摘要： 本文介紹了一種全新的水輪機調速器，即由天津市科音自控設備有限公司承擔的國家科技部創(chuàng)新基金項目-數字閥PCC可編程智能調速器。電氣部分以PCC(可編程計算機控制器)為控制核心；電氣液壓轉換部件采用電磁球閥，機械放大元件采用二通插裝閥，采用無杠桿，無明管路結構。電站應用結果表明，數字閥PCC可編程智能調速器所有性能指標均優(yōu)于國家標準，調試簡單，維護方便，具有極高的可靠性。
關鍵詞： 智能調速器 PCC 數字閥 插裝閥
1．前言 
　　目前國內廣為采用的水輪機調速器，多為以PLC為核心。天津市科音自控設備有限公司研制的數字閥PCC可編程智能調速器以全新控制理念，以PCC為控制核心，面向自動化控制全過程，成功配置由電磁球閥和插裝閥構成的數字閥替代傳統(tǒng)的電液轉換器和主配壓閥。 
　　控制器是調速器的核心部件，控制器完成調速器的信號采集、數據運算、控制規(guī)律實現(xiàn)、運行狀態(tài)切換、控制值輸出及其他附加功能。因此，控制器的選擇對新型調速器的開發(fā)至關重要。目前，市場上的控制器很多，如單片機、PLC、PCC等，但由于調速器是工業(yè)現(xiàn)場的設備，對可靠性要求很高。選擇控制器的重要原則是，要選用適合工業(yè)現(xiàn)場使用的抗干擾能力強、可靠性高、選擇余地大、操作維護方便的控制器。我們經過對各種控制器的深入研究，分析對比，結合水輪機調速器的特殊性，發(fā)現(xiàn)奧地利貝加萊(B&R)公司的PCC是能夠滿足上述原則的最合適的控制器，故選擇PCC作為數字閥PCC智能調速器的控制核心。 
　　PCC代表著一個全新的控制理念，它既具有可編程邏輯控制器(PLC)的標準控制功能（可靠性高、易擴展），又具有工業(yè)計算機（IPC）的系統(tǒng)功能（運算能力強、適時性好、編程方便等特點）。它能方便地處理開關量，模擬量，進行回路調節(jié)。并能用高級語言編程，具備大型機的分析運算能力。其硬件具有獨特新穎的插拔式模塊結構，可使系統(tǒng)得到靈活多樣的擴展和組合。軟件也具備模塊結構，系統(tǒng)擴展時只需在原有基礎上疊加運用軟件模塊。PCC的CPU為32位，運行效率高，具有高速的智能處理器TPU，TPU功能可使系統(tǒng)響應時間達到微秒級，而CPU不需作任何加載。用戶存儲器容量大。具有良好的電磁兼容能力和現(xiàn)場總線全面支持技術，體現(xiàn)了工控領域的發(fā)展方向。 
　　數字閥PCC智能調速器包括單調整型和雙調整型，本文介紹雙調整型調速器的主要特點、功能及構成。 
　　2．數字閥PCC智能調速器的主要特點 
　　（1）全新的控制理念。采用不同于常規(guī)PLC的新一代可編程計算機控制器--PCC，面向控制過程，采用高級語言，分析運算能力強，在同一CPU中能同時運行不同程序。程序運行時僅掃描部分程序，效率很高。 
　?。?）全PCC化，具有極高的可靠性。從輸入到輸出,從測頻到控制脈沖等各環(huán)節(jié)均實現(xiàn)了PCC化。PCC的平均無故障時間MTBF高達50萬小時，即57年。 
　?。?）多任務的優(yōu)點。在傳統(tǒng)PLC中，并行處理是靠程序掃描來完成的。但事實上多任務才是并行處理的邏輯表達式，更簡單直接的方法就是采用多任務技術。PCC恰恰可以滿足這種需求，當某一任務在等待時，其他任務仍可繼續(xù)執(zhí)行。PCC將整個調節(jié)控制分成若干個具有不同優(yōu)先權的任務等級（Task Class）。優(yōu)先權越高的任務等級，其掃描周期越短，優(yōu)先權越低，其掃描周期越長。把適時性要求高的程序放在高速任務層，把一般的邏輯判斷處理程序放在普通任務層，這樣可以提高調節(jié)系統(tǒng)的性能指標。 
