基于PCC的步进式水轮机调速器软硬件系统分析

戴宗泉

（陕西省地方电力水电有限公司，陕西 西安 710061）

水轮机调速器是水电站重要的基础自动化设备，其质量的好坏直接影响到电能品质、电站安全及经济运行。目前中小型水轮机调速器市场上主要有基于单片机、工业控制计算机、可编程控制器的三种类型微机调速器。虽然微机调速器的性能不断得到改善，但中小型水电站为了节约成本，选择的微机调速器还存在可靠性不高的问题。

基于单片机的微机调速器一般均采用单片机实现，其硬件多为自行设计制造，元件检测、筛选、老化处理、焊接及生产工艺等都受到限制，造成调速器可靠性较低。基于工控机的微机调速器，虽有一系列优点，但装置访问时间较长，体积大，且成本高，仅适合大型机组。基于可编程逻辑控制器的微机调速器，虽然可编程逻辑控制器本身的可靠性很高，但其测频装置一般由单片机实现，由于该类调速器的测频装置存在与基于单片机的微机调速器同样的问题，从而使其可靠性大大降低。

电液随动系统中现有的电液转换元件的可靠性和技术性能与微机调节器的发展不协调，在运行过程中存在的堵塞发卡、漂移、对油质要求过高以及漏油量较大等问题还未得到很好解决，从而降低了调速器整机的可靠性。

经过调研，笔者认为调速系统不可靠对电厂造成的损失一般会超过选购调速器节约的成本，因此小型水电站均应选择高可靠性调速器。本文推荐一种基于PCC的高可靠性步进式水轮机调速器，并结合小型水电站调速器运行特点，对PCC步进式调速器的硬件和软件系统进行分析。

1 PCC步进式水轮机调速器硬件系统

1.1 硬件配置

PCC步进式水轮机调速器以奥地利B&R公司的系列可编程计算机控制器为硬件主体。可编程计算机控制器主要采用2003 系列，目前更新为X20系列。X20（或2003）系列可编程计算机控制器CPU模块为多处理器结构，其中I/O处理器主要负责独立于CPU的数据传输，而双口控制器主要负责网络及系统的管理，它们既互相独立，又互相关联，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。

针对目前一般调速器在测频、人机接口上存在的问题，在选择可编程计算机控制器模块时，可选择CP474、CP476等作为调速器的CPU模块，高速数字量输入模块DI135或DI140作为调速器的测频输入模块，模拟量输入模块AI351或AI774等作为接力器位移量输入模块，数字量混合模块DM438等作为步进电机驱动脉冲输出和调速器开关量输入输出模块。人机接口可选择紧凑型人机接口面板P120，亦可配置其他工业级人机界面。

1.2 步进式电液随动系统

液压随动系统采用步进式电液随动系统，其结构如图1所示，为二级随动系统。第一级由脉冲分配器、功率放大回路、步进电机构成机电随动系统。第二级由二级液压放大环节组成，引导阀与辅助接力器构成第一级液压放大环节，主配压阀与主接力器构成的第二级液压放大环节。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，从根本上解决了由电液转换器发卡引起的控制失灵等问题，使电液随动系统的可靠性大大提高。

1.3 测频硬件系统

由于PCC具有专门的TPU模块，使得PCC测量频率具有独特的优势。 PCC测频装置系统结构基本是类似的，它们均由整形放大电路、高速数字量输入模块及 CPU模块三部分组成。以图2为例，整形放大电路将机组或电网频率信号整形为同频率的方波信号，该方波信号经DI135隔离并滤波后送入CP474的TPU输入通道。图中机组频率信号Fj整形放大后经DI135的I1和I2通道送入TPU的CH0和CH1，而电网频率信号Fw整形放大后经DI135的I3和I4通道送入TPU的CH2和CH3，其中CH0和CH3分别用于测量机组频率和电网频率，CH1和CH2为其他用途，如测相等。

2 PCC步进式水轮机调速器软件系统

2.1 PCC多任务分时操作系统

可编程计算机控制器PCC将整个操作界面分成数个具有不同优先权的任务等级（TASK CLASS）。其中优先权高的任务等级有着较短的巡回扫描周期，而且每个任务等级可包括多个具体任务，在这些任务中可再细分其优先权的高低。在这种操作系统的管理下，任务总是按其优先权等级的高低依次执行，可以将比较重要的任务的等级定义得高一些，如调节任务和中断任务（由硬件产生的中断触发）等，而将一些较一般的任务的等级定义得低一些，如人机接口任务等，这样整个控制系统便得到优化，具有更好的实时性。

