摘要：数字阀pcc可编程智能调速器是国家科技部创新基金支持项目，电气部分以pcc可编程计算机控制器为核心，软件采用高级语言；电气液压转换部件采用电磁球阀，机械放大元件采用二通插装阀，采用无杠杆，无明管路结构。实际应用结果表明，该型调速器调试简单，维护方便，具有先进的技术性能和高可靠性。
关键词：智能调速器pcc数字阀电磁球阀插装阀
1．前言
漾头水电站位于贵州省铜仁市附近，装机容量为2x8000kw，水轮机为轴流转桨式，设计水头为18m。原调速器为某厂生产的模拟电液调速器，机械控制部分采用电液转换器，二级放大部分采用主配压阀，接力器与主配压阀开环无反馈；在电气上采用模拟电子调节器，抗干扰性能差；自动运行时，常误动作。自投入运行以来，随着长时间的运行，机械的磨损，电气分立元件的老化严重地影响机组的安全运行。原调速器存在的主要问题是：1)抗卡阻效果差。调速器对油质要求较高，常卡阻，不能保证长期自动运行。2)运行操作不方便。由于机械磨损主配压阀渗漏造成接力器漂移，且手动运行时无反馈，运行人员总要不断的调整，劳动强度较大。3)抗干扰能力差。任何电磁干扰都可能造成调速器误动作。4)检修维护不方便。调整环节太多，每次检修后，仅调整各个节流阀就需要几天时间。2．改造方案针对漾头水电站的具体情况，拟定如下改造方案：方案一.用zfst－100型数字阀pcc可编程智能调速器整机替换原调速器。采用机电合柜形式。方案二.保留原调速器主配压阀，去掉原调速器中除主配压阀以外的其他部分，采用步进电机替代电液转换器，采用pcc可编程智能调节器替换原模拟电子调节器。采用机电合柜形式。由于主配压阀的结构形式为滑阀，主配压阀活塞与衬套之间的间隙所造成的渗漏就不可避免，为了减少主配压阀活塞与衬套之间的渗漏，就要在主配压阀活塞阀盘与衬套与窗口之间加大搭叠量，而搭叠量加大了调速器机械死区。由于主配压阀活塞与衬套之间的间隙所造成的渗漏不可避免，因此在手动运行时就需要机械反馈来补偿，否则，接力器就要漂移。由于漾头水电站原调速系统没有采用机械反馈。因此，在设备改造时，必须采用无钢丝绳反馈（或杠杆反馈）结构，只采用电气反馈。如采用方案二即保留原调速器主配压阀，手动运行时溜负荷。由于溜负荷，增加了运行人员的劳动强度。而采用方案一数字阀调速器则能解决这一难题。综上所述采用方案一最为理想。为了适应机组安全稳定运行要求，实现水电站“无人值班”（少人值守），铜仁市地方电力公司漾头水电站经过调查研究，选用天津市科音自控设备有限公司研制的新一代调速器：zfst-100型数字阀pcc可编程智能调速器，对原调速器进行了整机更换改造，率先实现了在轴流转浆式水轮发电机组上应用数字阀 可编程计算机控制器的智能调速器。3．数字阀pcc可编程智能调速器结合水轮机调速器的特殊性，zfst-100型数字阀pcc可编程智能调速器，选用不同于常规plc的新一代可编程控制产品－pcc，即从贝加莱公司（b&r）进口的可编程计算机控制器b&r2003。它面向自动化过程，而不是面向继电器逻辑电路仿真，这就是b&r2003的理念。pcc代表着一个全新的控制概念，它集成了可编程逻辑控制器(plc)的标准控制功能和工业计算机的分时多任务操作系统功能。它能方便地处理开关量，模拟量，进行回路调节。并能用高级语言编程，具备大型机的分析运算能力。其硬件具有独特新颖的插拔式模块结构，可使系统得到灵活多样的扩展和组合。软件也具备模块结构，系统扩展时只需在原有基础上叠加运用软件模块。cpu运行效率高，用户存储器容量大。这些优越性都为智能式水轮机调速器提供了强有力的资源保证。在电气机械转换方面，采用电磁球阀替代电液转换器；在放大级采用二通插装阀替代主配压阀。调速器从总体上降低了对油质的要求，从根本上避免了电液转换器发卡的弊病。由于数字阀技术是采用高速电磁球阀为先导阀，以二通插装阀为主阀，而且插装阀的密封形式为锥阀，因此数字阀又具有液压锁的功能，有效地避免了接力器的漂移，因此主接力器无需机械反馈。