數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器在水電站設(shè)備改造中的應用

米建國，劉忠良，張偉朋，徐田鵬（天津市科音自控設(shè)備有限公司，天津 300409）

數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器在水電站設(shè)備改造中的應用

米建國，劉忠良，張偉朋，徐田鵬
（天津市科音自控設(shè)備有限公司，天津 300409）

摘要：介紹了一種全新的水輪機調(diào)速器，電氣部分以PCC可編程計算機控制器為核心，軟件采用高級語言；電氣液壓轉(zhuǎn)換部件采用電磁球閥，機械液壓放大元件采用二通插裝閥，采用無杠桿，無明管路結(jié)構(gòu)。實際應用結(jié)果表明，該型調(diào)速器調(diào)試簡單，維護方便，具有先進的技術(shù)性能和高可靠性。

關(guān)鍵詞：智能調(diào)速器；PCC；數(shù)字閥；電磁球閥；插裝閥

1　老型調(diào)速器存在的問題

老型調(diào)速器受當時技術(shù)、制造條件的限制，自身存在著許多弱點，無法滿足電站正常運行的要求。

YT、T、ST型機械液壓調(diào)速器的主要問題：機械機構(gòu)復雜，調(diào)整困難；機柜內(nèi)部傳遞杠桿較多，造成死區(qū)較大、不易維修；明油管路較多,漏油量大；調(diào)速器特性差。

YDT、DT、DST型電液調(diào)速器的主要問題：控制部分采用模擬電路，使用很多電路板，電路復雜，可靠性差；穩(wěn)定性差，輸出隨溫度，濕度變化而變化，溫度漂移大，時間漂移大；抗干擾能力差，電站的電磁干擾很大，而模擬電路的很多環(huán)節(jié)都容易受到干擾的侵入，導致調(diào)速器無法自動運行；電液轉(zhuǎn)換器對油質(zhì)要求高，易卡阻。

上述兩類調(diào)速器存在的共同問題：機構(gòu)復雜，調(diào)整維護困難；明油管路較多，不易升壓等；由于原調(diào)速器采用主配壓閥的結(jié)構(gòu)，其形式為滑閥，主配壓閥活塞與襯套之間的間隙所造成的滲漏就不可避免，漏油量大，油泵啟動頻繁，縮短了油泵和電機的使用壽命，同時耗電量大，不符合節(jié)能減排的要求；為了減少主配壓閥活塞與襯套之間的滲漏，就要在主配壓閥活塞閥盤與襯套之間加大搭疊量，而搭疊量加大了調(diào)速器機械死區(qū)；由于主配壓閥活塞與襯套之間的間隙所造成的滲漏不可避免，因此在手動運行時就需要機械反饋來補償，否則，接力器就要漂移。

2　當前調(diào)速器的最新技術(shù)

水輪機調(diào)速器（以下簡稱調(diào)速器）是水電站重要的輔機設(shè)備之一，其可靠程度直接關(guān)系到整個電站的安全運行和機組本身的安全，所以，調(diào)速器的可靠性問題一直是水電站關(guān)注的重點，從20世紀50年代至今，我國調(diào)速器的發(fā)展經(jīng)歷了從機調(diào)→電子管電調(diào)→晶體管電調(diào)→集成電路電調(diào)→單板機、單片微機調(diào)→PLC調(diào)速器→步進電機PLC調(diào)速器→數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器的過程?！皵?shù)字閥PCC智能調(diào)速器”是國家科技部創(chuàng)新基金項目，該項目產(chǎn)品已成功運行于各種型式水輪機發(fā)電機組并進入國際市場。“數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器”榮登《世界經(jīng)理人周刊》2005年中國500最佳新產(chǎn)品排行榜。數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器是水電站擴容增效改造，提高自動化程度的首選產(chǎn)品。

