戴宗泉

（陜西省地方電力水電有限公司，陜西 西安 710061）

水輪機(jī)調(diào)速器是水電站重要的基礎(chǔ)自動化設(shè)備，其質(zhì)量的好壞直接影響到電能品質(zhì)、電站安全及經(jīng)濟(jì)運行。目前中小型水輪機(jī)調(diào)速器市場上主要有基于單片機(jī)、工業(yè)控制計算機(jī)、可編程控制器的三種類型微機(jī)調(diào)速器。雖然微機(jī)調(diào)速器的性能不斷得到改善，但中小型水電站為了節(jié)約成本，選擇的微機(jī)調(diào)速器還存在可靠性不高的問題。

基于單片機(jī)的微機(jī)調(diào)速器一般均采用單片機(jī)實現(xiàn)，其硬件多為自行設(shè)計制造，元件檢測、篩選、老化處理、焊接及生產(chǎn)工藝等都受到限制，造成調(diào)速器可靠性較低?；诠た貦C(jī)的微機(jī)調(diào)速器，雖有一系列優(yōu)點，但裝置訪問時間較長，體積大，且成本高，僅適合大型機(jī)組。基于可編程邏輯控制器的微機(jī)調(diào)速器，雖然可編程邏輯控制器本身的可靠性很高，但其測頻裝置一般由單片機(jī)實現(xiàn)，由于該類調(diào)速器的測頻裝置存在與基于單片機(jī)的微機(jī)調(diào)速器同樣的問題，從而使其可靠性大大降低。

電液隨動系統(tǒng)中現(xiàn)有的電液轉(zhuǎn)換元件的可靠性和技術(shù)性能與微機(jī)調(diào)節(jié)器的發(fā)展不協(xié)調(diào)，在運行過程中存在的堵塞發(fā)卡、漂移、對油質(zhì)要求過高以及漏油量較大等問題還未得到很好解決，從而降低了調(diào)速器整機(jī)的可靠性。

經(jīng)過調(diào)研，筆者認(rèn)為調(diào)速系統(tǒng)不可靠對電廠造成的損失一般會超過選購調(diào)速器節(jié)約的成本，因此小型水電站均應(yīng)選擇高可靠性調(diào)速器。本文推薦一種基于PCC的高可靠性步進(jìn)式水輪機(jī)調(diào)速器，并結(jié)合小型水電站調(diào)速器運行特點，對PCC步進(jìn)式調(diào)速器的硬件和軟件系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1 PCC步進(jìn)式水輪機(jī)調(diào)速器硬件系統(tǒng)

1.1 硬件配置

PCC步進(jìn)式水輪機(jī)調(diào)速器以奧地利B&R公司的系列可編程計算機(jī)控制器為硬件主體?？删幊逃嬎銠C(jī)控制器主要采用2003 系列，目前更新為X20系列。X20（或2003）系列可編程計算機(jī)控制器CPU模塊為多處理器結(jié)構(gòu)，其中I/O處理器主要負(fù)責(zé)獨立于CPU的數(shù)據(jù)傳輸，而雙口控制器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的管理，它們既互相獨立，又互相關(guān)聯(lián)，從而使主CPU的資源得到了合理使用，同時又最大限度地提高了整個系統(tǒng)的速度。

針對目前一般調(diào)速器在測頻、人機(jī)接口上存在的問題，在選擇可編程計算機(jī)控制器模塊時，可選擇CP474、CP476等作為調(diào)速器的CPU模塊，高速數(shù)字量輸入模塊DI135或DI140作為調(diào)速器的測頻輸入模塊，模擬量輸入模塊AI351或AI774等作為接力器位移量輸入模塊，數(shù)字量混合模塊DM438等作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動脈沖輸出和調(diào)速器開關(guān)量輸入輸出模塊。人機(jī)接口可選擇緊湊型人機(jī)接口面板P120，亦可配置其他工業(yè)級人機(jī)界面。

1.2 步進(jìn)式電液隨動系統(tǒng)

