水轮机调速器培训教材.doc

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1、水轮机调速器培训教材XX市科音自控设备有限公司前 言根椐近几年来，天津市科音自控设备有限公司举办调速器培训班的经验，及一些电站的实际调试经验，我们编写了新版的调速器培训教材，为使本教材达到深入浅出的效果，参考了一些理论书籍，使本教材真正达到理论联系实际。教材涵盖了天津市科音自控设备有限公司的大部分产品，及当前市场上其它有代表性的产品，具有一定的实用价值。2001年5月，天津市科音自控设备有限公司研制的步进式PCC可编程智能调速器已成功应用于龙羊峡水电站，对小水电的两台YWT-600型微机调速器进行了改造。在此基础上研制了数字阀PCC可编程智能调速器，该项目是国家科技部创新基金项目（项目编号：0

2、4C26211201022）。该产品已在多个水电站成功投运，并被世界经理人周刊经济日报.名牌时报等媒体评为2005年中国500最佳新产品之一。教材以创新基金项目“数字阀PCC智能调速器”为重点，介绍了调速器的构成、工作原理、操作和调整方法，同时介绍了步进式PMC微控制器调速器的相关内容，调速器的静态和动态特性，微机调速器的工作状态，调速器的试验方法和现场参数选择方法，以及油压装置的工作原理等。希望通过培训使学员能够掌握调速器的基本原理，能够正确使用调速器，对调速器进行必要的日常维护。避免由于操作和维护不当而造成调速器故障。在编写过程中得到了天津市科音自控设备有限公司研发部部长钱军辉，工程师：张

3、伟朋、丛燕、黄炎彬的大力支持，在此表示衷心感谢。不当和遗漏之处，恳请大家不吝指正。编者2006年 10月于天津市科音自控设备有限公司目 录目 录I第一章 概 述11.1水轮机调速器的任务：11.2水轮机调速器的种类：11.3调速器的型号说明11.4水轮机调节系统的特点11.5调速器一览表2第二章水轮机调节系统的静态和动态特性32.1 水轮机调节系统静态特性32.1.1永态转差系数32.1.2转速死区ix42.1.3人工频率死区Ef(ef)和人工开度/功率死区Ey/p42.2 微机调速器动态特性5第三章 微机调速器的工作状态73.1 停机等待(TJDD)状态73.2 开机(KJ)过程73.3 空

4、载(KZ)状态83.4 负载(FZ)状态83.5 甩负荷(SFH)过程83.6 调相(TX)状态83.7 停机(TJ)过程9第四章 数字阀PCC智能调速器的特点及构成104.1 主要特点104.2 主要功能114.3 调速器的构成114.4 工作过程12第五章 数字阀PCC智能调速器的电气工作原理145.1 可编程计算机控制器(PCC)145.1.1 中央处理器(CPU)145.1.2 数字量输入模块(DI)155.1.3 数字量输出模块(DO)165.1.4 模拟量输入模块(AI)165.1.5 模拟量输出模块(AO)175.1.6 数字量混合模块和模拟量混合模块175.2 YZFT系列数字

5、阀PCC智能调速器（中小型）电气原理图175.3 ZFST系列数字阀PCC智能调速器（大型）电气工作原理175.3.1 PCC的配置175.3.2 导叶接力器反馈回路205.3.3 桨叶接力器反馈回路205.3.4 测频电路205.3.5 桨叶电磁阀驱动回路205.3.6 导叶电磁阀驱动回路215.3.7 电源215.3.8 人机界面21第六章 数字阀PCC智能调速器的操作方法226.1触摸屏使用方法226.1.1 操作显示画面226.1.2 参数设置画面226.1.3 功能选择画面236.1.4 故障诊断画面236.1.5 试验画面236.1.6 帮助画面236.2 开机的操作方法236.2

