摘要：本文以成都拜爾電力設(shè)備有限公司自行開發(fā)研制的基于貝加萊PCC為控制核心的水輪機(jī)調(diào)速器為例，從水輪機(jī)調(diào)速器的原理、硬件配置和軟件結(jié)構(gòu)來講述和探討怎樣通過PCC技術(shù)來實(shí)現(xiàn)調(diào)速器的各種功能以及它與傳統(tǒng)調(diào)速器相比較的區(qū)別和優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：可編程計(jì)算機(jī)控制器、水輪機(jī)調(diào)速器、頻率測量、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)
Abstract: The article takes the new generation of hydraulic turbine governo which based on PCC(programmable computer controller) and developed by ChengDu BaiEr electric power device limited corporation as example , with discribing the principle、hardware configuration and software structure of the hydraulic turbine governo ,discussed how to carry out its functions with PCC, discussed its differences and advantages comparing to the traditional hydraulic turbine governo.
Key Words: programmable computer controller；hydraulic turbine governo；frequency measure；Stepping moter driver

1可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）的技術(shù)特點(diǎn)[2]
      自上世紀(jì)90年代以來可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）技術(shù)進(jìn)入中國控制領(lǐng)域，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于我國的許多工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，隨著國內(nèi)一些重要的水電行業(yè)的輔機(jī)企業(yè)在調(diào)速器和勵(lì)磁上的廣泛應(yīng)用，其性能也得到越來越多的廠家的青睞和用戶的認(rèn)可。PCC技術(shù)已經(jīng)逐漸掀起了一股技術(shù)革新的潮流。
      PCC（Programmble Computer Controller）即可編程計(jì)算機(jī)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(tǒng)可編程邏輯控制器PLC和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)IPC的優(yōu)勢，既有PLC的高可靠性、易擴(kuò)展性，又有IPC的強(qiáng)運(yùn)算能力和強(qiáng)實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，所以也是目前PLC技術(shù)發(fā)展的新方向。行業(yè)內(nèi)選用PCC做硬件控制核心也正逐漸成為工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的新潮流。
與傳統(tǒng)的PLC相比較，PCC具有以下顯著優(yōu)勢：
1)   定性的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)：PCC借用了大型計(jì)算機(jī)的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)理念，應(yīng)用程序可以按照工藝功能的不同和優(yōu)先級(jí)的不同設(shè)成不同的任務(wù)和不同的任務(wù)級(jí)別，并可根據(jù)要求自行設(shè)定任務(wù)的循環(huán)時(shí)間。優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)，可將其掃描周期設(shè)定相對(duì)更短。這樣使軟件的結(jié)構(gòu)更加合理、科學(xué)，同時(shí)保證系統(tǒng)具有更高更確定的實(shí)時(shí)性能。
2)   系統(tǒng)響應(yīng)速度快：系統(tǒng)的響應(yīng)速度不僅由CPU來決定，還與I/O數(shù)據(jù)的傳輸速度有關(guān)。PCC的主CPU本身速度極快，同時(shí)還借用大型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)，采用I/O-Processor單獨(dú)處理I/O數(shù)據(jù)傳輸；采用DPR-Controller雙向口控制器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的管理。也就是說，一個(gè)PCC模塊上有三個(gè)處理器，既相互獨(dú)立，又相互關(guān)聯(lián)，最大限度地提高了整個(gè)系統(tǒng)的速度。
3)   系統(tǒng)測頻、相位測量響應(yīng)速度快：傳統(tǒng)的PLC步進(jìn)式微機(jī)調(diào)速器其測頻單元仍采用單片機(jī)或數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)，其響應(yīng)頻率低，產(chǎn)品一致性和可靠性差；而直接采用PCC測頻，則無需另設(shè)測頻硬件，因此測頻的可靠性非常高。因?yàn)镻CC的主CPU內(nèi)還含有一個(gè)獨(dú)立的時(shí)間處理器TPU(Time processing unit ), 可計(jì)算處理高達(dá)4MHz至6MHz的脈沖信號(hào)。因而能巧妙地解決調(diào)速器的頻率和相位測量問題，實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)。這也是基于傳統(tǒng)PLC的調(diào)速器方案先天受限而無法企及的功能。
4)   編程語言高級(jí)化：PCC不僅完全支持常規(guī)的梯形圖、指令表、順序功能圖等IEC61131-1規(guī)定的多種語言，而且支持高級(jí)語言如：Automation Basic語言和標(biāo)準(zhǔn)C語言編程。并且可以在同一個(gè)項(xiàng)目中同時(shí)采用多種語言混合編程。這對(duì)于解決復(fù)雜的控制算法和工藝任務(wù)的編程尤顯方便，由于其更好的可讀性，也非常易于用戶對(duì)控制程序進(jìn)行合理的增減。
5)   可移植性強(qiáng)：在不同系列、不同型號(hào)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(hào)上。這是因?yàn)樨惣尤R所有的PCC硬件平臺(tái)都基于相同的操作系統(tǒng)內(nèi)核，而且采用標(biāo)簽變量關(guān)聯(lián)的編程方式，所以用戶在編程時(shí)候不需要關(guān)心實(shí)際的硬件IO映射關(guān)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(gè)標(biāo)簽名映射在實(shí)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(shí)間MTBF達(dá)到50萬小時(shí)（相當(dāng)于57年）以上，屬于免維護(hù)產(chǎn)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(shí)間MTBF達(dá)到30萬小時(shí)）。
7)   軟件開發(fā)環(huán)境集成化：PCC的軟件組態(tài)開發(fā)環(huán)境采用AUTOMATION STUDIO工具，秉承一個(gè)軟件工具，全部解決整個(gè)自動(dòng)化項(xiàng)目的集成自動(dòng)化思想，在這一個(gè)軟件中同時(shí)集成了觸摸屏畫面組態(tài)、PLC編程調(diào)試、伺服驅(qū)動(dòng)器的編程控制、離線在線仿真調(diào)試等豐富的功能。從而可以大大提高項(xiàng)目的開發(fā)效率。

