PCC调速器说明书正文.docx
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PCC调速器说明书正文
PCC调速器说明书（正文）
第一章概述
可编程计算机系列水轮机调速器是我所2001年研发的一代新型水轮机调速器，它充分考虑了PLC和IPC两种机型的优点，充分发挥了可编程计算机控制器（PCC）的技术特点，是总结了长控所双微机调速器和全可编程调速器的经验成果而研制的一类新型调速器。
PCC系列调速器适用于大、中、小型混流、转桨、贯流、冲击式等机组。
是长控所大、中型调速器的推荐方案之一。
功能和特点
本调速器具有如下功能
1频率测量与调节：
可测量机组和电网的频率，并实现机组频率的调节和控制。
2频率跟踪：
当跟踪功能投入时，机组频率自动跟踪电网频率，可实现快速自动同期并网。
3自动调整与分配负荷:
机组并入电网，调速器将根据其整定的bp值和电网频差，自动调整机组的出力。
4负荷调整：
可接受上位机控制指令，实现发电自动控制功能（）。
5开停机操作：
接受中控室或上位机指令，实现开停机操作。
6手动操作：
具有电手动和机械手动操作功能，并可无条件、无扰动实现自动运行与手动操作的相互切换。
7能采集并显示调速系统的主要参数，如：
机组频率、电网频率、导叶开度、调节器输出和调节器的整定参数等。
8有完善的通讯功能，为电站监控系统设置了标准、可靠的接口，能方便地实现与上位机的通讯。
9具有频率计的相关试验功能。
10辅助实验功能：
通过操作面板上的功能键和显示屏，可以很方便地完成空载摆动和静态特性测试实验。
本调速器的主要特点
1可靠性问题
PCC调速器的电气部分由PCC控制器、操作显示面板、各功能模块等构成，平均无故障时间可达50万小时即57年，因此具有比PLC调速器更高的可靠性。
2测频问题
a测频通道多
PCC调速器有四路测频通道，可以用于①机组PT测频、②机组齿盘测频（两路）、③电网频率测量，因此测频容错能力强。
b测频精度高
由于一般的微机测频都采用1M计数时钟，而B&R2003系列CPU的内部计数时钟10M左右。
因此，PCC测频精度远比一般的微机测频精度高。
c测频实时性强
微机测频，由于PT的正弦波信号上半波与下半波的不对称性，为了保证测频的准确性，必须采用二分频，测量一个周期的脉宽时间，而PCC测频，是测量上升沿至上升沿的时间，无须进行分频，因此PCC测频的实时性比一般微机测频的实时性提高了一倍。
d测频可靠性高
在测频通道的选择上有三种选择方式：
1、发电机残压；2、永磁性；3、齿盘。
可根据用户的要求任意选择。
既可单通道使用，又可四个通道或任意两个通道结合起来使用。
当结合起来使用时，各通道之间可做到互为检错、纠错，互为备用，当出现测量值有较大出入时，异常的测量值将被判断为错误值而自动丢弃，校正有效机频值，同时测频故障报警提示，以便尽快查找原因，排除故障通道。
这样通过多通道测频保证了测频的高可靠性。
此外，PCC硬件的可靠性极高，测频计数时钟为PCC内部提供，并且由于在测频过程中没有采用分频，硬件电路更简单、更可靠，因此测频的可靠性极高。
3多任务分时操作系统
在系统中可以将操作任务分成具有不同优先权的任务等级，而且每个任务等级中可以包含多个具体任务。
优先权高的任务，有着较短的巡回扫描周期。
这样的操作系统中，可以将比较重要的任务定义得任务级别高一些，如：
测频、PID运算、A/D、D/A转换等，这样，这些任务就可以得到及时地处理、执行，从而整个控制系统得到了优化，具有较好的实时性。
4TPU功能
在PCC硬件系统中，时间处理单元TPU（TimeProcessorUnit）能够对与时间有关的程序进行及时的处理并且不影响主CPU的运行。