可编程计算机控制器为用户提供两种不同的任务层，即标准任务层和高速任务层。标准任务层的任务切换由系统管理器来完成，不同系统的CPU模块可提供多个任务层，按其优先级依次为TC#1 、TC#2、TC#3等。用户可通过编程系统设置这些任务等级的循环时间（扫描周期），循环时间可以从10ms到5000ms（以10ms为步长）。高速任务层是由硬件定时器来触发，高速任务层的优先级高于系统管理器和标准任务层，它可以在一个确切的时刻中断其他任务。用户同样可通过编程系统设置该任务等级的循环时间，循环时间可以从1ms到20ms（以0.5ms为步长）。

2.2 调速器软件结构

根据水轮机调速器的功能要求及可编程计算机控制器PCC 的特点，将调速器程序划分为5个模块。HS#1 循环时间设置最小为1ms，完成高速处理的任务，如测频等。TC#1、TC#2、TC#3、TC#4循环时间分别依次增加，可完成重要程度不同的任务，如分别完成随动系统控制、PID调节规律计算及人机接口任务。这样非常方便调速系统的资源调度。

2.3 频率测量软件

可编程计算机控制器的CPU模块内置时间处理单元TPU，该处理单元利用其内部超过4MHz的计数时钟测量输入脉冲的频率，而DI135等高速开关量输入模块的作用就是将整形后的机组或电网频率信号传至TPU。PCC测频的基本思路是，先将机组或电网频率信号整形为同频率的方波信号，该方波信号经DI135等送入TPU输入通道，TPU读取方波信号两相邻上升沿之间的计数值N，则所测频率为：

式中，fc为PCC内部计数器的计数频率。

频率测量是影响调速器可靠性的关键因素之一。因此，除了采用波形整形和高速计数器外，还特别重视软件和硬件的容错及故障自诊断能力。一般在设计时应按以下原则考虑：

1）发电机可能出现的转速范围为零到飞逸转速。

2）连续两个采样时刻频率差值应小于Δ=50T/Ta，其中额定频率为50Hz，T为采样周，Ta为机组惯性时间常数。若本次频率值与上次频率值之差的绝对值大于Δ，则对机频错误计数加1。若错误计数小于一定值，则用上次频率值作为本次频率值。如果错误计数连续大于一定值，则承认本次频率值。

3）对网频或机组并入大网时的机频，若频率值不在一定的频率范围内，且达到一定次数，则认为测频出错。

4）如果连续一段时间内没有机频网频信号，则认为机频网频消失，且发出相应的报警信号。

5）硬件进行冗余设计，在一路通道连续出现异常时，可切换另一路。

2.4 控制算法

由于可编程计算机控制器的编制程序采用独特的AS类C语言，使得控制算法编制非常灵活。控制算法是软件设计的基础，其精度与速度将直接影响调节系统的稳定性和调节品质。目前国内外的微机调节器所采用的调节规律大多数是PID型，但不同的PID算法对可靠性有较大的影响。目前，各种基于PCC的步进式水轮机调速器均引入了很好的自适应控制算法，同时，为了能提高抗干扰能力，在硬件的基础上调节器普遍采用了数字滤波等算法进行抗干扰处理。

3 结语

基于可编程计算机控制器的水轮机调速器自从西安理工大学提出以来，目前已得到包括南瑞、能事达等多家调速器生产厂家的大力推广和改进。与其他调速器相比较，该类型调速器的可编程计算机控制器配以适当软件完善了测频功能，并取代单片机及PLC测频装置，提高了系统的可靠性及动态品质。采用可编程计算机控制器PCC作为测频装置的硬件，其平均无故障率达50万h，其内部计数器的计数脉冲频率为4MHz以上，可直接测量频率信号的当前周期。

与传统的可编程逻辑控制器PLC比较，可编程计算机控制器PCC具有显著的优点：采用多CPU并行处理，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；采用多任务分时操作系统，使整个系统得到优化且具有较好的实时性；引进了高级语言编程技术，使编程更方便，更利于描述复杂的控制思想。

综上所述，基于可编程计算机控制器PCC的水轮机调速器，是目前中小型水电站的适用调速器。

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