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(shuō)，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(wèn)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(kāi)發(fā)環(huán)境集成化：PCC的軟件組態(tài)開(kāi)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(huà)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(kāi)發(fā)效率。

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(kāi)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(kāi)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(jiàn)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

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(kāi)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(guò)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(kāi)度。（見(jiàn)圖2.2-1電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖）
 

圖2.2-1 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1系統(tǒng)所用的主要PCC模塊

該系統(tǒng)的PCC硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：安裝導(dǎo)軌、模塊底板、CPU模塊、各種I/O模塊、通訊模塊、液晶顯示觸摸屏HMI、其它附件等。

1）CPU模塊CP474

CPU安裝在底板的最左端，模塊上有RS232和CAN接口各一個(gè)，并有狀態(tài)指示燈，同時(shí)還有4個(gè)旋入式模塊的插槽，需要擴(kuò)展時(shí)將旋入式模塊插入到插槽中并用緊固螺絲固定。旋入式模塊可以是模擬量或數(shù)字量模塊，也可以是通訊擴(kuò)展模塊。

2）高速計(jì)數(shù)器模塊DI135

數(shù)字量輸入模塊DI135是適用于2003系列PCC和PP41的旋入式模塊。它可完成以下任務(wù)操作:TPU功能、高速數(shù)字量信號(hào)的計(jì)數(shù)、門(mén)測(cè)量、頻率測(cè)量、事件計(jì)數(shù)、增量式編碼器操作、µs級(jí)輸入響應(yīng)、帶直接輸出控制的本地計(jì)數(shù)器狀態(tài)監(jiān)控。

3）I/O組合混合模塊CM211

通用的輸入/輸出模塊，它具有：8路數(shù)字量輸入、8路數(shù)字量輸出、2路模擬量輸入、2路模塊量輸出、特殊功能。

4）高速數(shù)字量輸出模塊DO135

DO135是4個(gè)通道輸出模塊，每個(gè)輸出的操作類(lèi)型可單獨(dú)設(shè)定，以下為可能的操作類(lèi)型： 輸出通道的開(kāi)/閉切換、脈沖寬度調(diào)制(PWM)、TPU操作。

2.2.2 電源系統(tǒng)

系統(tǒng)采用兩套大功率的工業(yè)級(jí)開(kāi)關(guān)電源，將廠用220V AC與220V DC供電電源變換成直流24V DC電源后作為水輪機(jī)調(diào)節(jié)器供電電源。大大提高了供電系統(tǒng)的可靠性。正常工作時(shí)一套電源做主用，另一套電源做熱備用。任一路開(kāi)關(guān)電源出故障，將自動(dòng)瞬時(shí)無(wú)擾切換至正常的另一路，且不影響調(diào)速器正常工作。電壓波動(dòng)范圍：220V AC±20%（50Hz單相）或220V DC（180-260V）。

2.2.3頻率整形模塊（PT信號(hào)）

兩路機(jī)組電壓互感器（PT）信號(hào)和一路電網(wǎng)PT信號(hào)直接輸入電氣柜內(nèi)的頻率整形模塊，經(jīng)信號(hào)隔離變壓器送入整形電路，經(jīng)濾波整形后處理成幅值24V，頻率與機(jī)組實(shí)際頻率相關(guān)的方波信號(hào)，送入PCC的高速脈沖輸入模塊DI135。PT信號(hào)幅值范圍0.3V--180V，線性頻率范圍為10--100Hz。測(cè)頻模塊采用高質(zhì)量、低功耗的大規(guī)模集成電路構(gòu)成，并采用通道冗余結(jié)構(gòu)確保了測(cè)頻模塊的高可靠性。

2.2.4 人機(jī)界面（HMI）

人機(jī)界面（Human Machine Interface）采用工業(yè)彩色液晶顯示觸摸屏。工業(yè)觸摸屏配以彩色液晶顯示器，采用RS232與PCC主控制器交換信息，信息量大，操作方便。通過(guò)HMI，用戶可以在線顯示、修改各種參數(shù)及顯示故障信息。

2.2.5 步進(jìn)電機(jī)絲杠位移傳感器

采用直線式電位器，工作行程±7.5mm。

2.2.6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用優(yōu)異的設(shè)計(jì)和混合電路工藝，結(jié)構(gòu)緊湊，噪音低； 采用變速驅(qū)動(dòng)方式，控制精確無(wú)振作，運(yùn)行穩(wěn)定。

2.2.7 繼電器操作回路

為了指示手動(dòng)/自動(dòng)、緊急停機(jī)/復(fù)歸等信號(hào)，完成手動(dòng)/自動(dòng)、緊急停機(jī)/復(fù)歸等操作，及向電站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)接點(diǎn)信號(hào)，設(shè)置了DC24V繼電器操作回路。

