摘要:提出了一種計算機硬件平臺,作為可編程計算機控制器(簡稱PCC)的水輪機調(diào)速器和同步電機勵磁裝置。PCC不僅具有可編程序控制器(簡稱PLC)的高可靠性,同時還具備PC機的大容量和高速性,特別是它具有多任務(wù)分時操作系統(tǒng)的特點。用PCC研發(fā)調(diào)速器和勵磁,可靠性高,各項性能指標(biāo)達到或優(yōu)于國標(biāo)和部標(biāo)要求?？梢灶A(yù)見,PCC水輪機調(diào)速器和PCC勵磁裝置在機組輔機行業(yè)中具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。
關(guān) 鍵 詞:PCC；水輪機調(diào)速器；同步發(fā)電機勵磁；測頻的精度與實時性；移相觸發(fā)
由于可編程序控制器具有設(shè)計環(huán)境是工業(yè)現(xiàn)場,設(shè)計對象是工業(yè)控制,設(shè)計原則是高度可靠,并且其硬件和軟件具有易學(xué)易懂等特點,特別是它的高度可靠性,使得PLC在水電站控制領(lǐng)域越來越受到用戶的歡迎;在PLC被推廣應(yīng)用的同時,工業(yè)PC機(簡稱IPC)由于其特有的大容量和高速性倍受工控用戶的青睞。武漢長江控制設(shè)備研究所(簡稱長控所) 研制的PCC調(diào)速器和PCC勵磁裝置是充分考慮了PLC和IPC兩種機型的優(yōu)點,充分發(fā)揮可編程計算機控制器的技術(shù)特點而研制的一代新型機組輔機控制設(shè)備。
1 PCC的特點
可編程計算機控制器是一種全新的控制概念,它集成了PLC的標(biāo)準(zhǔn)控制功能和工業(yè)計算機的分時多任務(wù)操作系統(tǒng)等功能,除具備PLC的高可靠性外,還具有PC機的高速性和大容量等特點。
PCC最大的特點在于它具有類似于大型計算機的分時多任務(wù)操作系統(tǒng),與常規(guī)PLC采用的單任務(wù)時鐘掃描方式有所不同。PCC采用分時多任務(wù)機制構(gòu)筑其應(yīng)用軟件的運行平臺,這樣應(yīng)用程序的運行周期由操作系統(tǒng)的循環(huán)周期來決定,而與程序的長短無關(guān)。由此,它將應(yīng)用程序的掃描周期同真正外部的控制周期區(qū)別開來,滿足了實時控制的要求,而且這種控制周期可以在CPU運算能力允許的前提下,按照用戶的實際要求任意修改。
基于這樣的操作系統(tǒng),PCC的應(yīng)用程序由多任務(wù)模塊構(gòu)成,這樣給項目應(yīng)用軟件的開發(fā)帶來了很大的便利。因為這樣可以方便地按控制項目中各部分不同的功能要求,如數(shù)據(jù)采集、報警、PID調(diào)節(jié)運算、通信控制等,分別編制出控制程序模塊(任務(wù)) ,這些模塊既相互獨立運行,而數(shù)據(jù)間又保持一定的相互關(guān)聯(lián),這些模塊經(jīng)過分步驟的獨立編制和調(diào)試完成之后,可同時下載至PCC的CPU中,在多任務(wù)操作系統(tǒng)的調(diào)度管理下并行運行,共同實現(xiàn)項目的控制要求。
此外,PCC還具有多樣化的應(yīng)用軟件設(shè)計風(fēng)格。除采用常用的梯形圖編程外,PCC還可以采用高級語言編寫復(fù)雜的程序。
PCC在遠程通信方面提供了靈活多樣的解決方案。系統(tǒng)除全面支持ETHERNET、PROFIbus 和CANbus 等標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場總線協(xié)議外,還為用戶提供了創(chuàng)建自定義協(xié)議的串行通訊幀驅(qū)動器(FRAME DRIVE) 工具,由于具備這樣的技術(shù)優(yōu)勢,PCC常常能解決許多常規(guī)PLC無法實現(xiàn)的通信難題,輕松實現(xiàn)了各種不同產(chǎn)品、不同通信協(xié)議之間的互聯(lián)。
PCC在工業(yè)控制中的強大功能優(yōu)勢,使它在越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域中,正日益顯示出不可低估的發(fā)展?jié)摿Α?br> PCC還有如下具體技術(shù)特性:
(1) 具有比常規(guī)PLC更高的可靠性。平均無故障時間達50萬h ,即57a。