6、.1 开机前的准备236.2.2手动开机246.2.3电手动开机246.2.4自动开机246.3 并网246.3.1 跟踪网频246.3.2 停止跟踪网频246.3.3 并网运行256.4 正常停机256.4.1手动停机256.4.2电手动停机256.4.3自动停机256.5 紧急停机与复归256.6 手、自动转换256.6.1自动切至手动256.6.2 手动切至自动25第七章 数字阀PCC智能调速器的静态调整267.1调速器二次接线后的检查工作267.2导叶接力器的位置调整267.3桨叶接力器的位置调整（仅双调有此项）277.4转速表调整27第八章 YWBT系列步进式PMC微控制器调速器28

7、8.1主要特点288.2 步进式PMC调速器的构成及工作过程288.3调节器工作原理298.3.1微控制器的结构298.3.2A/D 转换器318.3.3电源监视器318.3.4 开关量输入通道328.3.5人机界面328.3.6 步进电机控制回路328.3.7 接力器反馈回路338.3.8测频电路338.3.9电源348.3.10操作回路及指示电路348.4 调速系统工作过程348.5 操作方法348.5.1 开机348.5.2 并网348.5.3 正常停机358.5.4 紧急停机358.5.5 复归358.5.6 手自动切换358.6 调试步骤358.6.1 全开、全关位置调整358.6.

8、2 转速表调整35第九章 YWFT系列数字阀PMC微控制器调速器369.1 主要特点369.2 数字阀PMC调速器的构成及工作过程369.3 调节器工作原理379.3.1 电气原理图379.3.2 脉宽调制（PWM）输出379.4 人机界面的操作方法399.4.1 参数的具体含义399.4.2 参数的修改方法39第十章 步进电机式调速器机械液压系统构成及工作原理4210.1步进电机式电液转换器4210.1.1中、小型步进电机式电液转换器4210.1.2大型步进电机式电液转换器4410.2主配压阀4510.2.1 中小型主配压阀4510.2.2大型主配压阀46第十一章 数字阀调速器机械液压系统构

9、成及工作原理4711.1 二通插装阀4711.1.1 二通插装阀的基本结构与原理4711.1.2 主阀单元4811.2电磁球阀（图11-7）5211.3位移变送器5311.4数字阀调速器5311.4.1小型数字阀调速器5311.4.2大、中型数字阀调速器机械液压工作原理5511.4.3双调节数字阀调速器5711.4.4冲击式数字阀调速器5911.5分段关闭阀6111.6事故配压阀61第十二章 油压装置工作原理6212.1油泵6212.1.1齿轮泵6212.1.2螺杆泵6212.2组合阀6212.2.1结构原理6212.2.2调整安全阀6412.2.3调整卸荷阀6412.2.4卸载阀检查6412

10、.2.5单向阀检查6412.3空气逆止阀（图12-2）6512.4自动补气阀（图12-3）6612.5磁翻板液位计6712.6油混水信号器6712.7自动补气装置6812.8空气过滤器69第十三章 调速器的试验7013.1静态特性试验7013.2动态试验7013.2.1手动方式空载试验7013.2.2自动方式空载试验7013.2.3自动开机试验7013.2.4手/自动切换试验7013.2.5正常自动停机试验7013.2.6紧急停机试验7013.2.7甩负荷试验7013.2.8带负荷连续72小时运行试验70第十四章 调速器现场参数选择方法7114.1 PID参数选取原则7114.2 PCC调速器

11、现场参数选择方法7114.3 PMC调速器现场参数选择方法7114.4 调节参数bt Td Tn与Kp Ki Kd的关系71第一章 概 述1.1水轮机调速器的任务：水轮机调速器的基本任务是不断地调节水轮发电机组的输出功率，维持机组的转速（频率）在额定转速（频率）的规定范围内。它是水轮发电机组的重要辅助设备，它与电站二次回路或计算机监控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务。1.2水轮机调速器的种类：水轮机调速器是由实现水轮机调节及相应控制的机构和指示仪表等组成的一个或几个装置的总称，它是水轮机控制设备的主体。可分为机械液压调速器、电气液压调速器和微机调速器等几种。