 
2 PCC調(diào)速器的原理及結(jié)構(gòu)[3]
2.1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本原理
PCC步進(jìn)式水輪機(jī)調(diào)速器是一種以可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC及步進(jìn)電機(jī)為控制核心，與步進(jìn)式液壓隨動(dòng)系統(tǒng)配套組成的水輪機(jī)調(diào)速器。該調(diào)速器裝置具有硬件新穎，結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)越，可靠性高，維護(hù)量小等一系列優(yōu)勢。它是在總結(jié)了目前國內(nèi)外調(diào)速器的最新技術(shù)與現(xiàn)代液壓控制技術(shù)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)開發(fā)的新型換代產(chǎn)品。其主要作用是：
1）將機(jī)組轉(zhuǎn)速及負(fù)荷給定等控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成液壓信號(hào)，以控制水輪機(jī)的導(dǎo)葉接力器，導(dǎo)葉接力器與水輪機(jī)的控制環(huán)相連，從而操作導(dǎo)水葉。使水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速保持在額定轉(zhuǎn)速允許偏差內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，以滿足電網(wǎng)對(duì)頻率質(zhì)量的要求。
2）實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的單機(jī)調(diào)節(jié)和控制，以適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的增減。
3）實(shí)現(xiàn)機(jī)組按規(guī)定的操作程序進(jìn)行正常的自動(dòng)或手動(dòng)開機(jī)、空載、負(fù)載和自動(dòng)停機(jī)。并能接受不同的故障信號(hào)，進(jìn)行必要的機(jī)組保護(hù)操作直至緊急停機(jī)，以保證機(jī)組的安全運(yùn)行
4）當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組在電力系統(tǒng)中并列運(yùn)行時(shí)，調(diào)速器能自動(dòng)承擔(dān)預(yù)定的負(fù)荷分配，使各機(jī)組能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。（見圖2.1-1調(diào)速器原理框圖[1]）

圖2.1-1 調(diào)速器原理框圖

2.2 PCC調(diào)速器的硬件配置
該水輪機(jī)調(diào)節(jié)器采用奧地利貝加萊公司的B&R 2003系列可編程計(jì)算機(jī)控制器CP474為硬件核心，配以電源系統(tǒng)、信號(hào)處理模塊、人機(jī)界面、接力器位移傳感器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、繼電器操作回路，組成了性能優(yōu)越、可靠性高、操作方便的水輪機(jī)調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)。PCC控制器的主要模塊包括：CPU模塊、高速脈沖量輸入/輸出模塊、混合模塊（開關(guān)量、模擬量輸出/輸入）等。所有元件裝在一塊垂直安裝板上，安裝、調(diào)試、檢修都非常方便。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.2-1所示。
該水輪機(jī)調(diào)速器主要構(gòu)成自動(dòng)-電手動(dòng)雙通道，可實(shí)現(xiàn)調(diào)速器的全部自動(dòng)控制功能，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)故障或PCC控制器故障時(shí)，可自動(dòng)切換至純機(jī)械手動(dòng)控制，除自動(dòng)控制外，還可通過電手動(dòng)控制單元可以對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)行控制；自動(dòng)-手動(dòng)切換時(shí)均能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤導(dǎo)葉開度。（見圖2.2-1電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖）