基于可編程計算機控制器的新型水輪機調速器（1）
摘要：本文以成都拜爾電力設備有限公司自行開發研制的基于貝加萊PCC為控制核心的水輪機調速器為例，從水輪機調速器的原理、硬件配置和軟件結構來講述和探討怎樣通過PCC技術來實現調速器的各種功能以及它與傳統調速器相比較的區別和優勢。
關鍵詞：可編程計算機控制器、水輪機調速器、頻率測量、步進電機驅動
1 可編程計算機控制器（PCC）的技術特點[2]
自上世紀90年代以來可編程計算機控制器（PCC）技術進入中國控制領域，已經越來越廣泛地應用于我國的許多工業技術領域，隨著國內一些重要的水電行業的輔機企業在調速器和勵磁上的廣泛應用，其性能也得到越來越多的廠家的青睞和用戶的認可。PCC技術已經逐漸掀起了一股技術革新的潮流。
PCC（Programmble Computer Controller）即可編程計算機控制器是由奧地利貝加萊公司(B&R)1994年首先提出的。它融合了傳統可編程邏輯控制器PLC和工業控制計算機IPC的優勢，既有PLC的高可靠性、易擴展性，又有IPC的強運算能力和強實時性等特點，所以也是目前PLC技術發展的新方向。行業內選用PCC做硬件控制核心也正逐漸成為工業自動化控制領域的新潮流。
與傳統的PLC相比較，PCC具有以下顯著優勢：
1) 定性的分時多任務操作系統：PCC借用了大型計算機的分時多任務操作系統理念，應用程序可以按照工藝功能的不同和優先級的不同設成不同的任務和不同的任務級別，并可根據要求自行設定任務的循環時間。優先權高的任務，可將其掃描周期設定相對更短。這樣使軟件的結構更加合理、科學，同時保證系統具有更高更確定的實時性能。
2) 系統響應速度快：系統的響應速度不僅由CPU來決定，還與I/O數據的傳輸速度有關。PCC的主CPU本身速度極快，同時還借用大型計算機的結構，采用I/O-Processor單獨處理I/O數據傳輸；采用DPR-Controller雙向口控制器負責網絡及系統的管理。也就是說，一個PCC模塊上有三個處理器，既相互獨立，又相互關聯，最大限度地提高了整個系統的速度。
3) 系統測頻、相位測量響應速度快：傳統的PLC步進式微機調速器其測頻單元仍采用單片機或數字電路來實現，其響應頻率低，產品一致性和可靠性差；而直接采用PCC測頻，則無需另設測頻硬件，因此測頻的可靠性非常高。因為PCC的主CPU內還含有一個獨立的時間處理器TPU(Time processing unit ), 可計算處理高達4MHz至6MHz的脈沖信號。因而能巧妙地解決調速器的頻率和相位測量問題，實現快速自動準同期并網。這也是基于傳統PLC的調速器方案先天受限而無法企及的功能。
4) 編程語言高級化：PCC不僅完全支持常規的梯形圖、指令表、順序功能圖等IEC61131-1規定的多種語言，而且支持高級語言如：Automation Basic語言和標準C語言編程。并且可以在同一個項目中同時采用多種語言混合編程。這對于解決復雜的控制算法和工藝任務的編程尤顯方便，由于其更好的可讀性，也非常易于用戶對控制程序進行合理的增減。
5) 可移植性強：在不同系列、不同型號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系列或者型號上。這是因為貝加萊所有的PCC硬件平臺都基于相同的操作系統內核，而且采用標簽變量關聯的編程方式，所以用戶在編程時候不需要關心實際的硬件IO映射關系，而把精力投入在工藝算法本身。在完成這些工作后，最后只需要簡單地將各個標簽名映射在實際的IO通道即可。
6) 高可靠性：PCC具有極高的可靠性，平均無故障時間MTBF達到50萬小時（相當于57年）以上，屬于免維護產品，大大高于一般的PLC或IPC（目前市場上最好的PLC硬件平均無故障時間MTBF達到30萬小時）。
7) 軟件開發環境集成化：PCC的軟件組態開發環境采用AUTOMATION STUDIO工具，秉承一個軟件工具，全部解決整個自動化項目的集成自動化思想，在這一個軟件中同時集成了觸摸屏畫面組態、PLC編程調試、伺服驅動器的編程控制、離線在線仿真調試等豐富的功能。從而可以大大提高項目的開發效率。
2 PCC調速器的原理及結構[3]
2.1 調節系統的基本原理
PCC步進式水輪機調速器是一種以可編程計算機控制器PCC及步進電機為控制核心，與步進式液壓隨動系統配套組成的水輪機調速器。該調速器裝置具有硬件新穎，結構簡單，性能優越，可靠性高，維護量小等一系列優勢。它是在總結了目前國內外調速器的最新技術與現代液壓控制技術的特點設計開發的新型換代產品。其主要作用是：
1）將機組轉速及負荷給定等控制信號轉換成液壓信號，以控制水輪機的導葉接力器，導葉接力器與水輪機的控制環相連，從而操作導水葉。使水輪發電機組的轉速保持在額定轉速允許偏差內運轉，以滿足電網對頻率質量的要求。
2）實現水輪機轉速的單機調節和控制，以適應電網負荷的增減。
3）實現機組按規定的操作程序進行正常的自動或手動開機、空載、負載和自動停機。并能接受不同的故障信號，進行必要的機組保護操作直至緊急停機，以保證機組的安全運行