所以数字阀调速器在漾头水电站的应用，可以以最小的改动，达到整机改造的目的。由于该系统的先导电磁球阀又具有手动阀及事故阀的功能，减化了调速器内部结构，从结构上减化了整个调速系统。所以该型调速器实现了真正意义上的无杠杆，无管路；在结构上采用集成块的形式，外形简洁明快，可靠性极高，性能优良。由于无需机械反馈，该型调速器在机组的布置上可不受任何限制，厂房整齐，美观。3.1主要特点1)全新的控制理念。采用不同于常规plc的新一代可编程计算机控制器--pcc，面向控制过程，能采用高级语言，分析运算能力强，在同一cpu中能同时运行不同程序。程序运行时仅扫描部分程序，效率很高。2)全pcc化，具有极高的可靠性。从输入到输出,从测频到控制脉冲等各环节均实现了pcc化。pcc的平均无故障时间mtbf高达50万小时，即57年。常规plc的平均无故障时间mtbf为30万小时。3）多任务的优点。在传统plc中，并行处理是靠程序扫描来完成的。但事实上多任务才是并行处理的逻辑表达式，更简单直接的方法就是采用多任务技术。pcc恰恰可以满足这种需求，当某一任务在等待时，其他任务仍可继续执行，非其他常规plc可以比拟。4）智能型调速器。采用自适应式变结构，变参数并联pid调节。自动识别电网的性质，并自动适应电站的各种特殊运行方式，如孤网运行，及由大电网解列为小电网运行的突变负荷等特殊情况，均可保证机组稳定运行。人性化设计，具有很强的自诊断、防错、纠错及容错功能。5）采用pcc高速计数模块(hsc)测频。pcc高达6.3mhz的计数频率，具有很高的测频精度和可靠性，从而使调速器的输入通道－测频环节的可靠性有了根本的保证。6）由pcc实现信号综合及控制脉冲的输出。调节器的电气开度（数字信号），和转换为数字信号的接力器实际位移由pcc内部进行综合比较，输出控制脉冲信号，经功率放大后，直接驱动先导电磁阀。充分发挥了pcc多任务的功能。7）联网方便。具有rs232或rs485通讯接口，可以方便地实现人机对话，及与上位机通讯，提高电站的自动化水平。8）调节模式灵活。可实现频率调节，开度调节，功率调节，并可实现调节模式间的无扰动切换。9）pcc的大内存，为智能型调速器提供了资源保证。用户内存：1.5mbflashprom，远大于常规plc10kb左右的内存。10)采用电磁球阀做为电液转换元件。彻底解决了常规调速器电液转换元件油污发卡的问题，使电站可以实现完全可靠的自动运行。11)可以适应电站的各种特殊运行方式。如孤网运行，及由大电网解列为小电网运行的突变负荷等特殊情况，均可保证机组稳定运行。12)具有故障锁锭的功能。由于数字阀只有通/断两个状态，且数字阀采用锥阀密封可以保证在31.5mpa下无泄漏，所以，数字阀又具有液压锁的功能，因此该系列调速器在测频信号消失及断电等情况下，具有故障锁锭的功能。13)无杠杆结构。该系列调速器采用了数字阀液压随动系统，自动时有电气返馈，手动无需反馈，因此取消了杠杆，消除了因为杠杆造成的死区，提高了调速系统的精度，而且无管路，结构简单，美观。14)友好的人机界面。采用触摸屏做为人机界面，画面美观逼真，全中文显示，操作方便，可以同时显示很多信息。15)维护简单调试方便。由于pcc的高度集成化和高可靠性，对于运行维护人员没有太高的特殊要求，调试只需设定有关数字，没有太多的电位器等可调元件。16)采用数字协联方式。桨叶随动系统准确度高。17)零扰动手/自动切换。由于自动运行时，电磁球阀每次动作后都处于失电状态；而切断电源即为手动运行。手动运行时，电子调节器跟踪接力器的实际开度。因此数字阀调速器实现了零扰动手/自动切换3．2主要功能zfst-100型数字阀pcc可编程智能调速器具有自动、电手动、手动三种操作方式，且可无条件无扰动切换。具有很多功能，实用性智能性很强，除常规功能外具有如下主要功能。1）空载运行时，能自动跟踪系统频率,实现快速并网。2）具有频率调节、开度调节、功率调节三种模式，并可实现调节模式间的无扰动切换。功率调节模式下，可接受上位机控制指令，实现发电自动控制功能(agc)。