TPU是集成在MOTOROLA公司32位的M6300型单片机里的高速处理单元，可以在不增加主CPU负担的前提下，完成对时间响应要求很高的控制任务，它可以为开关信号引发的事件提供微秒级的分辨率，以满足真正高实时高精度的要求，如频率测量、脉宽调制。
5编程语言
PCC支持多种编程语言：
梯形图（LAD）、指令表（STL）、结构文本（ST）、顺序功能表（SFC）、C语言、B&R高级语言AB。
根据编写程序的方便和需要，可采用几种语言混合编程，如梯形图和AB。
B&R高级语言AB是基于Windows专门为工业控制开发的一种高级语言，它比通用的高级语言如C语言更适合工业控制特点，更易于编程。
它充分利用PCC的特点，能够轻松完成各种复杂的工业控制和监视。
不仅如此，B&R高级语言的编程环境还适用于PCC中人机界面程序的编写。
6在调节技术上，采用连续、实时、变结构、变参数的PID，积分分离等控制方法，根据机组特性与工况，连续、实时改变调节参数，确保系统稳定并具有良好的调节品质。
7设有在线自诊断及处理功能，当系统故障时，调速器将自动转入手动工况运行，将负荷固定于故障前的状态。
8自动化程度高，调速器设有开机、停机、发电、调相、增减功率操作回路，只需给调速器相应的操作指令，调速器便能自动完成上述操作，减少了与水机自动回路的联系。
9良好的电磁兼容能力和现场总线全面支持技术，体现着世界工控领域的发展方向。
10可以很方便地实现和上位机的通讯。
PCC有自带的RS232接口以及用来扩展的CAN口，并且有用来进行远程通讯的RS485/RS422扩展模块。
主要技术参数
主要技术指标
转速死区ix≤%
静态特性曲线线性度误差ε<5%
随动系统不准确度ia<%
自动空载三分钟转速摆动相对值≤±%
接力器不动时间Tq<
平均故障间隔时间≮50000h
主要调节参数整定范围
比例系数Kp～20
积分系数KI～10（1/S）
微分系数KD0～5（S）
永态转差系数bp0～10%
频率人工死区△f0～%
频率给定范围fG45～56HZ
功率给定范围PG0～120%
第二章可编程计算机调速器系统工作原理
可编程计算机调速器的调节器构成如附图
（一）所示。
它是以奥地利贝加莱公司2003系列可编程计算机控制器、操作显示面板以及各功能模块为核心硬件，与接口功能板共同构成的高可靠性调节器。
其主要功能是测量水轮发电机组的转速偏差，并将其按一定调节规律转换成控制导叶开度（和轮叶转角）的信号。
自动调节
水轮发电机组有多种运行工况，不同的工况，需要采用不同的控制规律、控制结构和调节参数。
控制规律的形成和系统结构的改变通过软件来实现。
现在对该系列调速器各自动工况的工作原理简述如下：
智能化开机
目前有很多微机调速器的开机过程仍和传统机械液压调速器以及模拟电调一样，当接到开机命令后，导叶接力器和电气开度限制均同步开启至第一开机启动开度，导叶接力器维持不动，机组开环启动。
当机组频率大于45HZ后，则将电气开限关至空载开限位置，并投入PID调节，接力器在其控制下稳定于空载开度，开机过程结束，并转入空载状态。
这种方式不能保证开机过程的整个环节全闭环，自动化水平不高。
长控所研制的PCC调速器采用全闭环开机过程。
当接到开机令后，闭环调节投入，将机组频率与频率给定值或电网频率相比较，进行PID运算和调节。
同时设置两个开限，一个为机组启动开限，保证机组启动快速；另一个为空载开限，保证机组开机超调量小，甚至无超调量，快速并入系统。
这两个开限由软件通过水头值和机组特性查表确定，也可由用户在操作显示面板上直接给定。
导叶则根据PID运算的值控制机组直至额定转速。
对于双调节型调速器，轮叶控制系统同样始终处于闭环调节状态。