PCC代表著一個全新的控制理念，它既具有可編程邏輯控制器(PLC)的標準控制功能（可靠性高、易擴展），又具有工業(yè)計算機（IPC）的系統(tǒng)功能（運算能力強、適時性好、編程方便等特點）。它能方便地處理開關(guān)量，模擬量，進行回路調(diào)節(jié)。并能用高級語言編程，具備大型機的分析運算能力。其硬件具有獨特新穎的插拔式模塊結(jié)構(gòu)，可使系統(tǒng)得到靈活多樣的擴展和組合。軟件也具備模塊結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)擴展時只需在原有基礎(chǔ)上疊加運用軟件模塊。PCC的CPU為32位，運行效率高，具有高速的智能處理器TPU，TPU功能可使系統(tǒng)響應時間達到微秒級，而CPU不需作任何加載。用戶存儲器容量大。具有良好的電磁兼容能力和現(xiàn)場總線全面支持技術(shù)，體現(xiàn)了工控領(lǐng)域的發(fā)展方向。

數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器，由于采用了PCC，從根本上解決了以往各種調(diào)速器的調(diào)節(jié)器硬件故障頻發(fā)、易受干擾或程序跑飛等問題；而由于采用數(shù)字閥技術(shù)，去掉了主配壓閥，從根本上解決了以往各種電調(diào)中電液轉(zhuǎn)換器易被油污卡阻的老大難問題；特別是由于采用了觸摸屏后，實現(xiàn)了全中文人機對話，易學易掌握,又從根本上解決了以往各種微機調(diào)速器的操作不直觀、似乎高深莫測的問題，由于上述三個根本問題的解決，該種調(diào)速器目前在很多大中型水電站得到廣泛應用，普遍反應良好。

3　調(diào)速器改造方案

原調(diào)速器經(jīng)過多年的運行，調(diào)速器的可靠性已大為降低，直接影響著電站的安全生產(chǎn)。因此，對該類型調(diào)速器的改造是電站提升自身形象及機組自動化水平的必要舉措。

針對電站原調(diào)速器已使用多年，原有調(diào)速器已不適應現(xiàn)有技術(shù)等情況，電站油、氣、水管路已布置完成，且原有的油壓裝置等基礎(chǔ)部件運轉(zhuǎn)良好的特點，從用戶的角度出發(fā)，本著盡可能降低改造成本、減少因改造占用的發(fā)電時間的原則，提出以下改造方案。

將YT、YDT型（中、小型）調(diào)速器改造為YZFT型數(shù)字閥PCC可編程智能調(diào)速器。

將T、DT型（大型單調(diào)節(jié)）調(diào)速器改造為ZFT型數(shù)字閥PCC可編程智能調(diào)速器。

將ST、DST型（大型雙調(diào)節(jié)）調(diào)速器改造為ZFST數(shù)字閥PCC可編程智能調(diào)速器。

對于中小型調(diào)速器，僅保留原調(diào)速器油壓裝置和主接力器部分，對主配壓閥及以上部分進行更換。

對于大型調(diào)速器，僅保留原調(diào)速器基礎(chǔ)座部分，將原調(diào)速器進行整體更換。將油壓裝置中的安全閥、逆止閥改造為組合閥。

控制器采用奧地利貝加萊公司的可編程計算機控制器（PCC）。PCC的平均無故障時間MTBF高達50萬h。

采用數(shù)字閥替代傳統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換器和主配壓閥，降低對油質(zhì)的要求，從根本上解決傳統(tǒng)調(diào)速器電液轉(zhuǎn)換元件由于油污造成的發(fā)卡的弊病。

無明油管路，大幅度減少漏損和油壓延程損失，提高油壓利用率。

人機對話采用彩色觸摸屏技術(shù)。

取消傳遞杠桿系統(tǒng)，消除由于桿系造成的調(diào)速器死區(qū)，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)，使機柜內(nèi)部布置簡潔明快，增大檢修空間。

取消機械反饋，采用電氣反饋。

關(guān)鍵部件采用原裝進口設(shè)備，保證可用性及可靠性。

4　數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器的主要特點及功能

數(shù)字閥PCC可編程智能調(diào)速器具有自動、電手動、手動三種操作方式，且可無條件無擾動切換。該調(diào)速器的實用性智能性很強，具有如下主要特點及功能（以大型雙調(diào)節(jié)調(diào)速器為例）。

（1）全新的控制理念。采用不同于常規(guī)PLC的新一代可編程計算機控制器--PCC，面向控制過程，采用高級語言，分析運算能力強，在同一CPU中能同時運行不同程序。程序運行時僅掃描部分程序，效率很高。

