摘要： 本文介紹了一種全新的水輪機(jī)調(diào)速器，即由天津市科音自控設(shè)備有限公司承擔(dān)的國家科技部創(chuàng)新基金項(xiàng)目-數(shù)字閥PCC可編程智能調(diào)速器。電氣部分以PCC(可編程計(jì)算機(jī)控制器)為控制核心；電氣液壓轉(zhuǎn)換部件采用電磁球閥，機(jī)械放大元件采用二通插裝閥，采用無杠桿，無明管路結(jié)構(gòu)。電站應(yīng)用結(jié)果表明，數(shù)字閥PCC可編程智能調(diào)速器所有性能指標(biāo)均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)試簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，具有極高的可靠性。
關(guān)鍵詞： 智能調(diào)速器 PCC 數(shù)字閥 插裝閥
1．前言 
　　目前國內(nèi)廣為采用的水輪機(jī)調(diào)速器，多為以PLC為核心。天津市科音自控設(shè)備有限公司研制的數(shù)字閥PCC可編程智能調(diào)速器以全新控制理念，以PCC為控制核心，面向自動(dòng)化控制全過程，成功配置由電磁球閥和插裝閥構(gòu)成的數(shù)字閥替代傳統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換器和主配壓閥。 
　　控制器是調(diào)速器的核心部件，控制器完成調(diào)速器的信號(hào)采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算、控制規(guī)律實(shí)現(xiàn)、運(yùn)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(duì)新型調(diào)速器的開發(fā)至關(guān)重要。目前，市場(chǎng)上的控制器很多，如單片機(jī)、PLC、PCC等，但由于調(diào)速器是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備，對(duì)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(chǎng)使用的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、選擇余地大、操作維護(hù)方便的控制器。我們經(jīng)過對(duì)各種控制器的深入研究，分析對(duì)比，結(jié)合水輪機(jī)調(diào)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(shù)字閥PCC智能調(diào)速器的控制核心。 
　　PCC代表著一個(gè)全新的控制理念，它既具有可編程邏輯控制器(PLC)的標(biāo)準(zhǔn)控制功能（可靠性高、易擴(kuò)展），又具有工業(yè)計(jì)算機(jī)（IPC）的系統(tǒng)功能（運(yùn)算能力強(qiáng)、適時(shí)性好、編程方便等特點(diǎn)）。它能方便地處理開關(guān)量，模擬量，進(jìn)行回路調(diào)節(jié)。并能用高級(jí)語言編程，具備大型機(jī)的分析運(yùn)算能力。其硬件具有獨(dú)特新穎的插拔式模塊結(jié)構(gòu)，可使系統(tǒng)得到靈活多樣的擴(kuò)展和組合。軟件也具備模塊結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)只需在原有基礎(chǔ)上疊加運(yùn)用軟件模塊。PCC的CPU為32位，運(yùn)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(yīng)時(shí)間達(dá)到微秒級(jí)，而CPU不需作任何加載。用戶存儲(chǔ)器容量大。具有良好的電磁兼容能力和現(xiàn)場(chǎng)總線全面支持技術(shù)，體現(xiàn)了工控領(lǐng)域的發(fā)展方向。 
　　數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器包括單調(diào)整型和雙調(diào)整型，本文介紹雙調(diào)整型調(diào)速器的主要特點(diǎn)、功能及構(gòu)成。 
　　2．?dāng)?shù)字閥PCC智能調(diào)速器的主要特點(diǎn) 
　?。?）全新的控制理念。采用不同于常規(guī)PLC的新一代可編程計(jì)算機(jī)控制器--PCC，面向控制過程，采用高級(jí)語言，分析運(yùn)算能力強(qiáng)，在同一CPU中能同時(shí)運(yùn)行不同程序。程序運(yùn)行時(shí)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(cè)頻到控制脈沖等各環(huán)節(jié)均實(shí)現(xiàn)了PCC化。PCC的平均無故障時(shí)間MTBF高達(dá)50萬小時(shí)，即57年。 
　　（3）多任務(wù)的優(yōu)點(diǎn)。在傳統(tǒng)PLC中，并行處理是靠程序掃描來完成的。但事實(shí)上多任務(wù)才是并行處理的邏輯表達(dá)式，更簡(jiǎn)單直接的方法就是采用多任務(wù)技術(shù)。PCC恰恰可以滿足這種需求，當(dāng)某一任務(wù)在等待時(shí)，其他任務(wù)仍可繼續(xù)執(zhí)行。PCC將整個(gè)調(diào)節(jié)控制分成若干個(gè)具有不同優(yōu)先權(quán)的任務(wù)等級(jí)（Task Class）。優(yōu)先權(quán)越高的任務(wù)等級(jí)，其掃描周期越短，優(yōu)先權(quán)越低，其掃描周期越長(zhǎng)。把適時(shí)性要求高的程序放在高速任務(wù)層，把一般的邏輯判斷處理程序放在普通任務(wù)層，這樣可以提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 
