数字阀PCC 智能调速器的研发.doc

数字阀PCC智能调速器的研发米建国 刘忠良 钱军辉 陈宏宇 张伟朋 丛 燕 (天津市科音自控设备有限公司 ) 摘要 ： 本文介绍了一种全新的水轮机调速器，即国家科技部创新基金项目-数字阀PCC可编程智能调速器。电气部分以PCC可编程计算机控制器为核心，软件采用高级语言；电气液压转换部件采用电磁球阀，机械放大元件采用二通插装阀，采用无杠杆，无明管路结构。实际应用结果表明，该型调速器调试简单，维护方便，具有先进的技术性能和高可靠性。关键词： 智能调速器 PCC 数字阀 电磁球阀 插装阀1概述2001年5月，天津市科音自控设备有限公司开发的步进式PCC可编程智能调速器已成功应用于龙羊峡水电站，对小水电的两台YWT-600型微机调速器进行了改造。在此基础上研制了数字阀PCC可编程智能调速器，并在多个水电站成功投运。国家科技部于2004年将“数字阀PCC智能调速器”确定为创新基金支持项目。数字阀PCC智能调速器被世界经理人周刊评为2005年中国 500 最佳新产品之一。数字阀PCC可编程智能调速器以全新控制理念，以PCC为控制核心，面向自动化控制全过程，成功配置由电磁球阀和插装阀构成的数字阀替代传统的电液转换器和主配压阀。数字阀PCC智能调速器包括单调整型和双调整型，本文介绍双调整型调速器的主要特点、功能及构成。2数字阀PCC智能调速器的主要特点及功能数字阀PCC可编程智能调速器具有自动、电手动、手动三种操作方式，且可无条件无扰动切换。该调速器的实用性智能性很强，具有如下主要特点及功能。（1）全新的控制理念。采用不同于常规PLC的新一代可编程计算机控制器-PCC，面向控制过程，采用高级语言，分析运算能力强，在同一CPU中能同时运行不同程序。程序运行时仅扫描部分程序，效率很高。（2）全PCC化，具有极高的可靠性。从输入到输出,从测频到控制脉冲等各环节均实现了PCC化。PCC的平均无故障时间MTBF高达50万小时，即57年。（3）智能型调速器。采用自适应式变结构，变参数并联PID调节，自动识别电网的性质，并自动适应电站的各种特殊运行方式，如孤网运行，或由大电网解列为小电网运行的突变负荷等特殊情况，均可保证机组稳定运行。人性化设计，具有很强的自诊断、防错、纠错及容错功能。当出现故障时，自动弹出故障诊断画面，并自动显示故障原因及处理办法。（4）多任务的优点。在传统PLC中，并行处理是靠程序扫描来完成的。但事实上多任务才是并行处理的逻辑表达式，更简单直接的方法就是采用多任务技术。PCC恰恰可以满足这种需求，当某一任务在等待时，其他任务仍可继续执行。PCC将整个调节控制分成若干个具有不同优先权的任务等级（Task Class）。优先权越高的任务等级，其扫描周期越短，优先权越低，其扫描周期越长。把适时性要求高的程序放在高速任务层，把一般的逻辑判断处理程序放在普通任务层，这样可以提高调节系统的性能指标。 （5）PCC的大内存，为智能型调速器提供了资源保证。用户内存：1.5 MB FLASH PROM。（6）采用PCC高速计数模块(HSC)测频。PCC高达6.3MHz的计数频率，具有很高的测频精度和可靠性，从而使调速器的输入通道测频环节的可靠性有了根本的保证。（7）友好的人机界面。采用触摸屏做为人机界面，画面美观逼真，全中文显示，操作方便，可以同时显示很多信息。具有多级密码保护功能。持有密码级别的高低，决定了对系统行使权利的大小。运行人员只能观察到常规显示画面并进行常规操作，检修人员或管理人员可对调节参数等进行修改。（8）采用数字协联方式，且可现场修改协联曲线并记忆修改后的数据，以便根据电站的实际条件按最优曲线运行，桨叶随动系统准确度高。（8）采用数字阀作为电液转换元件。彻底解决了常规调速器电液转换元件油污发卡的问题，使电站可以实现完全可靠的自动运行。（10）无杠杆结构。该系列调速器采用了数字阀液压随动系统，自动时有电气返馈，手动无需反馈，因此取消了杠杆，消除了因为杠杆造成的死区，提高了调速系统的精度，而且无管路，结构简单，美观。（11）具备折线关机功能，并由标准的插装阀完成，结构简单，动作可靠。(12) 零扰动手/自动切换。由于自动运行时，电磁球阀每次动作后都处于失电状态；而切断电源即为手动运行。手动运行时，电子调节器跟踪接力器的实际开度。因此数字阀调速器实现了零扰动手/自动切换(13）开停机智能控制。（14）具有频率调节、开度调节、功率调节三种模式，并可实现调节模式间的无扰动切换。功率调节模式下，可接受上位机控制指令，实现发电自动控制功能(AGC)。（15）具有很强的自诊断、防错、纠错及容错功能，并可将有关故障信息显示在屏幕上，或发出报警信号。