（2）全PCC化，具有極高的可靠性。從輸入到輸出,從測頻到控制脈沖等各環(huán)節(jié)均實現(xiàn)了PCC化。PCC的平均無故障時間MTBF高達50萬h，即57年。

（3）智能型調(diào)速器。采用自適應式變結(jié)構(gòu)，變參數(shù)并聯(lián)PID調(diào)節(jié)，采用對常規(guī)PID調(diào)節(jié)器改進后的算法。自動識別電網(wǎng)的性質(zhì)，并自動適應電站的各種特殊運行方式，如孤網(wǎng)運行，或由大電網(wǎng)解列為小電網(wǎng)運行的突變負荷等特殊情況，均可保證機組穩(wěn)定運行。人性化設(shè)計，具有很強的自診斷、防錯、糾錯及容錯功能。當出現(xiàn)故障時，自動彈出故障診斷畫面，并自動顯示故障原因及處理辦法。

（4）多任務的優(yōu)點。在傳統(tǒng)PLC中，并行處理是靠程序掃描來完成的。但事實上多任務才是并行處理的邏輯表達式，更簡單直接的方法就是采用多任務技術(shù)。PCC恰恰可以滿足這種需求，當某一任務在等待時，其他任務仍可繼續(xù)執(zhí)行。這樣可以提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能指標。

（5）PCC的大內(nèi)存，為智能型調(diào)速器提供了資源保證。用戶內(nèi)存：1.5MB FLASH PROM。

（6）采用PCC高速計數(shù)模塊(HSC)測頻。PCC高達6.3MHz的計數(shù)頻率，具有很高的測頻精度和可靠性，從而使調(diào)速器的輸入通道－測頻環(huán)節(jié)的可靠性有了根本的保證。

（7）友好的人機界面。采用觸摸屏做為人機界面，畫面美觀逼真，全中文顯示，操作方便，可以同時顯示很多信息。具有多級密碼保護功能。持有密碼級別的高低，決定了對系統(tǒng)行使權(quán)利的大小。運行人員只能觀察到常規(guī)顯示畫面并進行常規(guī)操作，檢修人員或管理人員可對調(diào)節(jié)參數(shù)等進行修改。具有屏幕保護功能，以延長觸摸屏的壽命。

（8）采用數(shù)字協(xié)聯(lián)方式，且可現(xiàn)場修改協(xié)聯(lián)曲線并記憶修改后的數(shù)據(jù)，以便根據(jù)電站的實際條件按最優(yōu)曲線運行，槳葉隨動系統(tǒng)準確度高。

（9）采用數(shù)字閥作為電液轉(zhuǎn)換元件。徹底解決了常規(guī)調(diào)速器電液轉(zhuǎn)換元件油污發(fā)卡的問題，使電站可以實現(xiàn)完全可靠的自動運行。具有故障鎖錠的功能。由于數(shù)字閥只有通/斷兩個狀態(tài)，且數(shù)字閥采用錐閥密封，可以保證在31.5MPa下無泄漏，所以，數(shù)字閥又具有液壓鎖的功能，因此，當測頻信號消失及斷電等情況時，具有故障鎖錠的功能。

（10）無杠桿結(jié)構(gòu)。該系列調(diào)速器采用了數(shù)字閥液壓隨動系統(tǒng)，自動時有電氣返饋，手動無需反饋，因此取消了杠桿，消除了因為杠桿造成的死區(qū)，提高了調(diào)速系統(tǒng)的精度，而且無管路，結(jié)構(gòu)簡單，美觀。

（11）具備折線關(guān)機功能，并由標準的插裝閥完成，結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠。

（12）零擾動手/自動切換。由于自動運行時，電磁球閥每次動作后都處于失電狀態(tài)；而切斷電源即為手動運行。手動運行時，電子調(diào)節(jié)器跟蹤接力器的實際開度。因此數(shù)字閥調(diào)速器實現(xiàn)了零擾動手/自動切換

（13）聯(lián)網(wǎng)方便。具有RS232或RS485通訊接口，可以方便地實現(xiàn)與上位機通訊，提高電站的自動化水平。

（14）具有頻率調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)三種模式，并可實現(xiàn)調(diào)節(jié)模式間的無擾動切換。功率調(diào)節(jié)模式下，可接受上位機控制指令，實現(xiàn)發(fā)電自動控制功能(AGC)。