液壓隨動系統(tǒng)采用步進(jìn)式電液隨動系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，為二級隨動系統(tǒng)。第一級由脈沖分配器、功率放大回路、步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成機(jī)電隨動系統(tǒng)。第二級由二級液壓放大環(huán)節(jié)組成，引導(dǎo)閥與輔助接力器構(gòu)成第一級液壓放大環(huán)節(jié)，主配壓閥與主接力器構(gòu)成的第二級液壓放大環(huán)節(jié)。由于液壓隨動系統(tǒng)中取消了傳統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換器，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的步進(jìn)式引導(dǎo)閥，從根本上解決了由電液轉(zhuǎn)換器發(fā)卡引起的控制失靈等問題，使電液隨動系統(tǒng)的可靠性大大提高。

1.3 測頻硬件系統(tǒng)

由于PCC具有專門的TPU模塊，使得PCC測量頻率具有獨特的優(yōu)勢。 PCC測頻裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本是類似的，它們均由整形放大電路、高速數(shù)字量輸入模塊及 CPU模塊三部分組成。以圖2為例，整形放大電路將機(jī)組或電網(wǎng)頻率信號整形為同頻率的方波信號，該方波信號經(jīng)DI135隔離并濾波后送入CP474的TPU輸入通道。圖中機(jī)組頻率信號Fj整形放大后經(jīng)DI135的I1和I2通道送入TPU的CH0和CH1，而電網(wǎng)頻率信號Fw整形放大后經(jīng)DI135的I3和I4通道送入TPU的CH2和CH3，其中CH0和CH3分別用于測量機(jī)組頻率和電網(wǎng)頻率，CH1和CH2為其他用途，如測相等。

2 PCC步進(jìn)式水輪機(jī)調(diào)速器軟件系統(tǒng)

2.1 PCC多任務(wù)分時操作系統(tǒng)

可編程計算機(jī)控制器PCC將整個操作界面分成數(shù)個具有不同優(yōu)先權(quán)的任務(wù)等級（TASK CLASS）。其中優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)等級有著較短的巡回掃描周期，而且每個任務(wù)等級可包括多個具體任務(wù)，在這些任務(wù)中可再細(xì)分其優(yōu)先權(quán)的高低。在這種操作系統(tǒng)的管理下，任務(wù)總是按其優(yōu)先權(quán)等級的高低依次執(zhí)行，可以將比較重要的任務(wù)的等級定義得高一些，如調(diào)節(jié)任務(wù)和中斷任務(wù)（由硬件產(chǎn)生的中斷觸發(fā)）等，而將一些較一般的任務(wù)的等級定義得低一些，如人機(jī)接口任務(wù)等，這樣整個控制系統(tǒng)便得到優(yōu)化，具有更好的實時性。

可編程計算機(jī)控制器為用戶提供兩種不同的任務(wù)層，即標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)層和高速任務(wù)層。標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)層的任務(wù)切換由系統(tǒng)管理器來完成，不同系統(tǒng)的CPU模塊可提供多個任務(wù)層，按其優(yōu)先級依次為TC#1 、TC#2、TC#3等。用戶可通過編程系統(tǒng)設(shè)置這些任務(wù)等級的循環(huán)時間（掃描周期），循環(huán)時間可以從10ms到5000ms（以10ms為步長）。高速任務(wù)層是由硬件定時器來觸發(fā)，高速任務(wù)層的優(yōu)先級高于系統(tǒng)管理器和標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)層，它可以在一個確切的時刻中斷其他任務(wù)。用戶同樣可通過編程系統(tǒng)設(shè)置該任務(wù)等級的循環(huán)時間，循環(huán)時間可以從1ms到20ms（以0.5ms為步長）。

2.2 調(diào)速器軟件結(jié)構(gòu)

根據(jù)水輪機(jī)調(diào)速器的功能要求及可編程計算機(jī)控制器PCC 的特點，將調(diào)速器程序劃分為5個模塊。HS#1 循環(huán)時間設(shè)置最小為1ms，完成高速處理的任務(wù)，如測頻等。TC#1、TC#2、TC#3、TC#4循環(huán)時間分別依次增加，可完成重要程度不同的任務(wù)，如分別完成隨動系統(tǒng)控制、PID調(diào)節(jié)規(guī)律計算及人機(jī)接口任務(wù)。這樣非常方便調(diào)速系統(tǒng)的資源調(diào)度。