3）具有很强的自诊断、防错、纠错及容错功能，并可将有关故障信息显示在屏幕上，或发出报警信号。4）与上位机通讯的功能，接受上位机的控制命令，给上位机传送有关信息。5）开停机智能控制。6）具有参数记忆功能。当电源失电时，pcc可保存数据存储器的内容，使运行人员可以方便地修改有关参数并被记忆。7）具有水位调节功能。8）多级密码保护功能。持有密码级别的高低，决定了对系统行使权利的大小。运行人员只能观察到常规显示画面并进行常规操作，检修人员或管理人员可对调节参数等进行修改。9)采用交直流双重供电，当交流电源故障时，直流电源自动投入，直流电源故障时，保持当前开度不变。10)空载运行，当机频信号消失时，自动将开度保持在空载开度以下，以防过速。并网运行，当机频信号消失时，自动切换为网频测量回路，保持正常发电运行，同时发出机频故障信号。3.3调速器工作过程数字阀pcc智能调速器的结构框图如图1所示。调速器自动运行时，接收到开机令后，按照预先设定好的开机规律开机。当网频测量正常时，调速器自动选择频率调节模式，pcc按照机频与网频的差值进行pid运算，为实现快速并网作好准备；当网频测量故障时，自动切换为开度调节模式，pcc按照机频与频率给定的差值进行pid运算。pcc根据电气开度和实际开度的差值输出脉宽调制（pwm）信号，经功率放大后驱动电磁球阀，调节导叶开度，使机组自动运行于空载工况。并网后，如为并大电网运行，自动切换为开度调节模式。如为孤网运行，自动选择频率调节模式。通过上位机或触摸屏改变功率给定值，调节器经pi运算后，实现负荷调节。接到停机令后，调速器自动将机组关机，完成停机过程。4．现场试验结果现场进行了静态，动态试验，第一台调速器现场试验结果如下：1）转速死区：0.0152)空载扰动试验调速器自动运行，选择多组pid调节参数，选取频率摆动值和超调量较小，稳定快、调节次数少的一组调节参数，作为空载运行参数,即:bt=45，td=20，tn=0.5上扰：48.00hz至52.00hz，下扰：52.00hz至48.00hzpid调节参数上扰/下扰最高(低)值（hz）调节次数（次）调节时间（s）bt=45
td=20
tn=0.5
上扰
52.0318
下扰47.46173)空载频率摆动值将调速器切至自动位置，pid调节参数为上步试验优选出的空载运行参数，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，取平均摆动值。
最大值
最小值
fj（hz）50.03
49.98
fj（hz）
50.02
49.96
fj（hz）
50.04
49.99
自动空载频率摆动值：±0.064）甩25额定负荷，接力器不动时间为0.18s。5）甩100额定负荷，转速最大上升为额定转速的133.6，超过3额定转速的波峰次数为1次，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±0.5为止所经历的时间为27s。6）突变负荷试验突增，突减25额定负荷，非常迅速地稳定在新的工况，完全符合电站实际运行的要求。5．结束语试验结果表明，天津市科音自控设备有限公司生产的zfst-100型数字阀pcc可编程智能调速器的各项性能指标均优于国家标准“水轮机调速器与油压装置技术条件gb9652.1-1997”。第一台投入运行已有两年，第二台投入运行已有一年，实践表明，调速器未出现任何故障，运行人员操作简单，维护工作量很少，大大减轻了劳动强度，并减少了运行人员。该型调速器完全满足电站“无人值班”（少人值守）的要求。调速器的成功改造，给漾头水电站带来了非常可观的经济效益。参考文献[1]米建国．对常规数字pid调节器算法的改进．大电机技术，1998（4）[2]齐蓉．可编程计算机控制器原理及应用．西安：西北工业大学出版社，2002。
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