　?。?）智能型調(diào)速器。采用自適應(yīng)式變結(jié)構(gòu)，變參數(shù)并聯(lián)PID調(diào)節(jié)，采用對(duì)常規(guī)PID調(diào)節(jié)器改進(jìn)后的算法[2]。自動(dòng)識(shí)別電網(wǎng)的性質(zhì)，并自動(dòng)適應(yīng)電站的各種特殊運(yùn)行方式，如孤網(wǎng)運(yùn)行，及或由大電網(wǎng)解列為小電網(wǎng)運(yùn)行的突變負(fù)荷等特殊情況時(shí)，均可保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。人性化設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的自診斷、防錯(cuò)、糾錯(cuò)及容錯(cuò)功能。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)彈出故障診斷畫面，并自動(dòng)顯示故障原因及處理辦法。 
　　（5）采用PCC高速計(jì)數(shù)模塊(HSC)測(cè)頻。PCC高達(dá)6.3MHz的計(jì)數(shù)頻率，具有很高的測(cè)頻精度和可靠性，從而使調(diào)速器的輸入通道－測(cè)頻環(huán)節(jié)的可靠性有了根本的保證。 
　?。?）采用數(shù)字協(xié)聯(lián)方式，且可現(xiàn)場(chǎng)修改協(xié)聯(lián)曲線并記憶修改后的數(shù)據(jù)，以便根據(jù)電站的實(shí)際條件按最優(yōu)曲線運(yùn)行，槳葉隨動(dòng)系統(tǒng)準(zhǔn)確度高。 
　?。?）PCC的大內(nèi)存，為智能型調(diào)速器提供了資源保證。用戶內(nèi)存：1.5 MB FLASH PROM。 
　　（8）采用電磁球閥做數(shù)字閥作為電液轉(zhuǎn)換元件。徹底解決了常規(guī)調(diào)速器電液轉(zhuǎn)換元件油污發(fā)卡的問題，使電站可以實(shí)現(xiàn)完全可靠的自動(dòng)運(yùn)行。 
　?。?）具有故障鎖錠的功能。由于數(shù)字閥只有通/斷兩個(gè)狀態(tài)，且數(shù)字閥采用錐閥密封可以保證在31.5MPa下無泄漏，所以，數(shù)字閥又具有液壓鎖的功能，因此當(dāng)測(cè)頻信號(hào)消失及斷電等情況下，具有故障鎖錠的功能。 
　?。?0）無杠桿結(jié)構(gòu)。該系列調(diào)速器采用了數(shù)字閥液壓隨動(dòng)系統(tǒng)，自動(dòng)時(shí)有電氣返饋，手動(dòng)無需反饋，因此取消了杠桿，消除了因?yàn)楦軛U造成的死區(qū)，提高了調(diào)速系統(tǒng)的精度，而且無管路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，美觀。 
　?。?1）友好的人機(jī)界面。采用觸摸屏做為人機(jī)界面，畫面美觀逼真，全中文顯示，操作方便，可以同時(shí)顯示很多信息。具有屏幕保護(hù)功能，以延長(zhǎng)觸摸屏的壽命。 
　?。?2）維護(hù)簡(jiǎn)單調(diào)試方便。由于PCC的高度集成化和高可靠性，對(duì)于運(yùn)行維護(hù)人員沒有太高的特殊要求，調(diào)試只需設(shè)定有關(guān)數(shù)字，沒有太多的電位器等可調(diào)元件。 
　　3．?dāng)?shù)字閥PCC智能調(diào)速器的主要功能 
　　數(shù)字閥PCC可編程智能調(diào)速器具有自動(dòng)、電手動(dòng)、手動(dòng)三種操作方式，且可無條件無擾動(dòng)切換。具有很多功能，實(shí)用性智能性很強(qiáng)，除常規(guī)功能外具有如下主要功能。 
　?。?）空載運(yùn)行時(shí)，能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)頻率,實(shí)現(xiàn)快速并網(wǎng)。 
　?。?）具有頻率調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)三種模式，并可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)模式間的無擾動(dòng)切換。功率調(diào)節(jié)模式下，可接受上位機(jī)控制指令，實(shí)現(xiàn)發(fā)電自動(dòng)控制功能(AGC)。 
　　（3）具有很強(qiáng)的自診斷、防錯(cuò)、糾錯(cuò)及容錯(cuò)功能，并可將有關(guān)故障信息顯示在屏幕上，或發(fā)出報(bào)警信號(hào)。具有下述在線診斷和容錯(cuò)功能：模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)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(cuò)和時(shí)鐘故障；事故關(guān)機(jī)回路故障；操作出錯(cuò)；測(cè)頻回路故障；其他故障。 
　?。?）與上位機(jī)通訊的功能，接受上位機(jī)的控制命令，給上位機(jī)傳送有關(guān)信息。 
　　（5）開停機(jī)智能控制。 
　?。?）輔助試驗(yàn)功能。通過觸摸屏可以很方便地進(jìn)行靜態(tài)特性、空載擾動(dòng)及空載擺動(dòng)等試驗(yàn)。 
