西门子6ES7518-4FP00-0AB0
PCC调速器的硬件配置
该水轮机调节器采用奥地利贝加莱公司的B&R 2003系列可编程计算机控制器CP474为硬件核心，配以电源系统、信号处理模块、人机界面、接力器位移传感器、步进电机驱动器、继电器操作回路，组成了性能优越、可靠性高、操作方便的水轮机调速器电气控制系统。PCC控制器的主要模块包括：CPU模块、高速脉冲量输入/输出模块、混合模块（开关量、模拟量输出/输入）等。所有元件装在一块垂直安装板上，安装、调试、检修都非常方便。其系统结构如图3.2-1所示。
该水轮机调速器主要构成自动-电手动双通道，可实现调速器的全部自动控制功能，当机组转速信号故障或PCC控制器故障时，可自动切换至纯机械手动控制，除自动控制外，还可通过电手动控制单元可以对导叶进行控制；自动-手动切换时均能实现自动跟踪导叶开度。（见图2.2-1电气系统结构框图）
图2.2-1 电气系统结构框图
2.2.1系统所用的主要PCC模块
该系统的PCC硬件系统结构包括：安装导轨、模块底板、CPU模块、各种I/O模块、通讯模块、液晶显示触摸屏HMI、其它附件等。
1）CPU模块CP474
CPU安装在底板的左端，模块上有RS232和CAN接口各一个，并有状态指示灯，同时还有4个旋入式模块的插槽，需要扩展时将旋入式模块插入到插槽中并用紧固螺丝固定。旋入式模块可以是模拟量或数字量模块，也可以是通讯扩展模块。
2）高速计数器模块DI135
数字量输入模块DI135是适用于2003系列PCC和PP41的旋入式模块。它可完成以下任务操作:TPU功能、高速数字量信号的计数、门测量、频率测量、事件计数、增量式编码器操作、µs级输入响应、带直接输出控制的本地计数器状态监控。
3）I/O组合混合模块CM211
通用的输入/输出模块，它具有：8路数字量输入、8路数字量输出、2路模拟量输入、2路模块量输出、特殊功能。
4）高速数字量输出模块DO135
DO135是4个通道输出模块，每个输出的操作类型可单独设定，以下为可能的操作类型： 输出通道的开/闭切换、脉冲宽度调制(PWM)、TPU操作。
2.2.2 电源系统
系统采用两套大功率的工业级开关电源，将厂用220V AC与220V DC供电电源变换成直流24V DC电源后作为水轮机调节器供电电源。大大提高了供电系统的可靠性。正常工作时一套电源做主用，另一套电源做热备用。任一路开关电源出故障，将自动瞬时无扰切换至正常的另一路，且不影响调速器正常工作。电压波动范围：220V AC±20%（50Hz单相）或220V DC（180-260V）。
2.2.3频率整形模块（PT信号）
两路机组电压互感器（PT）信号和一路电网PT信号直接输入电气柜内的频率整形模块，经信号隔离变压器送入整形电路，经滤波整形后处理成幅值24V，频率与机组实际频率相关的方波信号，送入PCC的高速脉冲输入模块DI135。PT信号幅值范围0.3V--180V，线性频率范围为10--100Hz。测频模块采用高质量、低功耗的大规模集成电路构成，并采用通道冗余结构确保了测频模块的高可靠性。
2.2.4 人机界面（HMI）
人机界面（Human Machine Interface）采用工业彩色液晶显示触摸屏。工业触摸屏配以彩色液晶显示器，采用RS232与PCC主控制器交换信息，信息量大，操作方便。通过HMI，用户可以在线显示、修改各种参数及显示故障信息。
2.2.5 步进电机丝杠位移传感器
采用直线式电位器，工作行程±7.5mm。
2.2.6 步进电机驱动器
该步进电机驱动器采用优异的设计和混合电路工艺，结构紧凑，噪音低； 采用变速驱动方式，控制**无振作，运行稳定。
2.2.7 继电器操作回路
为了指示手动/自动、紧急停机/复归等信号，完成手动/自动、紧急停机/复归等操作，及向电站监控系统发送相关接点信号，设置了DC24V继电器操作回路。
3. PCC调速器的软件结构
按照功能和优先级的不同，PCC调速器的软件被划分为测频程序、步进电机驱动程序、运算程序、主控程序、报警程序、通讯功能程序以及人机界面程序等程序模块。各程序块既相互独立又互相关联，在分时多任务操作系统平台上由主控程序统一调度来完成调节器的各项操作、控制、显示和报警功能。这种程序结构充分发挥了PCC分时多任务操作系统的优势并且使得调速器程序得到了优化。该系统的主控制程序流程如图4-1所示。
图3-1主控制程序流程图
4. 调速器各项功能的软件实现
4.1 频率测量与滤波
PCC内部拥有高达6M Hz的计数基准频率，因此它具有比普通PLC更高的测频精度。经信号处理模块整形后的机频、网频信号分别引入PCC的TPU通道1和2，利用时间测量功能块LTXcpiC和LTXcpiD分别测量机频和网频脉冲信号的相邻两个上升沿之间的时间，然后根据该功能块注释中提供的计算公式可计算出实测频率[4],即:
f = fe / DifCnt
fe 为PCC内部晶振频率（数值为6291667），DifCnt 为相邻两上升沿之间的计数值。
此外，为提高测频回路的抗干扰能力，我们在该程序模块里添加了具有滤波功能的程序段。该程序通过比较相邻两个波形的频差是否超出正常频差范围（差值可由用户设定）来判断并过滤干扰信号。频率测量及滤波(以机频为例)的部分程序段如下所示：
。。。。。。
Speed1 FUB LTXcpi1()
;alias call TPU FBK