开机前，导叶开度及机组转速均为零，轮叶开至启动角，自动开机后，当机组转速上升到80%左右，根据协联关系，轮叶将自动关闭到零。
特别提出的是，开机全过程实现闭环控制并且设有两个开限，这样可以实现机组开机过程快速稳定且无超调，方便机组快速并入系统。
在机组开机过程和空载运行中，PCC调节器根据机组特征与工况，连续、适时改变调节参数，保证了机组并网前稳定运行，并具有良好的调节品质。
频率调节
当调速器的频率调节为“频给”方式时，自动空载工况下的调速器受频率给定值控制，PCC调节器对机频与频给的差值进行PID运算，其输出信号经驱动装置调节导叶开度，直至机组频率等于给定频率，从而实现了频率调节，频率给定值可通过操作显示面板进行整定，也可按上位机或自动准同期装置的指令增、减。
频率跟踪
当频率调节为“跟踪”方式时，调速器自动将网频作为它的频率目标值，与频率调节一样，在调节过程中，机组频率将始终以网频为调节目标，实现机组频率自动跟踪电网频率的功能。
频率跟踪功能的投入与退出可以在操作显示面板上手动设置。
并网
当发电机出口断路器合闸后，其辅助接点返回一对常开接点给调速器，则调速器判断机组处于并网状态。
调速器接到并网令时，切除微分调节，投入人工失灵区和永态转差系数。
功率调节
机组并网后，频给自动整定为50Hz，bp置整定值，实现有差调节，切除微分作用，并投入人工失灵区。
导叶开度根据整定的bp值随频差变化，并入同一电网的机组将按各自的bp值自动分配功率。
当上位机或机旁的增、减功率按钮发出增、减负荷命令时，功率给定软件就相应改变功率给定值，功给信号一方面通过前馈回路直接叠加于积分输出值，一方面与积分输出值相比较，其差值通过bp回路调整功率。
由于前馈信号的作用，负荷增减较快。
手动设置水头
当有水头信号参与调节计算时，调速器采集4－20mA的水头信号，通过A/D采样计算，得到适时的水头信号（即自动水头信号）。
当水头信号回路出现故障时，调节器能够自动识别，并且允许在操作显示面板上手动设置水头值。
手动设置水头功能的投入与退出可以在操作显示面板上手动设置。
自动停机
调速器接到停机令时，给定频率将置于零，与闭环开机的过程类似，机频与频给的差值通过PID运算后，其输出信号经驱动装置控制导叶使机组关机，直至机频为零。
手动操作
手动操作是可编程计算机调节器或驱动电路故障后的操作方式。
此时，调速器切为手动工况，手动增减操作，即可带动机械液压随动装置，控制机组开、停或增减负荷。
手动自动切换
导叶控制部分手动和自动的相互切换可做到无条件、无扰动地进行。
自动运行时，当电气部分发生故障，驱动装置的控制信号将自动被切断，调速器无扰动地自动转为手动运行，无需人为切换。
必要时，也可进行手自动切换操作，将调速器切为手动运行。
手动运行时，可编程计算机调节器能自动采集反馈信号（相当于导叶接力器开度信号），并使调节器的输出与其相等。
因此，只要电气部分正常工作，即可做到将手动工况切换至自动工况，接力器不会产生摆动。
第三章可编程计算机调节器
组成与特点
可编程计算机调速器的调节器构成
1、PCC系列调速器的可编程计算机调节器，是以奥地利贝加莱公司可编程计算机控制器、操作显示面板以及各功能模块为核心硬件，辅以接口功能板，以及电源变压器、开关电源和模拟指示表计等组合而成。
其电气系统原理图见附图
（二）。
核心硬件包括控制器CPU模块、混合模块CM211（包括2路模拟量输入、2路模拟量输出、8路开关量输入、8路开关量输出）、8开关量输入模块DI435、用于与监控系统进行通讯的RS232接口模块IF311或RS485/RS422接口模块IF321。
此外，CP474本体提供一个PC机开发PCC程序用的RS232接口和一个远距离网络通讯用的CAN现场总线接口。
