PCC控制器故障时，可自动切换至纯机械手动控制，除自动控制外，还可通过电手动控制单元可以对导叶进行控制;自动-手动切换时均能实现自动跟踪导叶开度。（见图3.2-1电气系统结构框图）
图3.2-1 电气系统结构框图
3.2.1系统所用的主要PCC模块
该系统的PCC硬件系统结构包括：安装导轨、模块底板、CPU模块、各种I/O模块、通讯模块、液晶显示触摸屏HMI、其它附件等。
1）CPU模块CP474
CPU安装在底板的最左端，模块上有RS232和CAN接口各一个，并有状态指示灯，同时还有4个旋入式模块的插槽，需要扩展时将旋入式模块插入到插槽中并用紧固螺丝固定。旋入式模块可以是模拟量或数字量模块，也可以是通讯扩展模块。
2）高速计数器模块DI135
数字量输入模块DI135是适用于2003系列PCC和PP41的旋入式模块。它可完成以下任务操作:TPU功能、高速数字量信号的计数、门测量、频率测量、事件计数、增量式编码器操作、µs级输入响应、带直接输出控制的本地计数器状态监控。
3）I/O组合混合模块CM211
通用的输入/输出模块，它具有：8路数字量输入、8路数字量输出、2路模拟量输入、2路模块量输出、特殊功能。
4）高速数字量输出模块DO135
DO135是4个通道输出模块，每个输出的操作类型可单独设定，以下为可能的操作类型：输出通道的开/闭切换、脉冲宽度调制（PWM）、TPU操作。
3.2.2 电源系统
系统采用两套大功率的工业级开关电源，将厂用220V AC与220V DC供电电源变换成直流24V DC电源后作为水轮机调节器供电电源。大大提高了供电系统的可靠性。正常工作时一套电源做主用，另一套电源做热备用。任一路开关电源出故障，将自动瞬时无扰切换至正常的另一路，且不影响调速器正常工作。电压波动范围：220V AC±20%（50Hz单相）或220V DC（180-260V）。
3.2.3频率整形模块（PT信号）
两路机组电压互感器（PT）信号和一路电网PT信号直接输入电气柜内的频率整形模块，经信号隔离变压器送入整形电路，经滤波整形后处理成幅值24V，频率与机组实际频率相关的方波信号，送入PCC的高速脉冲输入模块DI135。PT信号幅值范围0.3V——180V，线性频率范围为10——100Hz。测频模块采用高质量、低功耗的大规模集成电路构成，并采用通道冗余结构确保了测频模块的高可靠性。
3.2.4 人机界面（HMI）
人机界面（Human Machine Interface）采用工业彩色液晶显示触摸屏。工业触摸屏配以彩色液晶显示器，采用RS232与PCC主控制器交换信息，信息量大，操作方便。通过HMI，用户可以在线显示、修改各种参数及显示故障信息。
3.2.5 步进电机丝杠位移传感器
采用直线式电位器，工作行程±7.5mm。
3.2.6 步进电机驱动器
该步进电机驱动器采用优异的设计和混合电路工艺，结构紧凑，噪音低;采用变速驱动方式，控制精确无振作，运行稳定。
3.2.7 继电器操作回路
为了指示手动/自动、紧急停机/复归等信号，完成手动/自动、紧急停机/复归等操作，及向电站监控系统发送相关接点信号，设置了DC24V继电器操作回路。
4 PCC调速器的软件结构
按照功能和优先级的不同，PCC调速器的软件被划分为测频程序、步进电机驱动程序、运算程序、主控程序、报警程序、通讯功能程序以及人机界面程序等程序模块。各程序块既相互独立又互相关联，在分时多任务操作系统平台上由主控程序统一调度来完成调节器的各项操作、控制、显示和报警功能。这种程序结构充分发挥了PCC分时多任务操作系统的优势并且使得调速器程序得到了优化。该系统的主控制程序流程如图4-1所示。
图4-1主控制程序流程图
5 调速器各项功能的软件实现
5.1 频率测量与滤波
PCC内部拥有高达6M Hz的计数基准频率，因此它具有比普通PLC更高的测频精度。经信号处理模块整形后的机频、网频信号分别引入PCC的TPU通道1和2，利用时间测量功能块LTXcpiC和LTXcpiD分别测量机频和网频脉冲信号的相邻两个上升沿之间的时间，然后根据该功能块注释中提供的计算公式可计算出实测频率[4],即:
f = fe / DifCnt
fe 为PCC内部晶振频率（数值为6291667），DifCnt 为相邻两上升沿之间的计数值。
此外，为提高测频回路的抗干扰能力，我们在该程序模块里添加了具有滤波功能的程序段。该程序通过比较相邻两个波形的频差是否超出正常频差范围（差值可由用户设定）来判断并过滤干扰信号。频率测量及滤波（以机频为例）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，我们将实测的机频定义为临时机频（tempFj）而真正参与运算的机频被定义为实际机频（ActFj），二者的差值与频差上限（FilterFj_Diff）相比较之后，如在频差范围以内说明后面的波形是实际的机频信号，反之则说明遇到了干扰信号，这个波形应被过滤。
5.2 步进电机的驱动和控制
步进电机是高精度数字元件，它可以迅速且精确定位，用它来控制调速器的执行机构是一个非常好的选择。此外步进电机可与丝杠位移传感器构成一个闭环系统，这样可以对因频繁工作而丢步的步进电机进行零位校正。
5.3运算程序
毫无疑问，数值运算是PCC调速器软件的核心部分。一个好的算法不但能够提高运算的速度和精度而且还能节省CPU资源。PCC操作系统在提供灵活多样的编程语言的同时也提供了强大的浮点运算功能。简单的逻辑处理仍然可以采用梯形图的方式，但高级语言的应用则改变了以往PLC编写运算程序相对比较困难的局面，以前需要许多句梯形图语句才能完成的复杂计算过程如今只需定义变量后输入公式即可。此外，一般普通的PLC只能进行整型变量运算，而PCC则可以进行浮点型变量运算，这使得运算精度得到大大提高。
以下是一段计算程序例子：
。。。。。。
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 结束语
成都拜尔电力设备有限公司开发的基于可编程计算机控制器PCC技术的新型水轮机调速器采用奥地利贝加莱（B&R）公司的2003系列模块作为控制核心部件，具有可靠性高、响应速度快、运算功能强大、人机界面友好和调节品质高等优点，其各项静态、动态指标全部满足并且部分优于国标GB /T9652-1997中的相关技术要求，经过实际长期应用，表现出良好的稳定性，是行业技术的发展方向。
参考文献
1. 沈祖诒,水轮机调节（第三版）.中国水利水电出版社.1998.5;
2. 齐蓉（主编）,可编程计算机控制器原理及应用.西北工业大学出版社.2002.7;
3. 南海鹏,水轮发电机组PCC控制.西北工业大学出版社.2002.9;
4. 孔昭年,2004中国水电控制设备论文集.黄河水利出版社.2004.10.
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