（15）具有很強的自診斷、防錯、糾錯及容錯功能，并可將有關(guān)故障信息顯示在屏幕上，或發(fā)出報警信號。具有下述在線診斷和容錯功能：模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和輸入通道故障；反饋通道故障；液壓控制系統(tǒng)故障；程序出錯和時鐘故障；事故關(guān)機回路故障；操作出錯；測頻回路故障；其他故障。

（16）維護簡單調(diào)試方便。由于PCC的高度集成化和高可靠性，對于運行維護人員沒有太高的特殊要求，調(diào)試只需設(shè)定有關(guān)數(shù)字，沒有太多的電位器等可調(diào)元件。

5　數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器的構(gòu)成

數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。調(diào)速器由調(diào)節(jié)器和電液隨動系統(tǒng)構(gòu)成。

調(diào)節(jié)器主要由電源、可編程計算機控制器（PCC）、人機界面（觸模屏）等組成。PCC包括：CPU模塊、高速DI模塊、脈沖輸出模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、通訊模塊及機架等。

電液隨動系統(tǒng)主要是執(zhí)行機構(gòu)，它將直接影響調(diào)速器的性能和可靠性。數(shù)字閥調(diào)速器以標準件—電磁球閥為先導閥，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換器、比例閥或步進電機的電液轉(zhuǎn)換元件，以標準液壓元件—二通插裝閥為放大元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的主配壓閥。其工作特點是以電磁球閥的通、斷控制插裝閥，插裝閥的通、斷來控制接力器。電磁球閥的工作狀態(tài)只有通、斷兩個狀態(tài)，也即相當于數(shù)字電路的高電平、低電平兩個狀態(tài)（即1、0），故將其稱為數(shù)字閥，由此構(gòu)成的調(diào)速器稱為數(shù)字閥調(diào)速器。

圖1　數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器結(jié)構(gòu)框圖

6　數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器的應用

目前，已有數(shù)百臺數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器在水電站成功投運。部分電站試驗結(jié)果如表1所示，所列電站的水輪機均為軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，各項性能指標均優(yōu)于國家標準“水輪機控制系統(tǒng)技術(shù)條件GB9652.1-2007”。所有投運的調(diào)速器均未出現(xiàn)任何故障，運行人員操作簡單，維護工作量很少。

改造后的調(diào)速器是節(jié)能型產(chǎn)品，由于數(shù)字閥技術(shù)的應用，使得調(diào)速器漏油量極低，降低了油泵的啟停頻率，在機組帶固定負荷時，確保油泵啟動時間間隔大于5 h，大大降低了電機的能耗，同時延長電機和油泵的使用壽命，為電站帶來可觀的經(jīng)濟效益。得到用戶的一致好評。

表1　部分電站試驗結(jié)果表

7　結(jié)語

數(shù)字閥PCC可編程智能調(diào)速器不僅解決了傳統(tǒng)調(diào)速器的缺陷，而且可滿足現(xiàn)代水輪機調(diào)速器發(fā)展的要求，為實現(xiàn)水電站無人值班奠定了基礎(chǔ)。本項目產(chǎn)品己通過“國家中小型水電設(shè)備檢測中心”的技術(shù)檢測。國家科技部于2004年將“數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器”確定為創(chuàng)新基金支持項目，天津市科音自控設(shè)備有限公司得到了科技部和天津市科委的無償資助，為該項技術(shù)的盡快推廣增添了動力。

參考文獻：

[1]齊 蓉．可編程計算機控制器原理及應用[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2002.

[2]米建國，劉忠良，錢軍輝，等.基于PCC可編程計算機控制器的數(shù)字閥調(diào)速器[J].水電站機電技術(shù)，2006（3）：22-24.

[3]米建國，劉忠良.數(shù)字閥PCC可編程智能調(diào)速器的研究及應用[C]//水電廠附屬設(shè)備技術(shù)進步研討會論文集，2005.

中圖分類號：TK730.4+1

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）02-0078-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.022

收稿日期：2014-10-12

基金項目：國家科技部創(chuàng)新基金項目“數(shù)字閥PCC智能調(diào)速器”（04C26211201022）。

作者簡介：米建國（1964-），男，教授級高級工程師，從事調(diào)速器的研究與開發(fā)工作。