　?。?）智能型調速器。采用自適應式變結構，變參數并聯(lián)PID調節(jié)，采用對常規(guī)PID調節(jié)器改進后的算法[2]。自動識別電網的性質，并自動適應電站的各種特殊運行方式，如孤網運行，及或由大電網解列為小電網運行的突變負荷等特殊情況時，均可保證機組穩(wěn)定運行。人性化設計，具有很強的自診斷、防錯、糾錯及容錯功能。當出現(xiàn)故障時，自動彈出故障診斷畫面，并自動顯示故障原因及處理辦法。 
　?。?）采用PCC高速計數模塊(HSC)測頻。PCC高達6.3MHz的計數頻率，具有很高的測頻精度和可靠性，從而使調速器的輸入通道－測頻環(huán)節(jié)的可靠性有了根本的保證。 
　　（6）采用數字協(xié)聯(lián)方式，且可現(xiàn)場修改協(xié)聯(lián)曲線并記憶修改后的數據，以便根據電站的實際條件按最優(yōu)曲線運行，槳葉隨動系統(tǒng)準確度高。 
　?。?）PCC的大內存，為智能型調速器提供了資源保證。用戶內存：1.5 MB FLASH PROM。 
　　（8）采用電磁球閥做數字閥作為電液轉換元件。徹底解決了常規(guī)調速器電液轉換元件油污發(fā)卡的問題，使電站可以實現(xiàn)完全可靠的自動運行。 
　?。?）具有故障鎖錠的功能。由于數字閥只有通/斷兩個狀態(tài)，且數字閥采用錐閥密封可以保證在31.5MPa下無泄漏，所以，數字閥又具有液壓鎖的功能，因此當測頻信號消失及斷電等情況下，具有故障鎖錠的功能。 
　?。?0）無杠桿結構。該系列調速器采用了數字閥液壓隨動系統(tǒng)，自動時有電氣返饋，手動無需反饋，因此取消了杠桿，消除了因為杠桿造成的死區(qū)，提高了調速系統(tǒng)的精度，而且無管路，結構簡單，美觀。 
　　（11）友好的人機界面。采用觸摸屏做為人機界面，畫面美觀逼真，全中文顯示，操作方便，可以同時顯示很多信息。具有屏幕保護功能，以延長觸摸屏的壽命。 
　?。?2）維護簡單調試方便。由于PCC的高度集成化和高可靠性，對于運行維護人員沒有太高的特殊要求，調試只需設定有關數字，沒有太多的電位器等可調元件。 
　　3．數字閥PCC智能調速器的主要功能 
　　數字閥PCC可編程智能調速器具有自動、電手動、手動三種操作方式，且可無條件無擾動切換。具有很多功能，實用性智能性很強，除常規(guī)功能外具有如下主要功能。 
　　（1）空載運行時，能自動跟蹤系統(tǒng)頻率,實現(xiàn)快速并網。 
　?。?）具有頻率調節(jié)、開度調節(jié)、功率調節(jié)三種模式，并可實現(xiàn)調節(jié)模式間的無擾動切換。功率調節(jié)模式下，可接受上位機控制指令，實現(xiàn)發(fā)電自動控制功能(AGC)。 
　?。?）具有很強的自診斷、防錯、糾錯及容錯功能，并可將有關故障信息顯示在屏幕上，或發(fā)出報警信號。具有下述在線診斷和容錯功能：模擬/數字轉換器和輸入通道故障；反饋通道故障；液壓控制系統(tǒng)故障；程序出錯和時鐘故障；事故關機回路故障；操作出錯；測頻回路故障；其他故障。 
　?。?）與上位機通訊的功能，接受上位機的控制命令，給上位機傳送有關信息。 
　　（5）開停機智能控制。 
　?。?）輔助試驗功能。通過觸摸屏可以很方便地進行靜態(tài)特性、空載擾動及空載擺動等試驗。 
　?。?）具有水位調節(jié)功能。 
　　（8）波浪控制，以避免甩負荷時上下游水位發(fā)生較大的波浪。 
　?。?）多級密碼保護功能。持有密碼級別的高低，決定了對系統(tǒng)行使權利的大小。運行人員只能觀察到常規(guī)顯示畫面并進行常規(guī)操作，檢修人員或管理人員可對調節(jié)參數等進行修改。 