　?。?）具有水位調(diào)節(jié)功能。 
　　（8）波浪控制，以避免甩負(fù)荷時(shí)上下游水位發(fā)生較大的波浪。 
　?。?）多級(jí)密碼保護(hù)功能。持有密碼級(jí)別的高低，決定了對(duì)系統(tǒng)行使權(quán)利的大小。運(yùn)行人員只能觀察到常規(guī)顯示畫面并進(jìn)行常規(guī)操作，檢修人員或管理人員可對(duì)調(diào)節(jié)參數(shù)等進(jìn)行修改。 
　?。?0）具備折線關(guān)機(jī)功能，并由標(biāo)準(zhǔn)的插裝閥完成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠。 
　　4．?dāng)?shù)字閥PCC智能調(diào)速器的構(gòu)成 
　　數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 
　　根據(jù)用戶的要求既可采用機(jī)電合柜型也可采用機(jī)電分柜型。結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)潔合理，人性化設(shè)計(jì)，便于檢修，便于操作。調(diào)速器上的觸摸屏、儀表、按鈕等，安裝在相應(yīng)柜子儀表盤上，便于觀測(cè)且對(duì)稱地排列，所有的儀表及控制裝置，外觀相互協(xié)調(diào)。 
　　 4.1 調(diào)節(jié)器的構(gòu)成 
　　調(diào)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(zhuǎn)換模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、通訊模塊及機(jī)架等組成。 
　　4.1.1 測(cè)頻環(huán)節(jié) 
　　測(cè)頻環(huán)節(jié)的優(yōu)劣將直接影響調(diào)速器的性能和可靠性。該系列調(diào)速器采用PCC具有TPU功能的高速數(shù)字量輸入模塊DI135測(cè)頻，測(cè)頻過程簡(jiǎn)單，測(cè)頻精度高，適時(shí)性強(qiáng)，可靠性高。以機(jī)頻測(cè)量為例，測(cè)頻程序如下： 
　　Speed1 FUB LTXcpi8( ) (1) 
　　Fj=f/Speed1.DifCnt*Speed1.PCnt (2) 
　　式（1）表示調(diào)用測(cè)頻功能塊 LTXcpi8( )，Speed1 是別名，F(xiàn)UB是別名調(diào)用命令語句。 
　　式（2）中： 
　　Fj表示機(jī)組頻率。 
　　f表示PCC頻率測(cè)量的內(nèi)部時(shí)鐘，高達(dá)6.3MHz的計(jì)數(shù)頻率，具有很高的測(cè)頻精度和可靠性，從而使調(diào)速器的輸入通道－測(cè)頻環(huán)節(jié)有了根本的保證。其測(cè)頻精度遠(yuǎn)高于常規(guī)PLC的測(cè)頻精度。 
　　Speed1.DifCnt 表示計(jì)數(shù)器累加到的脈沖個(gè)數(shù)。 
　　Speed1.PCnt 表示測(cè)頻的周期數(shù)，采用多個(gè)周期測(cè)量然后求取平均值，通過程序初始化中設(shè)置Speed1.PCnt=1，這樣可以保證測(cè)頻的適時(shí)性。 
　　傳統(tǒng)的微機(jī)調(diào)速器測(cè)頻為了避免正弦波正負(fù)半周的不對(duì)稱性，需要分頻后才能保證測(cè)頻精度。而PCC中的頻率測(cè)量，TPU讀取的是方波信號(hào)兩相臨上升沿之間的計(jì)數(shù)值，不需要分頻，因此簡(jiǎn)化了電路，提高了測(cè)頻的可靠性，且測(cè)頻的適時(shí)性提高了一倍。 
　　4.1.2 數(shù)字閥的控制 
　　數(shù)字閥的控制采用PCC具有TPU功能的高速數(shù)字量輸出模塊DO135，根據(jù)電氣開度和實(shí)際開度的差值DY輸出脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)電磁球閥。電磁球閥控制流程如圖2所示。 
　　以導(dǎo)葉數(shù)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(diào)用脈沖輸出功能塊 LTXdpwm4( )和 LTXdpwm5( )，DO4pwm 和 DO5pwm是別名，F(xiàn)UB是別名調(diào)用命令語句。 
　　 4.2 電液隨動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成 
　　電液隨動(dòng)系統(tǒng)主要是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它將直接影響調(diào)速器的性能和可靠性。數(shù)字閥調(diào)速器以標(biāo)準(zhǔn)件—電磁球閥為先導(dǎo)閥，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換器、比例閥或步進(jìn)電機(jī)的電液轉(zhuǎn)換元件，以標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)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(gè)狀態(tài)，也即相當(dāng)于數(shù)字電路的高電平、低電平兩個(gè)狀態(tài)（即1、0），故將其稱為數(shù)字閥，由此構(gòu)成的調(diào)速器稱為數(shù)字閥調(diào)速器。 