12、按照调节对象可分为单调节型、双调节型、冲击式专用调节器。单调节型调速器适用于混流式、轴流定浆、贯流定浆式水轮机。双调节型调速器适用于轴流转浆式、贯流转浆式水轮机。冲击式专用调速器适用于单喷嘴、两喷嘴、四喷嘴等多喷嘴冲击式水轮机。ZWPBFCY(S) T1.3调速器的型号说明功能符号油压等级：2.5 (省略)，4.0,6.3,16.0 MPa对于中小型：调速功（K gm）对于大型：主控制油管或主配直径（mm）对于冲击式：控制油管直径/喷嘴数量调速器双调节型（仅双调有此项）B步进电机式伺服装置F数字阀随动系统C冲击式ZPCC可编程智能调节器WPMC微控制器调节器或广义微机PPLC逻辑控制调节器调速

13、器自带油压装置（大型无此项）1.4水轮机调节系统的特点水轮机调节系统是一个自动调节系统，它除了具有一般闭环控制系统的共性外，还有如下特点： 水轮机调节需要很大的动力。 水轮机过水管道存在着水流惯性。 水轮发电机组存在着机械惯性。 水轮机调节系统是一个复杂的、非线性系统1.5调速器一览表天津市科音自控设备有限公司开发生产的常规调速器如表1-1所示，另外还有冲击式调速器和高油压调速器。表1-1 常规调速器一览表调节器随动系统型号PCC可编程智能调节器步进式小型YZBT-300/600/1000中型YZBT-1800/3000/5000/7500大型单调ZBT-50/80/100/150/200/2

14、50大型双调ZBST-50/80/100/150/200/250数字阀小型YZFT-300/600/1000中型YZFT-1800/3000/5000/7500大型单调ZFT-50/80/100/150/200/250大型双调ZFST-50/80/100/150/200/250PMC微控制器调节器步进式小型YWBT-300/600/1000中型YWBT-1800/3000/5000/7500数字阀小型YWFT-300/600/1000中型YWFT-1800/3000/5000/7500第二章水轮机调节系统的静态和动态特性水轮机调节系统在工作过程中，有两种工作状态：静态（稳态）和动态（暂态）。调

15、节系统的静态又称为稳定状态，是指机组在恒定负荷、给定信号和水头下运行，水轮机调节系统的所有变量都处于平衡状态的运行状态。当调速系统受到负荷、水头等扰动作用，或给定信号变化时，调节系统出现相应的运动，经过一段时间后，在新的条件下进入了新的稳定状态。从原稳定状态到新稳定状态的运动过程就称为水轮机调节系统的动态。在实际运行中，水轮机调节系统的稳定状态是相对的、暂时的，其动态则是绝对的、长期的。2.1 水轮机调节系统静态特性当给定信号恒定时，水轮机调节系统处于平衡状态，被控参量偏差相对值与接力器行程相对值的关系如图2-1所示。图2-1 水轮机调节系统静态特性图2-1中：机组频率的相对值； 机组频率(H

16、z);额定频率=50Hz; 机组转速的相对值；机组转速(r/min)； 机组额定转速(r/min)；发电机极对数； 接力器行程相对值；接力器行程(m)； 接力器最大行程(m)。2.1.1永态转差系数（1） 永态转差系数bp在图2-1所示水轮机调节系统静态特性曲线上，取某一规定点（例如，图示中的A点），过该点作一切线，其切线斜率的负数就是该点的永态差值系数： （2-1）对于图2-1所示的静态特性曲线，其对应的值为50bpHz（当额定频率为fr=50Hz时）。（2） 最大行程的永态差值系数bs在图2-1所示水轮机调节系统静态特性曲线上，在规定的给定信号下，得出接力器在全关(y=0)和全开(y=1.

17、0)位置的被控参量（频率、转速）的相对量之差，这个差值即为bs。显然，对于一条曲形线的静态特性线，选取不同的A点，会得到不同的bp值。但是，实践证明，对选择了合适接力器位移变送器的水轮机微机调速器来说，其静态特性十分接近于一条直线。因此，在这种情况下，取bs作为bp。2.1.2转速死区ix给定信号恒定时，被控参量的变化不起任何调节作用的两个值间的最大区间，称为死区，当被控参量为转速时，即为转速死区ix。其在静态特性图上的表述如图2-2所示。图2-2 转速死区ix2.1.3人工频率死区Ef(ef)和人工开度/功率死区Ey/p前面的分析讨论都是在人工频率死区Ef和人工开度/功率死区Ey/p均为零的