　?。?0）具備折線關機功能，并由標準的插裝閥完成，結構簡單，動作可靠。 
　　4．數字閥PCC智能調速器的構成 
　　數字閥PCC智能調速器的結構框圖如圖1所示。 
　　根據用戶的要求既可采用機電合柜型也可采用機電分柜型。結構布置簡潔合理，人性化設計，便于檢修，便于操作。調速器上的觸摸屏、儀表、按鈕等，安裝在相應柜子儀表盤上，便于觀測且對稱地排列，所有的儀表及控制裝置，外觀相互協(xié)調。 
　　 4.1 調節(jié)器的構成 
　　調節(jié)器主要由PCC的CPU模塊、高速DI模塊、脈沖輸出模塊、A/D轉換模塊、開關量輸入/輸出模塊、通訊模塊及機架等組成。 
　　4.1.1 測頻環(huán)節(jié) 
　　測頻環(huán)節(jié)的優(yōu)劣將直接影響調速器的性能和可靠性。該系列調速器采用PCC具有TPU功能的高速數字量輸入模塊DI135測頻，測頻過程簡單，測頻精度高，適時性強，可靠性高。以機頻測量為例，測頻程序如下： 
　　Speed1 FUB LTXcpi8( ) (1) 
　　Fj=f/Speed1.DifCnt*Speed1.PCnt (2) 
　　式（1）表示調用測頻功能塊 LTXcpi8( )，Speed1 是別名，F(xiàn)UB是別名調用命令語句。 
　　式（2）中： 
　　Fj表示機組頻率。 
　　f表示PCC頻率測量的內部時鐘，高達6.3MHz的計數頻率，具有很高的測頻精度和可靠性，從而使調速器的輸入通道－測頻環(huán)節(jié)有了根本的保證。其測頻精度遠高于常規(guī)PLC的測頻精度。 
　　Speed1.DifCnt 表示計數器累加到的脈沖個數。 
　　Speed1.PCnt 表示測頻的周期數，采用多個周期測量然后求取平均值，通過程序初始化中設置Speed1.PCnt=1，這樣可以保證測頻的適時性。 
　　傳統(tǒng)的微機調速器測頻為了避免正弦波正負半周的不對稱性，需要分頻后才能保證測頻精度。而PCC中的頻率測量，TPU讀取的是方波信號兩相臨上升沿之間的計數值，不需要分頻，因此簡化了電路，提高了測頻的可靠性，且測頻的適時性提高了一倍。 
　　4.1.2 數字閥的控制 
　　數字閥的控制采用PCC具有TPU功能的高速數字量輸出模塊DO135，根據電氣開度和實際開度的差值DY輸出脈寬調制（PWM）信號，經功率放大后驅動電磁球閥。電磁球閥控制流程如圖2所示。 
　　以導葉數字閥的控制為例，程序如下： 
　　 DO4pwm FUB LTXdpwm4( ) (3) 
　　 DO5pwm FUB LTXdpwm5( ) (4) 
　　式(3)和式(4)分別表示調用脈沖輸出功能塊 LTXdpwm4( )和 LTXdpwm5( )，DO4pwm 和 DO5pwm是別名，F(xiàn)UB是別名調用命令語句。 
　　 4.2 電液隨動系統(tǒng)的構成 
　　電液隨動系統(tǒng)主要是執(zhí)行機構，它將直接影響調速器的性能和可靠性。數字閥調速器以標準件—電磁球閥為先導閥，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電液轉換器、比例閥或步進電機的電液轉換元件，以標準液壓元件—二通插裝閥為放大元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的主配壓閥，。其工作特點是以電磁球閥的通、斷控制插裝閥，插裝閥的通、斷來控制接力器。電磁球閥的工作狀態(tài)只有通、斷兩個狀態(tài)，也即相當于數字電路的高電平、低電平兩個狀態(tài)（即1、0），故將其稱為數字閥，由此構成的調速器稱為數字閥調速器。 