另外，根据控制对象的具体情况，可以有选择地添加如下模块：
4路模拟量输入模块AI354、2路模拟量输出模块AO352等。
可编程计算机控制器的特点
由于可编程计算机控制器自身的特点以及水轮机调速器的电气要求，使得它特别适用于水轮机调速器的开发与产品制作。
以下是PCC调速器控制系统的主要特点
1、具有比PLC更高的可靠性，平均无故障时间可达50万小时即57年。
2、集成了大型计算机的特点，系统具有IPC的高速响应能力和计算能力。
3、应用了全新的总线概念，那就是I/O总线和系统总线分离，克服了传统控制系统的总线系统瓶颈。
4、采用多处理器构成多任务分时操作系统，可以将整个操作界面分成数个具有不同优先权的任务等级（TASKCLASS），不同的任务等级，优先权越高，其扫描周期越短；优先权越低，其扫描周期越长。
在这种操作系统的管理下，优先权高的任务等级总是先被执行，在剩余的时间里才执行优先权较低的任务等级。
整个操作系统得到了优化，具有较好的实时性。
5、采用多处理器构成多任务分时操作系统，可以避免发生在传统控制系统中的通讯瓶颈问题。
6、可以根据不同层次人员选用低级语言（如梯形图）或高级语言（如BASIC、C、AB）编程。
7、CPU模块的主处理器为32位CPU，具有TPU功能。
8、系统具有良好的可扩展性：
除系统硬件可以以模块的方式加以扩展外，在CPU多任务分时操作系统的支持下，系统软件也可以以模块的方式加以扩展，这极大地增加了PCC系统的扩展能力。
9、系统除全面支持ETHERNET、PROFIbus和CANbus等标准网络或现场总线协议外，还提供了一个帧驱动器（FrameDriver）工具，可以很方便地解决非标准网络中串行口通讯的问题。
10、良好的电磁兼容能力和现场总线全面支持技术。
接口、功能模块和操作显示面板介绍
B&R2003系列的PCC配置有以下接口和功能模块：
自带的8路开关量输入接口和8路晶体管输出接口、2路模拟量输入接口、2路模拟量输出接口、10路开关量输入模块DI138。
另外，CPU模块内部还提供了一个RS232口和一个CAN口，以便扩展功能。
以下详细介绍各个接口和模块。
DI接口
其主要参数和技术特征见下表。
输入通道数
8路
TPU通道数
3路
输入电压
最小值
18VDC
标准值
24VDC
最大值
30VDC
输入电流
（在标准输入电压下）
约4mA
输入延时
最大1ms
电气隔离
输入与PCC
有
输入与输出
无
DO接口
其主要参数和技术特征见下表。
输出通道数
8路
电气接点输出通道数
1路
通道电压
最小值
18VDC
标准值
24VDC
最大值
30VDC
输出电流
每路输出
最大
模块
最大
电气接点输出负载
最大
开关漏电流
最大12μA
过负载保护
有
内部保护电路
有
输出延时
最大450μs
电气隔离
输出与PCC
有
输出与输入
无
A1模块
其主要参数和技术特征见下表。
C-UL-US认证
有
输入通道数
2
输入通道信号
±10V/0-20mA
数字量切换分辨率
12Bit+符号位
消耗功率
最大
电气隔离
输入与PCC
无
输入与输出
无
AO模块
其主要参数和技术特征见下表。
输出通道数
2
输入电压信号
±10V
数字量切换分辨率
12Bit
短路保护
有
电流输出负载
≥1KΩ
电压输出负载
最大10mA
电气隔离
输出与PCC
无
输出与输出
无
DI138模块
其主要参数和技术特征见下表。
C-UL-US认证
有
输入通道数
10
输入电
流信号
通道5，6
8mA，24VDC
其它通道
5mA，24VDC
输入
延时
通道5，6
最大3μs
其它通道
最大μs
输入
电压
信号