18、条件下进行的。这里将分析Ef不等于零时微机调节器的静态特性。图2-3表示了这种情况下微机调节器的静态特性，图中曲线表示出了Ef=0的对照曲线。fc、fg和Ef均以赫兹为单位 。 人工频率死区的Ef0的静态特性为图中的A-B-G-D折线，AB和GD段直线的斜率由永态系数bp确定，BG段是垂直横轴的线段，其中点对应于频率给定fc。 记BG线段的横坐标为y*，则图中各特征频率值如下： （2-2）图2-3 Ef起作用时微机调节器的静态特性2.2 微机调速器动态特性采用PID调节器的调速器动态特性如图2-4所示，若永态差值系数bp为零，则得到PID调节器输出yPID对其输入频差f的传递函数为： (2-3

19、) (2-4)式中：YPID(S)YPID的拉普拉斯变换；F(S)f的拉普拉斯变换。式中：等式右端的负号表示正的频差信号对应于负的接力器开度偏差；T1v微分环节时间常数Kp比例增益，它是bp=0和KD=0的水轮机调节系统的接力器行程相对偏差y与阶跃被控参量相对偏差x之比的负数；KI积分增益(s-1)，它是bp=0的水轮机调节系统的接力器速度dy/dt与给定被控参数相对偏差之比的负数，即 ；KD微分增益(s)，它是bp=0、Kp=0的水轮机调节系统的接力器行程相对偏差y与给定的被控参量相对变化率dx/dt之比的负数，即 。PID调节器对频率阶跃变化输入x的响应，如图2-4所示。直线段EB是积分的

20、作用，延长EB与纵轴y交于D点，与横轴交于A点，微分衰减段BF延长交于C点。 比例作用体现在图2-4所示的OD段所代表的值：OD=Kpx=Yp OD在数值上等于比例系数Kp与频率阶跃变化值x的乘积，记为比例分量Yp。 微分作用。图2-4所示曲线OFB是由于微分作用引起的分量，其最大值为CD线段的长度，它代表了微分作用的峰值。 式中：YDM微分作用的最大输出值。 积分作用。在图2-4所示积分作用直线段EB上截取线段HG，使其纵坐标差值HI在数值上等于频率阶跃变化值，即y=x，则横坐标差值 图2-4 PID调节器的阶跃输入响应特性第三章 微机调速器的工作状态根据水轮机微机调速器对水轮发电机组的调节

21、与控制情况，可将水轮机微机调速器的工作分成几个状态停机等待(TJDD)、开机(KJ)、空载(KZ)、负载(FZ)、调相(TX)、甩负荷(SFH)和停机(TJ)。3.1 停机等待(TJDD)状态在这种状态下，水轮机微机调速器控制水轮发电机组在停机状态，当接收到电站二次回路或机组LCU的开机指令后，即转至开机(KJ)过程。这时水轮机微机调速器的内部状态为：电气开度限制(L)为零值（全关），导叶接力器Yga=0（全关）；对于双调整（转桨式或贯流式机组）调速器，桨叶接力器开至启动开度值，Yru=Yru0；在此状态下，水轮机微机调速器不调用PID调节子程序；实时读入水头H、机组功率Pg、接力器行程等信息

22、；人机交互界面（数字显示、发光二极管显示、模拟指示仪表、触摸屏、按钮、开关等）均在正常工作状态。3.2 开机(KJ)过程调速器在停机等待(TJDD)状态，在无关机指令的情况下，一接收到开机指令，即进入开机(KJ)过程。图3-1所示为现在广泛采用的开机规律特性。图3-1 微机调速器的开机特性 设在t=0时接收到开机指令，则桨叶接力器（对于双调整调速器）由启动开度Yru0按设定速度关闭到全关位置(Yru=0)； 导叶接力器开度Yga和电气开度限制L均同步开启至第一开机开度YKJ1（图中A点）；导叶接力器开度Yga=YKJ1，并维持不动，经过一段延时tA-B，至B点（这时被控水轮发电机组的频率可以被