　　采用了速動閥與微調閥并聯(lián)的液壓系統(tǒng)。由于速動閥與微調閥可分別控制接力器的速度，使其均可調，因此，數字閥調速器可很好的適應不同容積的接力器，避免了大型機組接力器容積與調速器主油管通徑不匹配時造成的過調和欠調，實現(xiàn)了精確調節(jié)。小波動時只有微調閥調節(jié)，大波動時速動閥同時參與調節(jié)，大大提高了動態(tài)性能。 

　　插裝閥的密封形式為錐閥，因此插裝閥又具有液壓鎖的功能，插裝閥在31.5MPa油壓下零泄漏。電磁球閥失電后接力器零漂移，具有故障鎖定的功能。所以該系列調速器具有充分理由去掉了機械反饋。由于該系統(tǒng)的先導電磁球閥又具有手動閥及事故閥的功能，減化了調速器內部結構，因此該系列調速器實現(xiàn)了真正意義上的無杠桿，無管路；機械部分結構上采用集成塊的形式，可應用于31.5MPa的高油壓系統(tǒng)；電磁球閥及插裝閥對液壓油的潔凈度要求很低，抗卡阻能力極強；零部件互換性好，更換零部件時，無需調整；整體結構簡單，運行維護方便，可靠性高。 

　　4.3 調速器工作過程 

　　調速器自動運行時，接收到開機令后，按照預先設定好的開機規(guī)律開機。當網頻測量正常時，調速器自動選擇頻率調節(jié)模式， PCC按照機頻與網頻的差值進行PID運算，為實現(xiàn)快速并網作好準備；當網頻測量故障時，自動切換為開度調節(jié)模式，PCC按照機頻與頻率給定的差值進行PID運算。PCC根據電氣開度和實際開度的差值輸出脈寬調制（PWM）信號，經功率放大后驅動電磁球閥，調節(jié)導葉開度，使機組自動運行于空載工況。 

　　并網后，如為并大電網運行，當功率測量正常時，自動選擇功率調節(jié)模式；當功率測量故障時，自動切換為開度調節(jié)模式。如為孤網運行，自動選擇頻率調節(jié)模式。通過上位機或觸摸屏改變功率給定值或開度給定值，調節(jié)器經PI運算后，實現(xiàn)負荷調節(jié)。接到停機令后，調速器自動將機組關機，完成停機過程。 

　　5．數字閥PCC智能調速器的應用 

　　目前，已有多臺數字閥PCC智能調速器在水電站成功投運?，F(xiàn)場試驗結果表明，各項性能指標均優(yōu)于國家標準“水輪機調速器與油壓裝置技術條件GB9652.1-1997”。所有投運的調速器均未出 

　　現(xiàn)任何故障，運行人員操作簡單，維護工作量很少。 

　　以貴州省漾頭水電站第一臺調速器為例，該電站裝機容量為2 X 8000KW，水輪機為軸流轉槳式，設計水頭為18M。現(xiàn)場試驗結果如下： 

　　 （1） 轉速死區(qū) ： 0.015 % 。 

　?。?） 自動空載頻率擺動值：±0.06% 。PID調節(jié)參數為空載擾動試驗優(yōu)選出的運行參數，即:bt=45%，Td=20s，Tn=0.5s， 

　　 （3） 甩25%額定負荷，接力器不動時間為0.18s。 

　?。?） 甩100%額定負荷，轉速最大上升為額定轉速的133.6%，超過3%額定轉速的波峰次數為1次，從接力器第一次向開啟方向移動起，到機組轉速擺動值不超過±0.5%為止所經歷的時間為27 S。 

　　6．結語 

　　試驗結果表明，數字閥PCC可編程智能調速器的各項性能指標均優(yōu)于國家標準“水輪機調速器與油壓裝置技術條件GB9652.1-1997”。不僅解決了傳統(tǒng)調速器的缺陷，而且可滿足現(xiàn)代水輪機調速器發(fā)展的要求，為實現(xiàn)水電站無人值班奠定了基礎。本項目產品己通過“國家中小型水電設備檢測中心”的技術檢測。并在多個水電站成功應用，得到用戶的一致好評。W國家科技部于2004年將“數字閥PCC智能調速器”確定為創(chuàng)新基金支持項目，天津市科音自控設備有限公司得到了科技部和天津市科委的無償資助，為該項技術的盡快推廣增添了動力。