　　采用了速動(dòng)閥與微調(diào)閥并聯(lián)的液壓系統(tǒng)。由于速動(dòng)閥與微調(diào)閥可分別控制接力器的速度，使其均可調(diào)，因此，數(shù)字閥調(diào)速器可很好的適應(yīng)不同容積的接力器，避免了大型機(jī)組接力器容積與調(diào)速器主油管通徑不匹配時(shí)造成的過調(diào)和欠調(diào)，實(shí)現(xiàn)了精確調(diào)節(jié)。小波動(dòng)時(shí)只有微調(diào)閥調(diào)節(jié)，大波動(dòng)時(shí)速動(dòng)閥同時(shí)參與調(diào)節(jié)，大大提高了動(dòng)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(diào)速器具有充分理由去掉了機(jī)械反饋。由于該系統(tǒng)的先導(dǎo)電磁球閥又具有手動(dòng)閥及事故閥的功能，減化了調(diào)速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此該系列調(diào)速器實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無杠桿，無管路；機(jī)械部分結(jié)構(gòu)上采用集成塊的形式，可應(yīng)用于31.5MPa的高油壓系統(tǒng)；電磁球閥及插裝閥對(duì)液壓油的潔凈度要求很低，抗卡阻能力極強(qiáng)；零部件互換性好，更換零部件時(shí)，無需調(diào)整；整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)方便，可靠性高。 