23、可靠地测量），开始测量机组频率。一般取延时区段tA-B=515s。设机组频率在图中C点已连续12s大于45Hz，则将电气开度限制L由YKJ1关至YKJ2，调速器投入PID调节，接力器在其控制下稳定于空载开度Y0，开机过程结束，并转入空载(KZ)状态。在开机过程中，如果开机(KJ)过程中接收到停机指令，调速器将转入停机(TJ)过程，最后进入停机等待(TJDD)状态：3.3 空载(KZ)状态空载状态可由下列状态或过程转换而来： 开机(KJ)过程，机组频率大于45HZ； 甩负荷(SFH)过程，电气开度限制L减少至YKJ2； 调相(TX)状态，发电机出口油开关（以下简称为油开关）断开。空载状态可转换成

24、下列状态或过程： 油开关合，转入负载(FZ)状态； 接收到停机指令，转入停机(TJ)过程。空载(KZ)状态下，微机调速器的工作情况： PID投入工作、机组频率跟踪网频或停止跟踪； 电气开度限制L=YKJ2，但可手动增加或减少。3.4 负载(FZ)状态负载状态可由下列状态转换而来： 空载(KZ)状态，油开关合上； 调相(TX)状态，调相指令解除。负载状态可转换成下列状态或过程： 油开关断开，转至甩负荷(SFH)过程； 接收到调相指令，转至调相(TX)状态； 接收到停机指令，转至停机(TJ)过程。负载(FZ)状态下，微机调速器的工作情况： PID投入工作，可以在频率调节、开度调节或功率调节模式下运

25、行； 由空载(KZ)转来时，电气开度限制L立即增大至全开或运行水头下的最大值LM，可手动增加或减少。3.5 甩负荷(SFH)过程甩负荷状态是在负载(FZ)状态下，油开关断开时转换来的。进入本状态后，首先使电气开度限制L等于导叶接力器开度Yga值，再以一定速度使L减小，当L=YKJ2时，转至空载(KZ)状态。甩负荷过程中，若接收到停机指令，则转至停机(TJ)过程。甩负荷过程中，PID投入工作、在频率调节模式下运行。3.6 调相(TX)状态机组在负载(FZ)状态下工作，接收到调相指令时，转至调相状态工作。调相指令解除时，导叶接力器将开启至空载开度Y0，转至负载(FZ)状态；接收到停机指令后，先转入

26、负载(FZ)状态，再进入停机(TJ)过程。机组在调相状态下，电气开度限制L=0、开度给定Yc=0，且不能进行人工调整；PID投入工作、在频率调节模式下运行。3.7 停机(TJ)过程机组在各有关状态或过程、接收到停机指令，均转至停机过程。当电气开度限制L和导叶接力器开度Yga均关闭至零值（全关）时，转至停机等待(TJDD)状态。在停机过程中，PID投入工作、在频率调节模式下运行。一般的停机特性如图3-2所示。图3-2 微机调节器的停机特性 导叶接力器开度Yga的关闭过程以两段关闭折线关闭至零值（全关），其拐点B可由程序设定，程序也可以方便地整定AB段和BC段的关闭速度； 在导叶接力器按ABC折线

27、运动时，桨叶接力器开度Yru按协联曲线规律朝关闭方向运动；当导叶接力器关闭至全关位置时，调速器进入停机等待(TJDD)状态，桨叶接力器开启至启动开度Yru0。微机调速器各状态或过程的转换关系如图3-3所示。图3-3 微机调速器工作状态转换图第四章 数字阀PCC智能调速器的特点及构成4.1 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，采用高级语言编程，分析运算能力强，在同一CPU中能同时运行不同程序。(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，

28、即57年。远远高于常规PLC的平均无故障时间30万小时。(3)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4

29、 MHz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：512KB EEPRO

30、M，100KB SRAM，系统内存：512KB EEPROM，远大于常规 PLC 10KB左右的内存。(10) 采用电磁球阀作为电液转换元件。彻底解决了常规调速器电液转换元件油污发卡的问题，滤油精度仅需100m，使电站可以实现完全可靠的自动运行。(11)自动识别电网的性质，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。(