4）當水輪發電機組在電力系統中并列運行時，調速器能自動承擔預定的負荷分配，使各機組能實現經濟運行。（見圖2.1-1調速器原理框圖[1]
關鍵詞：可編程計算機控制器、水輪機調速器、頻率測量、步進電機驅動
1 可編程計算機控制器（PCC）的技術特點[2]
自上世紀90年代以來可編程計算機控制器（PCC）技術進入中國控制領域，已經越來越廣泛地應用于我國的許多工業技術領域，隨著國內一些重要的水電行業的輔機企業在調速器和勵磁上的廣泛應用，其性能也得到越來越多的廠家的青睞和用戶的認可。PCC技術已經逐漸掀起了一股技術革新的潮流。
PCC（Programmble Computer Controller）即可編程計算機控制器是由奧地利貝加萊公司(B&R)1994年首先提出的。它融合了傳統可編程邏輯控制器PLC和工業控制計算機IPC的優勢，既有PLC的高可靠性、易擴展性，又有IPC的強運算能力和強實時性等特點，所以也是目前PLC技術發展的新方向。行業內選用PCC做硬件控制核心也正逐漸成為工業自動化控制領域的新潮流。
與傳統的PLC相比較，PCC具有以下顯著優勢：
1) 定性的分時多任務操作系統：PCC借用了大型計算機的分時多任務操作系統理念，應用程序可以按照工藝功能的不同和優先級的不同設成不同的任務和不同的任務級別，并可根據要求自行設定任務的循環時間。優先權高的任務，可將其掃描周期設定相對更短。這樣使軟件的結構更加合理、科學，同時保證系統具有更高更確定的實時性能。
2) 系統響應速度快：系統的響應速度不僅由CPU來決定，還與I/O數據的傳輸速度有關。PCC的主CPU本身速度極快，同時還借用大型計算機的結構，采用I/O-Processor單獨處理I/O數據傳輸；采用DPR-Controller雙向口控制器負責網絡及系統的管理。也就是說，一個PCC模塊上有三個處理器，既相互獨立，又相互關聯，最大限度地提高了整個系統的速度。
3) 系統測頻、相位測量響應速度快：傳統的PLC步進式微機調速器其測頻單元仍采用單片機或數字電路來實現，其響應頻率低，產品一致性和可靠性差；而直接采用PCC測頻，則無需另設測頻硬件，因此測頻的可靠性非常高。因為PCC的主CPU內還含有一個獨立的時間處理器TPU(Time processing unit ), 可計算處理高達4MHz至6MHz的脈沖信號。因而能巧妙地解決調速器的頻率和相位測量問題，實現快速自動準同期并網。這也是基于傳統PLC的調速器方案先天受限而無法企及的功能。
4) 編程語言高級化：PCC不僅完全支持常規的梯形圖、指令表、順序功能圖等IEC61131-1規定的多種語言，而且支持高級語言如：Automation Basic語言和標準C語言編程。并且可以在同一個項目中同時采用多種語言混合編程。這對于解決復雜的控制算法和工藝任務的編程尤顯方便，由于其更好的可讀性，也非常易于用戶對控制程序進行合理的增減。
5) 可移植性強：在不同系列、不同型號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系列或者型號上。這是因為貝加萊所有的PCC硬件平臺都基于相同的操作系統內核，而且采用標簽變量關聯的編程方式，所以用戶在編程時候不需要關心實際的硬件IO映射關系，而把精力投入在工藝算法本身。在完成這些工作后，最后只需要簡單地將各個標簽名映射在實際的IO通道即可。
6) 高可靠性：PCC具有極高的可靠性，平均無故障時間MTBF達到50萬小時（相當于57年）以上，屬于免維護產品，大大高于一般的PLC或IPC（目前市場上最好的PLC硬件平均無故障時間MTBF達到30萬小時）。
7) 軟件開發環境集成化：PCC的軟件組態開發環境采用AUTOMATION STUDIO工具，秉承一個軟件工具，全部解決整個自動化項目的集成自動化思想，在這一個軟件中同時集成了觸摸屏畫面組態、PLC編程調試、伺服驅動器的編程控制、離線在線仿真調試等豐富的功能。從而可以大大提高項目的開發效率。
2 PCC調速器的原理及結構[3]
2.1 調節系統的基本原理
PCC步進式水輪機調速器是一種以可編程計算機控制器PCC及步進電機為控制核心，與步進式液壓隨動系統配套組成的水輪機調速器。該調速器裝置具有硬件新穎，結構簡單，性能優越，可靠性高，維護量小等一系列優勢。它是在總結了目前國內外調速器的最新技術與現代液壓控制技術的特點設計開發的新型換代產品。其主要作用是：
1）將機組轉速及負荷給定等控制信號轉換成液壓信號，以控制水輪機的導葉接力器，導葉接力器與水輪機的控制環相連，從而操作導水葉。使水輪發電機組的轉速保持在額定轉速允許偏差內運轉，以滿足電網對頻率質量的要求。
2）實現水輪機轉速的單機調節和控制，以適應電網負荷的增減。
3）實現機組按規定的操作程序進行正常的自動或手動開機、空載、負載和自動停機。并能接受不同的故障信號，進行必要的機組保護操作直至緊急停機，以保證機組的安全運行
4）當水輪發電機組在電力系統中并列運行時，調速器能自動承擔預定的負荷分配，使各機組能實現經濟運行。（見圖2.1-1調速器原理框圖[1]
圖2.1-1 調速器原理框圖
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