具有下述在线诊断和容错功能：模拟/数字转换器和输入通道故障；反馈通道故障；液压控制系统故障；程序出错和时钟故障；事故关机回路故障；操作出错；测频回路故障；其他故障。（16）维护简单调试方便。由于PCC的高度集成化和高可靠性，对于运行维护人员没有太高的特殊要求，调试只需设定有关数字，没有太多的电位器等可调元件。（17）辅助试验功能。通过触摸屏可以很方便地进行静态特性、空载扰动及空载摆动等试验。（18）联网方便。具有RS232或RS485通讯接口，可以方便地实现与上位机通讯，提高电站的自动化水平。3关键部件的选择3.1 控制器的选择选择控制器的重要原则是，要选用适合工业现场使用的抗干扰能力强、可靠性高、选择余地大、操作维护方便的控制器。市场上的控制器很多，如单片机、PLC、PCC等，但由于调速器是工业现场的设备，对可靠性要求很高。控制器是调速器的核心部件，控制器完成调速器的信号采集、数据运算、控制规律实现、运行状态切换、控制值输出及其他附加功能。因此，控制器的选择对新型调速器的开发至关重要。目前国内广为采用的水轮机调速器，多为以PLC为核心。天津市科音自控设备有限公司经过对各种控制器的深入研究，分析对比，结合水轮机调速器的特殊性，发现奥地利贝加莱(B&R)公司的PCC是能够满足上述原则的最合适的控制器，故选择PCC作为数字阀PCC智能调速器的控制核心。PCC代表着一个全新的控制理念，它既具有可编程逻辑控制器(PLC)的标准控制功能（可靠性高、易扩展），又具有工业计算机（IPC）的系统功能（运算能力强、适时性好、编程方便等特点）。它能方便地处理开关量，模拟量，进行回路调节。并能用高级语言编程，具备大型机的分析运算能力。其硬件具有独特新颖的插拔式模块结构，可使系统得到灵活多样的扩展和组合。软件也具备模块结构，系统扩展时只需在原有基础上叠加运用软件模块。PCC的CPU为32位，运行效率高，具有高速的智能处理器TPU，TPU功能可使系统响应时间达到微秒级，而CPU不需作任何加载。用户存储器容量大。具有良好的电磁兼容能力和现场总线全面支持技术，体现了工控领域的发展方向。3.2 电液转换元件的选择电液转换元件选择电磁球阀为先导阀，代替传统的电液转换器、比例阀或步进电机式机电转换元件，以标准液压元件二通插装阀为放大元件代替传统的主配压阀。彻底解决了常规调速器电液转换元件油污发卡的问题，使电站可以实现完全可靠的自动运行。采用了速动阀与微调阀并联的液压系统。由于速动阀与微调阀可分别控制接力器的速度，使其均可调，因此，数字阀调速器可很好的适应不同容积的接力器，避免了大型机组接力器容积与调速器主油管通径不匹配时造成的过调和欠调，实现了精确调节。小波动时只有微调阀调节，大波动时速动阀同时参与调节，大大提高了动态性能。4数字阀PCC智能调速器的构成数字阀PCC智能调速器的结构框图如图1所示。根据用户的要求既可采用机电合柜型也可采用机电分柜型。结构布置简洁合理，人性化设计，便于检修，便于操作。调速器上的触摸屏、仪表、按钮等，安装在柜子仪表盘上，便于观测且对称地排列，所有的仪表及控制装置，外观相互协调。机组频率电网频率信号调理功率变送器开关量输出B&R2003触模屏上位机PCC功率驱动电磁球阀插装阀导叶接力器位移传感器功率驱动插装阀桨叶接力器位移传感器图1 数字阀PCC智能调速器结构框图水位信号开关量输入电 源电磁球阀4.1 调速器的构成调速器由调节器和电液随动系统构成。调节器主要由电源、可编程计算机控制器（PCC）、人机界面（触模屏）等组成。PCC包括：CPU模块、高速DI模块、脉冲输出模块、A/D转换模块、开关量输入/输出模块、通讯模块及机架等。电液随动系统主要是执行机构，它将直接影响调速器的性能和可靠性。数字阀调速器以标准件电磁球阀为先导阀，代替传统的电液转换器、比例阀或步进电机的电液转换元件，以标准液压元件二通插装阀为放大元件代替传统的主配压阀。其工作特点是以电磁球阀的通、断控制插装阀，插装阀的通、断来控制接力器。电磁球阀的工作状态只有通、断两个状态，也即相当于数字电路的高电平、低电平两个状态（即1、0），故将其称为数字阀，由此构成的调速器称为数字阀调速器。4.2 人机界面人机界面采用大屏幕进口触模屏，承担显示、监控、报警等功能。人机界面非常友好，画面美观逼真，全中文显示，操作方便，可以同时显示很多信息。触摸屏上设有显示、操作、参数设置、模式、报警、帮助等画面。具有多级密码保护功能。持有密码级别的高低，决定了对系统行使权利的大小。运行人员只能观察到常规显示画面并进行常规操作，检修人员或管理人员可对调节参数等进行修改。4.3 测频环节测频环节的优劣将直接影响调速器的性能和可靠性。该系列调速器采用PCC具有TPU功能的高速数字量输入模块DI135测频，测频过程简单，测频精度高，适时性强，可靠性高。