31、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，而且无明管路，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)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

32、实现了零扰动手/自动切换。(17)灵活性和适应性强。触摸屏上设有特殊功能选择画面，可根据电站的具体情况选择所需功能。(18)桨叶随动系统准确度高。对于ZFST系列调速器，采用数字协联方式，且可现场修改协联曲线并记忆修改后的数据，以便根据电站的实际条件按最优曲线运行. 4.2 主要功能ZFT/ZFST系列数字阀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。功率调节模式为可

33、选项，如需要定货时应注明，在此模式下，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。此项为可选项，如需要定货时应注明。(5)开停机智能控制。(6)具有参数记忆功能。当电源消失时，PCC可保存数据存储器的内容，且无需电池保存，免去定期更换电池的烦恼。使运行人员可以方便地修改有关参数并被PCC记忆。(7)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

34、人员可对调节参数等进行修改。(8) 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。(9) 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。(10)具有水位调节功能。此项为可选项，如需要定货时应注明。(11)可根据电站的具体情况在触摸屏上选择所需功能。4.3 调速器的构成常规配置采用机电合柜形式，亦可按照用户的要求采用机电分柜形式。结构布置简洁合理，人性化设计，便于检修，便于操作。ZFST系列调速器面板上装有：触摸屏、导叶开度表、桨叶开度表、

35、转速表、直流电源指示灯、交流电源指示灯、锁锭投入指示灯、锁锭拔出指示灯、急停按钮、复归按钮、手/自动旋钮、导叶电动开/关旋钮、桨叶电动开/关旋钮。其结构框图如图4-1所示。图4-1 ZFST系列数字阀PCC智能调速器结构框图该系列调速器由调节器、电液随动系统、油压装置构成。调节器主要由电源、可编程计算机控制器（PCC）、人机界面（触模屏）等组成。PCC包括：CPU模块、高速DI模块、脉冲输出模块、A/D转换模块、开关量输入/输出模块及机架等。人机界面采用进口触模屏，承担显示、监控、报警等功能。人机界面非常友好，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。触摸屏上设有显示、操作、参

36、数设置、模式、报警、帮助等画面。具有多级密码保护功能。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。电液随动系统主要是执行机构，它将直接影响调速器的性能和可靠性。数字阀调速器以标准液压元件即电磁球阀为先导阀，代替传统的电液转换器，以标准液压元件即二通插装阀为放大元件代替传统的主配压阀。其工作特点是以电磁球阀的通、断控制插装阀，插装阀的通、断来控制接力器。电磁球阀的工作状态只有通、断两个状态，也即相当于数字电路的高电平、低电平两个状态（即1、0），故将其称为数字阀，由此构成的调速器称为数字阀调速器。插装阀的

37、密封形式为锥阀，因此插装阀又具有液压锁的功能，插装阀在31.5MPa油压下零泄漏。电磁球阀失电后接力器零漂移，具有故障锁定的功能。所以该系列调速器具有充分理由去掉了机械反馈。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，因此该系列调速器实现了真正意义上的无杠杆，无明管路；机械部分结构上采用集成块的形式，可应用于31.5MPa的高油压系统；电磁球阀及插装阀对液压油的洁净度要求很低，抗卡阻能力极强；零部件互换性好，更换零部件时，无需调整；整体结构简单，运行维护方便，可靠性高。4.4 工作过程调速器自动运行时的工作过程如下：u 接收到开机令后，按照预先设定好的开机规律开机

38、。u 如调节模式为自动，当网频测量正常时，调速器自动选择跟踪网频模式， 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，自动切换为停止跟踪网频模式，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，电磁球阀作为先导阀控制二通插装阀，经液压放大后控制接力器调节导叶开度，使机组自动运行于空载工况。并网后，如并大电网运行，自动选择功率调节模式或开度调节模式，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或开度给定值，调节器经PI运算后，实现负荷调节。u 如调节