最小值
18VDC
标准值
24VDC
最大值
30VDC
数字量长
16Bit
消耗功率
输入频率
20KHz
记数频率
40KHz
IF311模块
其主要参数和技术特征见下表。
C-UL-US认证
有
输入通道数
10
输入电通道5，6
8mA，24VDC
消耗功率
最大
接口类型
RS232
隔离
接口与PCC
无
接头
9芯D型接头（公）
握手线
RTS，CTS
波特率
最大
距离
15m
数据格式
数据位数
5-8
奇偶性
有/无/偶/奇
停止位
1/2
IF321模块
其主要参数和技术特征见下表。
C-UL-US认证
有
消耗功率
最大
接口类型
RS485/RS422
隔离
接口与PCC
有
接头
9芯D型接头（母）
波特率
最大
距离
1200m（无中继器）
联网工作能力
有
数据格式
数据位数
7/8
奇偶性
有/无/偶/奇
停止位
1/2
接口功能板
标准接口功能板可以对机频（PT、永磁机）和网频测量的PT信号进行变压器隔离、方波整形、电平转换、光电隔离，以及机频齿盘信号的处理，并且提供2路标准的调零、调幅电路。
电源系统
水轮机调速器的电源系统是维持调速器自动工作正常的有力保证，为了保证电源系统的可靠，本系列调速器采用厂用交流、厂用直流（一般为蓄电池，不会掉电）双路供电方式，任一路电源消失，不会影响调速器的自动正常运行。
厂用直流一方面给所有开关电源供电，另一方面给紧急停机电磁阀等操作提供操作电源。
厂用交流通过一电源变压器隔离后向所有开关电源供电。
可编程计算机控制器采用DC24V的开关电源供电。
此DC24V开关电源还向开关量输入、开关量输出信号、接口功能板的数字电路、继电器、手自动指示等操作回路提供电源。
模拟调整电路、位移传感器和比较放大电路用的是±12V模拟开关电源。
调节器主程序框图
第四章操作说明
开机过程
手动操作
操作调速器“导叶手动”切换按钮，将导叶切至手动位置，然后进行导叶增减操作使导叶开至启动开度，待转速开至80%后将导叶关至空载开度附近，根据机组转速调节导叶开度，使机组稳定于额定转速。
自动操作
操作调速器“导叶自动”切换按钮，将导叶切至自动位置，选择“跟踪”或“频给”调节方式。
调速器接到开机令后（要求开机令保持30s以上），将频差通过PID运算，其输出信号带动电液随动系统，将输入的控制信号成比例地转换成接力器位移，控制导叶使机组开机。
在机组开机过程和空载运行中，PCC调节器根据工况识别，自动将调节参数设置于空载参数，保证了机组并网前运行的速动性和稳定性。
停机过程
手动停机
按电手动减按钮或机械操作机械液压随动系统使导叶关至空载开度，与电网解列后，继续手动关闭导叶直至停机。
自动停机
调速器接到停机令时，给定频率将置于零，与开机过程类似，控制导叶使机组关机，直至机频为零。
有功增、减
手动时点动操作电手动增减按钮或操作机械液压随动系统增减负荷。
自动时点动操作增减给定按钮增减负荷。
事故停机
无论调速器处于自动还是手动，当接到“事故停机”信号时，紧急停机电磁阀直接作用于机械随动系统，即关闭导叶使机组停机。
值得注意的是：
紧急停机电磁阀不宜于长期带电；在发紧急停机令的同时，一定要发停机令。
手自动切换
可编程计算机调速器其手动与自动的相互切换，均可做到无条件无扰动地进行。
第五章调试试验大纲及维护
电气部分检查和操作步骤
电气部分的检查和操作应按照以下几个步骤进行：
1根据配线图全方位地检查配线。
对外端子图见附图（三）。
2重点检查电源回路的配线。
3电源回路正确后，上电。
观察操作显示面板及操作回路是否正常。
4上电后再接入频率信号，观察测频回路是否正常。
5机械调整完成后，分别进行导叶、桨叶的零位和幅值的调整。
电源回路