Hz_real1=4000000.0/Speed0.DifCnt*Speed0.PCnt ;Calculate Hz
delta1 = Hz_real1 - 50.0
;Calculate the delta value
PT1=Speed0.PRest
。。。。。。
如程序所示，我们将实测的机频定义为临时机频（tempFj）而真正参与运算的机频被定义为实际机频（ActFj），二者的差值与频差上限（FilterFj_Diff）相比较之后，如在频差范围以内说明后面的波形是实际的机频信号，反之则说明遇到了干扰信号，这个波形应被过滤。
4.2 步进电机的驱动和控制
步进电机是高精度数字元件，它可以迅速且**定位，用它来控制调速器的执行机构是一个非常好的选择。此外步进电机可与丝杠位移传感器构成一个闭环系统，这样可以对因频繁工作而丢步的步进电机进行零位校正。
4.3运算程序
毫无疑问，数值运算是PCC调速器软件的核心部分。一个好的算法不但能够提高运算的速度和精度而且还能节省CPU资源。PCC操作系统在提供灵活多样的编程语言的同时也提供了强大的浮点运算功能。简单的逻辑处理仍然可以采用梯形图的方式，但语言的应用则改变了以往PLC编写运算程序相对比较困难的局面，以前需要许多句梯形图语句才能完成的复杂计算过程如今只需定义变量后输入公式即可。此外，一般普通的PLC只能进行整型变量运算，而PCC则可以进行浮点型变量运算，这使得运算精度得到大大提高。
以下是一段计算程序例子：
。。。。。。
Fe=(Fc-F_x)/50.0
d_Yp=Kp*(Fe-Fe_1x)
d_Yi=Ki*Ts*(Fe-bp*(Y_pid-Pc_1x))
d_Yd=(Kd*(Fe-2*Fe_1x+Fe_2x))/(T0+Ts)+((T0*d_Ydtem)/(T0+Ts))
Y_pid=(Y_tem+d_Yp+d_Yi)+d_Yd+Pc_1x-Pc_2x
。。。。。。
5 结束语
成都拜尔电力设备有限公司开发的基于可编程计算机控制器PCC技术的新型水轮机调速器采用奥地利贝加莱（B&R）公司的2003系列模块作为控制核心部件，具有可靠性高、响应速度快、运算功能强大、人机界面友好和调节品质高等优点，其各项静态、动态指标全部满足并且部分优于国标GB /T9652-1997中的相关技术要求，经过实际长期应用，表现出良好的稳定性，是行业技术的发展方向。
4.3张力调节模块设计
由于伺服控制系统不仅能控制速度，还能控制位置，与变频调速相比，伺服控制更**、可靠。所以本设计中张力调节控制采用的是伺服控制系统，其控制软件采用PCC的内置PID调节 。
4.3.1 PID控制系统框图
PID调节器由比例调节器(P)，积分调节器(I)和微分调节器(D)构成，图4.3所示为PID控制系统框图。
图4.3 PID控制系统框图
图中R为设定的期望值，Y为控制变量，S为实际输出值，e为控制偏差值(e=R-S)。
工作原理：直接采用PCC里面具备的PID指令编程模块，从模拟量输入通道获取指定的张力信号--->AD--->张力数字量--->进入PID模块，按照设定参数（比例系数、微分时间、积分时间等）通过PID计算---->调整后的张力值，将运算结果放到输出通道。通过公式转换计算出调整后的频率值。
4.3.2 PID控制算法
PID控制是根据给定值R(t)与实际输出值S(t)之间的偏差e(t)来进行控制的。将偏差的比例 (P)，积分(I)，和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制 。
PID控制算法的基本运算式如下：
将各变量用数字量表示，公式如下：
在张力控制中，综合考虑PCC的运算速度和伺服控制系统转速以及控制精度的要求，采样周期设为200ms。
式中SK为第K次伺服电机输出脉冲频率，控制伺服电机的速度。SK-1 为上一次脉冲输出频率值。
△ek为实际输出的脉冲数和应该要输出的脉冲数之差。
△ek= ek- ek-1为第K次采样所获得的偏差数。
△ek-1= ek-1- ek-2为第K-1次采样所获得的偏差数。
Kp,Ki,Kd分别为比例系数、积分系数、微分系数。
实际调试过程可对Kp,Ki,Kd进行调试，选定合理的值，保证偏差控制在合理的范围之内。
4.3.3 张力控制程序流程图
张力控制程序流程图如图4.4所示。
图4.4 张力控制程序流程图
首先张力传感器的值被传送到PCC的模拟输入通道，通过模拟量转换为数字量，之后可以**行张力预紧，使运行前各张力达到设定值的70%左右，以免全机启动后张力立即松掉。
全机启动后，伺服和变频控制系统由0开始加速运转，进行加速过程中张力的实时控制。在加速15s后系统进入匀速运转阶段，此时，加速张力控制关闭，开启匀速状态张力控制来实现匀速状态下张力的实时控制。在匀速状态改变设定值，就进入加速或减速状态，时间为5s。张力控制采用传统的PID控制。全机停止时，开启减速张力控制，直到机器停止。
5 结束语
本设计主要从控制系统工作原理、硬件结构及软件模块设计等方面探讨了磨毛整理机电控系统。采用PCC作为核心控制单元，将导布系统用伺服控制系统代替变频控制系统后，使磨毛机运行过程中各张力值更加稳定。实现了技术突破，大大提高了生产效率和系统稳定性。织物经磨毛机加工后，手感柔软滑爽，绒毛短匀，有的织物可达到观之无毛摸之柔爽的效果，极大的提高了织物的附加值。