　　4.3 調(diào)速器工作過程 

　　調(diào)速器自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，接收到開機(jī)令后，按照預(yù)先設(shè)定好的開機(jī)規(guī)律開機(jī)。當(dāng)網(wǎng)頻測(cè)量正常時(shí)，調(diào)速器自動(dòng)選擇頻率調(diào)節(jié)模式， PCC按照機(jī)頻與網(wǎng)頻的差值進(jìn)行PID運(yùn)算，為實(shí)現(xiàn)快速并網(wǎng)作好準(zhǔn)備；當(dāng)網(wǎng)頻測(cè)量故障時(shí)，自動(dòng)切換為開度調(diào)節(jié)模式，PCC按照機(jī)頻與頻率給定的差值進(jìn)行PID運(yùn)算。PCC根據(jù)電氣開度和實(shí)際開度的差值輸出脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)電磁球閥，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，使機(jī)組自動(dòng)運(yùn)行于空載工況。 

　　并網(wǎng)后，如為并大電網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)功率測(cè)量正常時(shí)，自動(dòng)選擇功率調(diào)節(jié)模式；當(dāng)功率測(cè)量故障時(shí)，自動(dòng)切換為開度調(diào)節(jié)模式。如為孤網(wǎng)運(yùn)行，自動(dòng)選擇頻率調(diào)節(jié)模式。通過上位機(jī)或觸摸屏改變功率給定值或開度給定值，調(diào)節(jié)器經(jīng)PI運(yùn)算后，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)節(jié)。接到停機(jī)令后，調(diào)速器自動(dòng)將機(jī)組關(guān)機(jī)，完成停機(jī)過程。 

　　5．?dāng)?shù)字閥PCC智能調(diào)速器的應(yīng)用 

　　目前，已有多臺(tái)數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器在水電站成功投運(yùn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)“水輪機(jī)調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件GB9652.1-1997”。所有投運(yùn)的調(diào)速器均未出 

　　現(xiàn)任何故障，運(yùn)行人員操作簡(jiǎn)單，維護(hù)工作量很少。 

　　以貴州省漾頭水電站第一臺(tái)調(diào)速器為例，該電站裝機(jī)容量為2 X 8000KW，水輪機(jī)為軸流轉(zhuǎn)槳式，設(shè)計(jì)水頭為18M。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果如下： 

　　 （1） 轉(zhuǎn)速死區(qū) ： 0.015 % 。 

　?。?） 自動(dòng)空載頻率擺動(dòng)值：±0.06% 。PID調(diào)節(jié)參數(shù)為空載擾動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)選出的運(yùn)行參數(shù)，即:bt=45%，Td=20s，Tn=0.5s， 

　　 （3） 甩25%額定負(fù)荷，接力器不動(dòng)時(shí)間為0.18s。 

　?。?） 甩100%額定負(fù)荷，轉(zhuǎn)速最大上升為額定轉(zhuǎn)速的133.6%，超過3%額定轉(zhuǎn)速的波峰次數(shù)為1次，從接力器第一次向開啟方向移動(dòng)起，到機(jī)組轉(zhuǎn)速擺動(dòng)值不超過±0.5%為止所經(jīng)歷的時(shí)間為27 S。 

　　6．結(jié)語 

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)字閥PCC可編程智能調(diào)速器的各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)“水輪機(jī)調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件GB9652.1-1997”。不僅解決了傳統(tǒng)調(diào)速器的缺陷，而且可滿足現(xiàn)代水輪機(jī)調(diào)速器發(fā)展的要求，為實(shí)現(xiàn)水電站無人值班奠定了基礎(chǔ)。本項(xiàng)目產(chǎn)品己通過“國家中小型水電設(shè)備檢測(cè)中心”的技術(shù)檢測(cè)。并在多個(gè)水電站成功應(yīng)用，得到用戶的一致好評(píng)。W國家科技部于2004年將“數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器”確定為創(chuàng)新基金支持項(xiàng)目，天津市科音自控設(shè)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(xiàng)技術(shù)的盡快推廣增添了動(dòng)力。