上电前首先应保证接线正确，特别要注意厂用交流、厂用直流是否正确，开关电源的输出有无短路现象。
为避免干扰信号，应尽量做到强、弱电分开，机、网频信号线采用屏蔽线。
上电后，用万用表测量下列电源电压值：
厂用AV220V电源：
电压偏差不超过额定值的-15%至+15%；
厂用DV220V电源：
电压偏差不超过额定值的-15%至+15%；
DC24V：
参考范围为；
DC±12V：
参考范围为；
DC±5V：
参考范围为。
零位、幅值调整
将调速器置手动位置，按电手动减按钮（或操作机械液压随动系统）将导叶接力器全关，调整调零电位器，将输出电压调到0V，然后将导叶接力器全开，调整调幅电位器，将输出值调到。
对于双调节调速器，轮叶系统用相同的方法调整。
静态试验
当机械和电气动作基本正常后，就可以做静态特性试验了，具体步骤如下：
2、将调速器“静态实验”端子与“24V”端子短接，模拟并网令，将“并网”端子与“24V”端子短接。
3、将调速器切自动，功给设定为50%。
3、显示面板切入“静态测试”画面，设定模拟机频为50HZ，用增、减键进行模拟机频增减（已设定F=）。
根据以下表格，对调速器在接力器全行程进行双向开关机试验，记录数据填入下表：
f（Hz）
行程
行程
根据以上表格数据，采用回归法计算出ix，校验bp值。
标准规定大型调速器转速死区ix≤%，中、小型调速器转速死区ix≤%。
动态试验
手动开停机
将调速器切至手动位置，控制导叶电手动按钮或操作导叶机械液压随动系统，使机组处于额定转速下运行，并且发电机励磁投入，稳定一段时间后观察机组频率摆动值，每次三分钟，共三次。
最大值
最小值
F（Hz）
F（Hz）
F（Hz）
一段时间后手动停机。
计算出三次的空摆值，标准要求大型调速器手动空载摆动值≤±%，中、小型调速器手动空载摆动值≤±%。
此试验可利用“空摆测试画面”来进行。
自动开机
调速器切自动，发开机令，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。
最大值
最小值
F（Hz）
F（Hz）
F（Hz）
计算出三次的空摆值，标准要求大型调速器自动空载摆动值≤±%，中、小型调速器自动空载摆动值≤±%。
此试验可利用“空摆测试画面”来进行。
空扰试验（8%）和自动停机
操作显示面板，置频给为,按一下确认键，机组稳定后置频给为Hz,按一下确认键，记录频率最低值、稳定时间、调节次数；稳定后将频给置,按一下确认键，记录频率最高值、稳定时间、调节次数。
上扰
最高值（Hz）
调节次数（次）
调节时间（s）
超调量（%）
下扰
最低值（Hz）
调节次数（次）
调节时间（s）
超调量（%）
此试验为选作试验，国标无考核指标，但有助于优选参数。
做完空扰试验后发停机令自动停机。
甩负荷试验
机组自动开启，并网带上一定负荷，进行如下甩负荷试验：
1、甩25%负荷
自动工况运行，并网后负荷量增至25%，断开油开关，测量接力器不动时间，国标要求Tq<;
2、甩75%负荷
自动工况运行，并网后负荷量增至75%左右，断开油开关，观察转速、水压的上升情况，若无异常，则做甩满负荷试验；
3、甩100%负荷
自动工况运行，并网后负荷量增至100%左右，断开油开关，观察转速上升最高值及超过3%额定转速值的波峰次数。
观察从接力器第一次向开启方向移动起，到机组转速摆动值不超过±%为止所经历的时间。
标准规定：
超过3%额定转速的次数≤2次，最高转速≤140%（此数由调保计算得出，不是定值），调节稳定时间≤40s。
手自动切换、紧急停机试验
自动运行，并网带一定负荷稳定后，进行
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