频率测量信号经隔离、滤波、整形后输入PCC 测频模块。滤波整形频率信号图2 测频流程图PCC隔离以机频测量为例，测频程序如下：Speed1 FUB LTXcpi8( )(1)Fj=f/Speed1.DifCnt*Speed1.PCnt(2)式（1）表示调用测频功能块 LTXcpi8( )，Speed1 是别名，FUB是别名调用命令语句。式（2）中：Fj表示机组频率。f表示PCC频率测量的内部时钟，高达6.3MHz的计数频率，具有很高的测频精度和可靠性，从而使调速器的输入通道测频环节有了根本的保证。其测频精度远高于常规PLC的测频精度。Speed1.DifCnt 表示计数器累加到的脉冲个数。Speed1.PCnt 表示测频的周期数，采用多个周期测量然后求取平均值，通过程序初始化中设置Speed1.PCnt=1，这样可以保证测频的适时性。传统的微机调速器测频为了避免正弦波正负半周的不对称性，需要分频后才能保证测频精度。而PCC中的频率测量，TPU读取的是方波信号两相临上升沿之间的计数值，不需要分频，因此简化了电路，提高了测频的可靠性，且测频的适时性提高了一倍。4.4 数字阀的控制数字阀的控制采用PCC具有TPU功能的高速数字量输出模块DO135，根据电气开度和实际开度的差值DY输出脉宽调制（PWM）信号，经功率放大后驱动电磁球阀。电磁球阀控制流程如图2所示。以导叶数字阀的控制为例，程序如下： DO4pwm FUB LTXdpwm4( )(3) DO5pwm FUB LTXdpwm5( )(4)式(3)和式(4)分别表示调用脉冲输出功能块 LTXdpwm4( )和 LTXdpwm5( )，DO4pwm 和 DO5pwm是别名，FUB是别名调用命令语句。PWM脉冲输出功率驱动电磁球阀DY图3 数字阀控制流程图插装阀4.5 电液随动系统采用了速动阀与微调阀并联的液压系统。插装阀的密封形式为锥阀，因此插装阀又具有液压锁的功能，插装阀在31.5MPa油压下零泄漏。电磁球阀失电后接力器零漂移，具有故障锁定的功能。所以该系列调速器具有充分理由去掉了机械反馈。由于该系统的先导电磁球阀又具有手动阀及事故阀的功能，减化了调速器内部结构，因此该系列调速器实现了真正意义上的无杠杆，无管路；机械部分结构上采用集成块的形式，可应用于31.5MPa的高油压系统；电磁球阀及插装阀对液压油的洁净度要求很低，抗卡阻能力极强；零部件互换性好，更换零部件时，无需调整；整体结构简单，运行维护方便，可靠性高。5数字阀PCC智能调速器的应用目前，已有多台数字阀PCC智能调速器在水电站成功投运。所有投运的调速器均未出现任何故障，运行人员操作简单，维护工作量很少。以下数据是ZFST-100型数字阀PCC智能调速器在贵州省铜仁市漾头水电站的现场试验结果，该电站装机容量为28000 kW。(1) 静态特性试验 表1. 静态特性试验记录表Fj（Hz）50.049.749.449.148.848.548.247.947.647.347.0Y(mm)039.381.5120158.9200.5239.6278.6319.5358.8400Y(mm)039.581.5120.7159.8201240.6278.9320.4359.2Y(mm)00.210.70.90.510.30.90.4 转速死区 ： 0.015 %，优于国家标准转速死区不超过0.04%的要求。(2) 空载扰动试验调速器自动运行，选择多组PID调节参数，选取频率摆动值和超调量较小，稳定快、调节次数少的一组调节参数，作为空载运行参数,即:bt=45，Td=20，Tn=0.5 上扰：48.00Hz 至 52.00Hz， 下扰： 52.00Hz 至 48.00Hz表2. 空载扰动试验记录表PID调节参数上扰/下扰最高(低)值（Hz）调节次数（次）调节时间（s）bt=45Td=20Tn=0.5上扰52.0318下扰47.4617(3) 空载频率摆动值a. 手动空载摆动值将调速器切至手动位置，操作电磁阀使机组处于额定转速下运行，稳定一段时间后观察机组频率摆动值，每次三分钟，共三次，取平均摆动值。表3. 手动空载摆动试验记录表最大值最小值Fj（Hz）50114996Fj（Hz）50144997Fj（Hz）50024985手动空载摆动值：0.17%，优于国家标准手动空载摆动值不超过0.2%的要求。b. 自动空载频率摆动值将调速器切至自动位置，PID调节参数为上步试验优选出的空载运行参数，机组开至额定转速。机组运行稳定后观察机组频率摆动值，每次三分钟，共三次，取平均摆动值。表4. 自动空载摆动试验记录表最大值最小值Fj（Hz）50.0349.98Fj（Hz）50.0249.96Fj（Hz）50