按照功能和優(yōu)先級(jí)的不同，PCC調(diào)速器的軟件被劃分為測(cè)頻程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、運(yùn)算程序、主控程序、報(bào)警程序、通訊功能程序以及人機(jī)界面程序等程序模塊。各程序塊既相互獨(dú)立又互相關(guān)聯(lián)，在分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)平臺(tái)上由主控程序統(tǒng)一調(diào)度來(lái)完成調(diào)節(jié)器的各項(xiàng)操作、控制、顯示和報(bào)警功能。這種程序結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了PCC分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)并且使得調(diào)速器程序得到了優(yōu)化。該系統(tǒng)的主控制程序流程如圖4-1所示。
 

圖3-1主控制程序流程圖

PCC內(nèi)部擁有高達(dá)6M Hz的計(jì)數(shù)基準(zhǔn)頻率，因此它具有比普通PLC更高的測(cè)頻精度。經(jīng)信號(hào)處理模塊整形后的機(jī)頻、網(wǎng)頻信號(hào)分別引入PCC的TPU通道1和2，利用時(shí)間測(cè)量功能塊LTXcpiC和LTXcpiD分別測(cè)量機(jī)頻和網(wǎng)頻脈沖信號(hào)的相鄰兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間，然后根據(jù)該功能塊注釋中提供的計(jì)算公式可計(jì)算出實(shí)測(cè)頻率^[4],即:

     f = f_e / DifCnt

f_e 為PCC內(nèi)部晶振頻率（數(shù)值為6291667），DifCnt 為相鄰兩上升沿之間的計(jì)數(shù)值。

此外，為提高測(cè)頻回路的抗干擾能力，我們?cè)谠摮绦蚰�塊里添加了具有濾波功能的程序段。該程序通過(guò)比較相鄰兩個(gè)波形的頻差是否超出正常頻差范圍（差值可由用戶設(shè)定）來(lái)判斷并過(guò)濾干擾信號(hào)。頻率測(cè)量及濾波(以機(jī)頻為例)的部分程序段如下所示：

。。。。。。

Speed1 FUB LTXcpi1()

;alias call TPU FBK

Hz_real1=4000000.0/Speed0.DifCnt*Speed0.PCnt             ;Calculate Hz

delta1 = Hz_real1 - 50.0  

 ;Calculate the delta value 

PT1=Speed0.PRest

。。。。。。

如程序所示，我們將實(shí)測(cè)的機(jī)頻定義為臨時(shí)機(jī)頻（tempFj）而真正參與運(yùn)算的機(jī)頻被定義為實(shí)際機(jī)頻（ActFj），二者的差值與頻差上限（FilterFj_Diff）相比較之后，如在頻差范圍以內(nèi)說(shuō)明后面的波形是實(shí)際的機(jī)頻信號(hào)，反之則說(shuō)明遇到了干擾信號(hào)，這個(gè)波形應(yīng)被過(guò)濾。

步進(jìn)電機(jī)是高精度數(shù)字元件，它可以迅速且精確定位，用它來(lái)控制調(diào)速器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)非常好的選擇。此外步進(jìn)電機(jī)可與絲杠位移傳感器構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，這樣可以對(duì)因頻繁工作而丟步的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行零位校正。

毫無(wú)疑問(wèn)，數(shù)值運(yùn)算是PCC調(diào)速器軟件的核心部分。一個(gè)好的算法不但能夠提高運(yùn)算的速度和精度而且還能節(jié)省CPU資源。PCC操作系統(tǒng)在提供靈活多樣的編程語(yǔ)言的同時(shí)也提供了強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算功能。簡(jiǎn)單的邏輯處理仍然可以采用梯形圖的方式，但高級(jí)語(yǔ)言的應(yīng)用則改變了以往PLC編寫(xiě)運(yùn)算程序相對(duì)比較困難的局面，以前需要許多句梯形圖語(yǔ)句才能完成的復(fù)雜計(jì)算過(guò)程如今只需定義變量后輸入公式即可。此外，一般普通的PLC只能進(jìn)行整型變量運(yùn)算，而PCC則可以進(jìn)行浮點(diǎn)型變量運(yùn)算，這使得運(yùn)算精度得到大大提高。

以下是一段計(jì)算程序例子：

。。。。。。

Fe=(Fc-F_x)/50.0

d_Yp=Kp*(Fe-Fe_1x)    

d_Yi=Ki*Ts*(Fe-bp*(Y_pid-Pc_1x))

d_Yd=(Kd*(Fe-2*Fe_1x+Fe_2x))/(T0+Ts)+((T0*d_Ydtem)/(T0+Ts))

Y_pid=(Y_tem+d_Yp+d_Yi)+d_Yd+Pc_1x-Pc_2x

。。。。。。

成都拜爾電力設(shè)備有限公司開(kāi)發(fā)的基于可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC技術(shù)的新型水輪機(jī)調(diào)速器采用奧地利貝加萊（B&R）公司的2003系列模塊作為控制核心部件，具有可靠性高、響應(yīng)速度快、運(yùn)算功能強(qiáng)大、人機(jī)界面友好和調(diào)節(jié)品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)，其各項(xiàng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)全部滿足并且部分優(yōu)于國(guó)標(biāo)GB /T9652-1997中的相關(guān)技術(shù)要求，經(jīng)過(guò)實(shí)際長(zhǎng)期應(yīng)用，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，是行業(yè)技術(shù)的發(fā)展方向。