2.3 頻率測量軟件

可編程計算機(jī)控制器的CPU模塊內(nèi)置時間處理單元TPU，該處理單元利用其內(nèi)部超過4MHz的計數(shù)時鐘測量輸入脈沖的頻率，而DI135等高速開關(guān)量輸入模塊的作用就是將整形后的機(jī)組或電網(wǎng)頻率信號傳至TPU。PCC測頻的基本思路是，先將機(jī)組或電網(wǎng)頻率信號整形為同頻率的方波信號，該方波信號經(jīng)DI135等送入TPU輸入通道，TPU讀取方波信號兩相鄰上升沿之間的計數(shù)值N，則所測頻率為：

式中，fc為PCC內(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)頻率。

頻率測量是影響調(diào)速器可靠性的關(guān)鍵因素之一。因此，除了采用波形整形和高速計數(shù)器外，還特別重視軟件和硬件的容錯及故障自診斷能力。一般在設(shè)計時應(yīng)按以下原則考慮：

1）發(fā)電機(jī)可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速范圍為零到飛逸轉(zhuǎn)速。

2）連續(xù)兩個采樣時刻頻率差值應(yīng)小于Δ=50T/Ta，其中額定頻率為50Hz，T為采樣周，Ta為機(jī)組慣性時間常數(shù)。若本次頻率值與上次頻率值之差的絕對值大于Δ，則對機(jī)頻錯誤計數(shù)加1。若錯誤計數(shù)小于一定值，則用上次頻率值作為本次頻率值。如果錯誤計數(shù)連續(xù)大于一定值，則承認(rèn)本次頻率值。

3）對網(wǎng)頻或機(jī)組并入大網(wǎng)時的機(jī)頻，若頻率值不在一定的頻率范圍內(nèi)，且達(dá)到一定次數(shù)，則認(rèn)為測頻出錯。

4）如果連續(xù)一段時間內(nèi)沒有機(jī)頻網(wǎng)頻信號，則認(rèn)為機(jī)頻網(wǎng)頻消失，且發(fā)出相應(yīng)的報警信號。

5）硬件進(jìn)行冗余設(shè)計，在一路通道連續(xù)出現(xiàn)異常時，可切換另一路。

2.4 控制算法

由于可編程計算機(jī)控制器的編制程序采用獨特的AS類C語言，使得控制算法編制非常靈活。控制算法是軟件設(shè)計的基礎(chǔ)，其精度與速度將直接影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)品質(zhì)。目前國內(nèi)外的微機(jī)調(diào)節(jié)器所采用的調(diào)節(jié)規(guī)律大多數(shù)是PID型，但不同的PID算法對可靠性有較大的影響。目前，各種基于PCC的步進(jìn)式水輪機(jī)調(diào)速器均引入了很好的自適應(yīng)控制算法，同時，為了能提高抗干擾能力，在硬件的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)器普遍采用了數(shù)字濾波等算法進(jìn)行抗干擾處理。

3 結(jié)語

基于可編程計算機(jī)控制器的水輪機(jī)調(diào)速器自從西安理工大學(xué)提出以來，目前已得到包括南瑞、能事達(dá)等多家調(diào)速器生產(chǎn)廠家的大力推廣和改進(jìn)。與其他調(diào)速器相比較，該類型調(diào)速器的可編程計算機(jī)控制器配以適當(dāng)軟件完善了測頻功能，并取代單片機(jī)及PLC測頻裝置，提高了系統(tǒng)的可靠性及動態(tài)品質(zhì)。采用可編程計算機(jī)控制器PCC作為測頻裝置的硬件，其平均無故障率達(dá)50萬h，其內(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)脈沖頻率為4MHz以上，可直接測量頻率信號的當(dāng)前周期。

與傳統(tǒng)的可編程邏輯控制器PLC比較，可編程計算機(jī)控制器PCC具有顯著的優(yōu)點：采用多CPU并行處理，使主CPU的資源得到了合理使用，同時又最大限度地提高了整個系統(tǒng)的速度；采用多任務(wù)分時操作系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)得到優(yōu)化且具有較好的實時性；引進(jìn)了高級語言編程技術(shù)，使編程更方便，更利于描述復(fù)雜的控制思想。

綜上所述，基于可編程計算機(jī)控制器PCC的水輪機(jī)調(diào)速器，是目前中小型水電站的適用調(diào)速器。

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