从PLC到PCC步进式调速器的实用性研究

摘 要 以plc及pcc为微机控制器的水轮机调速系统，其基本原理都是通过采集机组功率、频率、水头值、主接位移信号等，进行算数及逻辑运算，由输出模块直接控制步进电机。作为比PLC性能更强的PCC调速器控制系统，使用内部高速计数器测频，首次在调速器中实现性能测试功能；用高级语言开发实时多任务调控软件，具有PLC的高可靠性，C编程的灵活性和工控机的实时性。

【关键词】PLC步进式调速器 PCC步进式调速器 步进电机 可编程计算机控制器 频率测量

1 简介

基于PLC发展起来的PCC水轮机调速器控制系统，既有PLC高可靠性，程序简单易读的特点，又克服了PLC系统性能的瓶颈问题，适用于现有计算机网络系统的高速数据交换和调速器系统的快速响应。PCC系统还突破了传统PLC单片机式的功能，具有类似于大型计算机分时多任务的操作系统，具备大型计算机的分析运算能力。

2 微机控制器的发展史

PLC起源于20世纪50-60年代，其最初只能进行简单的逻辑运算，因此被称为控制器，但随着技术的不断发展，PLC逐步完善为具有逻辑运算、顺序控制、算数运算等性能，称为功能完善的控制器，美国电气制造商协会于1980年正式命名为可编程控制器，即PC，我们习惯的称之为PLC。目前世界生产PLC的主要生产商有日本三菱FX、AnS、Q系列，德国西门子S7系列，德国的GE，法国的Modicon TSX系列，美国的施耐德系列等。以PLC为控制设备开发出来的调速器系统，习惯上称之为第一代产品。

1994年贝加莱提出的PCC系统，是工业控制的新概念，其实质是一种在软、硬件技术方面进一步发展的可编程控制器，属于第二代微机调速器。主要特点是以高可靠性的微机控制器为核心，采集机组频率、功率、水头、接力器位移等信号和电站计算机监控系统控制信号，用计算机程序实现复杂的运算以达到调节和控制功能，并以一定的方式输出信号，控制电液转换器及机械液压系统，实现对水轮机组的调节。

3 PLC调速器系统的特点

PLC调速器以其高可靠性在水电站得到广泛运用，他用梯形图编程，通过传感器及AI模块采集机组的频率、功率、接力器位移等信号，以逻辑运算及算数运算实现调速器的PID调节，通过DI/DO模块输出动作值到调速器步进电机，实现对水轮机的调节。梯形图编程语言的优点就是符合常规继电器逻辑思想，便于阅读及设计，且逻辑简单明了，通过A/D、D/A模块控制步进电机的方式算法简单，易于掌握，它的硬件框图如图1。

天生桥水力发电总厂机组调速器目前使用就是这一类PLC控制系统，具体产品使用的是日本三菱AnS系列模块，作为上世纪九十年代的成熟产品，该调速器系统具有运行可靠性高，易于维护的特点，但由于该类PLC内部高计数频率偏低，为了提高测频的精度，采用外置专用测频模块（测频板），测频板在检测到电网或机端频率后，计算成二进制数据，进而通过硬接线的方式将该二进制数据送到控制器DI模块，PLC根据接收到的频率数据进行PID闭环调节。另外，采用ANYBUS现场总线转换协议实现调速器的MODBUS和机组控制PROFIBUS现场总线相连，实现上位机功率值的下发。PLC步进式水轮机调速器系统通过逻辑运算，由输入输出模块（DI/DO）直接作用于步进电机来达到对水轮机的调节，这种方法增加了中间计算环节占用系统资源，通过梯形图的难以实现复杂算法，且使用中间接力器位移反馈的方法，导致调速器死区偏大，使得调节速度以及精度均受影响。为了解决上述问题，目前在水电厂广泛推广采用一种新型的可编程控制器PCC（Programmable Computer Controller），采用模块直接上系统总线的嵌入式方式，可通过C语言直接进行编程，在单片机CPU中实现复杂算法，根据主接力器上的反馈及频率跟踪，直接将计算值转换为脉冲并作用于伺服步进电机。这种模式控制器在各大电子厂商均有成熟产品，如南自信息技术公司基于施耐德PCC开发的调速器控制系统。

4 PCC调速器系统的特点

PCC作为一种新概念产品，其实质是在PLC中加入了某些工业控制机（Industrial Personal Computer，简称IPC）的思想，是PLC与PC结合的产物，集成了PLC的高可靠性及PC机的强运算能力。集成测频及高计数器功能的PCC系统，摒弃了传统PLC测频环节的繁琐及运算的单一，特别适应于目前以集中监控的大监控环境，为水轮机自动发电调节（AGC）的实现提供了更好的软硬件环境。

PCC系统的组成包括：I/O处理器，双向口控制器和CPU处理器。它们既彼此独立，又通过双向口控制器相互并联，使主PLC资源得到合理利用。PCC编程语言符合IEC61131-2规定，除了可以利用梯形图LAD和指令表STL编程外，还可以利用类似于C的公式化编程语言，实现了复杂算法的简单化，目前主流的PCC调速器控制系统大多采用双控制系统的方式，两套系统可实现数据交换，也可进行主备的独立控制，大大提高了设备的可靠性。

天生桥水力发电总厂机组调速器目前所面临的主要问题是：由于PLC性能相对较差，响应速度满足不了现有大电网系统的调频要求，造成电厂一次调频常被考核，另外，由于采用anybus转换与机组LCU通信的模式不可靠，造成时有数据丢失的现象。PCC在继承PLC的可靠性基础上，使用高速计数模块，其最高计数频率大于4MHz，完全满足大型调速器测频要求。在步进电机控制方面，采用脉冲驱动的伺服电机（有的采用精确控制电磁阀），有效的减少了时延，提高了响应速度，解决了普通步进式调速器的性能瓶颈问题；电子技术的发展使集成的通信模块具有较好的兼容性，很容易实现与上位机或其他机组控制PLC的通信。高速计数和步进电机控制均由高速处理模块TPU实现（如图2所示）。PCC容易与其有触摸屏的LCD相连，良好的人机界面不但便于操作，还可可以做二次开发，模拟完成部分试验等。

5 PCC调速器软件

PCC的较大运用程序存储空间使得系统具有较高的系统分析计算能力和较强的数据处理能力，采用多任务分时操作系统，将整个调速器程序分成数个具有不同优先权的任务等级，采用优先权又高到低逐个执行的方式，这样整个控制系统得到了优化，充分利用了有限的机器资源，既保证了实时性要求高的关键任务得到及时处理，又实现了多任务。

PCC软件采用多种编程语言相融合的开放式编程环境，可根据水电厂发电机组固有的特性进行编程，由于编程界面的简明化及程序可读性，电厂技术人员容易上手，做到了经验与理论的有机结合。

6 总述

综上所述，PLC、PCC实质上都是工业控制计算机，PCC就是加强版的PLC，既有PLC的优点，又具有现场总线式的计算机特征，性能强。由于目前电网越来越大，负荷也逐渐增大，对于电源质量的要求越来越高。反映到电厂主要是对机组调速器的性能要求很高，特别是一次调频的投入，对于调节器的性能、反应速度、通信等都有很高的要求，所以，基于PLC发展起来的PCC调速器系统必定有很广的运用前景。目前，以现场总线为特征的全数字式第三代调速器正在开发研究中，相信随着微电子技术，通信技术及大规模集成电路的发展，性能优良、可靠性高、性价比高的控制器将会被运用于水轮机调节。

作者单位

中国南方电网调峰调频发电公司天生桥水力发电总厂 贵州省兴义市 562400