39、模式为手动，则调节模式可人为切换。u 接到停机令后，调速器自动将机组关机，完成停机过程。第五章 数字阀PCC智能调速器的电气工作原理5.1 可编程计算机控制器(PCC)为了满足自动化的新的需求，B&R向传统的PLC观念告别，为自动化技术提供新的选择。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

40、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。可编程计算机控制器（PCC）是由奥地利B&R工业自动化公司制造的当今世界上最先进的控制器。PCC是集计算机技术、通讯技术、自动控制技术（简称3C技术）为一体的新型工业控制装置。从广义上来说，PCC也是一种计算机控制系统，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。所以PCC与计算机控制系统的组成十分相似，也具有中央处理器(CPU)、输入/输出(I/O)接口、电源等，如图5-1所示。PCC的组

41、成以微型计算机控制系统常用的总线结构形式表示，如图5-2所示。图5-1 可编程计算机控制器的基本组成5.1.1 中央处理器(CPU)与一般的计算机控制系统一样，CPU是整个PCC系统的核心，它按PCC中系统程序赋予的功能，指挥PCC有条不紊地进行工作。其主要任务有：控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输入状态表或数据存储器中；诊断电源、PCC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PCC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑运算或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志的状态和输出

42、寄存器表的内容，再经由输出部件实现输出控制、制表打印或数据通讯等功能。B&R2003有多种CPU模块，如CP430、CP474、CP476等等。图5-2 可编程计算机控制器的单总线结构框图5.1.2 数字量输入模块(DI)与数字量输入端相连的输入设备可以是各种开关，例如转换开关、按钮、限位开关、接近开关、继电器触点或拨码盘等，它们所连接的电源可以是交流的，也可以是直流的。数字量输入模块用来把二进制过程信号转换到PCC所需要的内部信号号数字量输入的状态由指示灯LED指示。数字量输入模块可以分为直流输入模块和交流输入模块。 输入滤波。所有输入都有一个输入滤波电路，输入延迟由相关技术参数给出，小于输

43、入延迟的干扰脉冲都被滤掉，如图5-3所示。 漏式/源式连接。B&R2003系列的多数24V DC输入模块能够连接成漏式或源式，每一个模块的输入多数以四个为一组进行电气连接，每组可以连接成不同的方式。对于漏式连接，每组的输入公共端连接在“地”上，而输入端连接在24V DC开关传感器上。对于源式连接，每组的输入公共端连接在24V DC上，而输入端连接在接地开关传感器上。图5-3 输入滤波输入电路图如图5-4所示。图5-4 输入电路图5.1.3 数字量输出模块(DO)数字量输出模块应用于驱动外部负载（继电器、马达、电磁阀）。数字量输出的状态由指示灯LED指示。数字量输出模块按输出类型可分为继电器型、

44、晶体管型、可控硅型。晶体管输出模块带有过载保护和内部保护电路，用来保护瞬间过载或极性接反及在没有外部反向二极管时，带有负电压的感性负载可能的快速切换。继电器和可控硅输出模块有外部过载保护（熔断器）。晶体管输出模块输出电路如图5-5所示 。5.1.4 模拟量输入模块(AI)在工业生产过程中，除了有大量的通/断信号以外，还有大量的连续变化的信号，例如温度、压力、流量、位移等等。通常先用各种传感器将这些连续变化的物理量变换成电压或电流信号，（一般来说，PCC的模拟量输入电压范围为15V或-1010V，电流范围为420mA或-2020mA。）然后再将这些信号连接到适当的模拟量输入模块的接线端子上，经过模块内的模数转换，最后将数据传入PCC内。图5-5 晶体管输出电路图5.1.5 模拟量输出模块(AO)在工业生产过程中，有些现场设备需要用模拟量电压或电流作为给定信号或驱动信号。例如，直流调速装置和交流变频调速装置的给定信号就需要一个模拟电压或电流信号。这就必须把PCC输出的数字量变换成模拟量，才能满足这些现场设备的需求。模拟量输出模块就具有这样的功能。5.1.6 数字量混合模块和模拟量混合模块数字量混合模块是数字量输入和输出模块的混合。数字量输入或输出状态由LED指示。模块编号为DMxxx。模拟量混合模块包括模拟量输入