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(lái)講述和探討怎樣通過PCC技術(shù)來(lái)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(shì)。
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(cè)量、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

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(lái)可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）技術(shù)進(jìn)入中國(guó)控制領(lǐng)域，已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于我國(guó)的許多工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，隨著國(guó)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(lái)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(shì)，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(shì)：

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(lái)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(cè)頻、相位測(cè)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(cè)頻單元仍采用單片機(jī)或數(shù)字電路來(lái)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(cè)頻，則無(wú)需另設(shè)測(cè)頻硬件，因此測(cè)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(cè)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(wú)法企及的功能。

4) 編程語(yǔ)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(yǔ)言，而且支持高級(jí)語(yǔ)言如：Automation Basic語(yǔ)言和標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編程。并且可以在同一個(gè)項(xiàng)目中同時(shí)采用多種語(yǔ)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(jiǎn)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(wú)故障時(shí)間MTBF達(dá)到50萬(wàn)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(chǎng)上最好的PLC硬件平均無(wú)故障時(shí)間MTBF達(dá)到30萬(wàn)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(jiǎn)單，性能優(yōu)越，可靠性高，維護(hù)量小等一系列優(yōu)勢(shì)。它是在總結(jié)了目前國(guó)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