(2) 公用PCC全系列軟件開發(fā)工具Automation Studio。利用該軟件可實現(xiàn)顯示、控制、驅(qū)動和通訊等任務(wù)的配置和編程,開發(fā)手段十分方便。不象PLC 與IPC 工控產(chǎn)品,操作界面與調(diào)節(jié)控制需用不同的開發(fā)軟件。
(3) PCC多數(shù)為32位CPU ,具有高速的智能處理器TPU,TPU功能可使系統(tǒng)響應(yīng)時間達到微秒的范圍,而CPU不需作任何加載。
(4) 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)著世界工控領(lǐng)域的發(fā)展方向。
2 PCC 水輪機調(diào)速器
2. 1 調(diào)節(jié)器構(gòu)成
PCC調(diào)速器由于其硬件本身的可靠性很高,一般采用單機結(jié)構(gòu),應(yīng)用戶的特別要求也可以提供雙機。調(diào)節(jié)器由PP41控制機、4 路模擬量輸入模塊AI354、2 路模擬量輸出模塊AO352、10路開關(guān)量輸入模塊DI138、用于與監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊的RS232接口模塊IF311或RS485/RS422接口模塊IF321 組成。值得一提的是,PP41內(nèi)部還提供兩個備用模塊擴展槽,以便擴展功能,提供10路開關(guān)量輸入接口X2 ,8 路晶體管輸出接口X3。此外,PP41本體提供一個PC機開發(fā)PCC程序用的RS232接口和一個遠距離網(wǎng)絡(luò)通訊用的CAN現(xiàn)場總線接口(見圖1) 。
圖1 PCC 調(diào)速器調(diào)節(jié)器構(gòu)成
2. 2 測頻問題
測頻環(huán)節(jié)是水輪機調(diào)速器最重要的前置環(huán)節(jié),是調(diào)節(jié)器的計算基礎(chǔ),一旦出錯或故障,自動調(diào)速器就會崩潰。因此,無論是什么類型的調(diào)速器,測頻問題是大家最關(guān)心且最動腦筋的。為了提高測頻可靠性,PLC調(diào)速器廢棄了用單片機或其它數(shù)字電路的傳統(tǒng)測頻方法,而在PLC本體測量上花了很多心思,為了提高PLC本體測頻的精度和實時性,引入了靜態(tài)測頻值和動態(tài)測頻值的概念；IPC調(diào)速器的測頻,有的仍然采用單片機測量,通過串口或總線并口送給IPC,也有的采用IPC系統(tǒng)的高速計數(shù)器模板在IPC的CPU中通過相應(yīng)的操作系統(tǒng)(開發(fā)環(huán)境) 來求取,IPC調(diào)速器的測頻可能會因為單片機的可靠性問題帶來不可靠,也可能會因為操作系統(tǒng)的病毒感染、重新啟動或死機問題帶來不可靠。
PCC調(diào)速器的測頻環(huán)節(jié)是一個硬件和軟件都簡單易行的過程,具有如下特點:
(1) 測頻通道多。PP41本體的X2開關(guān)量輸入接口中有10路DI輸入,其中前4個通道具有TPU功能,用來處理測頻。它可以同時測量4 路頻率,即機組頻率3 路和電網(wǎng)頻率1 路。包括機組殘壓測頻主通道1 路,機組殘壓測頻備用通道1 路,機組齒盤測頻通道1 路,電網(wǎng)殘壓測頻通道1 路。
(2) 測頻過程簡單。相對于PLC測頻和IPC測頻,PCC測頻的軟件部分顯得更加簡單且具有規(guī)范化。對應(yīng)于4 路專用測頻通道,PCC有專用的測頻語句。更重要的一點是,PP41中攜帶有測頻程序的專用功能塊。使用者只需要將頻率的數(shù)字方波信號接入測頻通道端口,然后按照規(guī)范稍作軟件上的通道設(shè)置,通過調(diào)用測頻功能塊和運行測頻程序,就可以獲得頻率的數(shù)值。
這種測頻方法對使用者沒有很高的要求,而且簡單、容易操作。
(3) 測頻精度高、實時性強、可靠性高。水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的速動性和穩(wěn)定性,要求頻率測量有較高的精度和較強的實時性。
PCC調(diào)速器的測頻時鐘為6.3 MHz,而一般的單片機或IPC測頻時鐘為1～4 MHz ,因此PCC調(diào)速器較其它類型的調(diào)速器有更高的測頻精度。
PCC調(diào)速器的殘壓測頻硬件接口回路中,只有正弦波的隔離和方波整形環(huán)節(jié),不需要分頻,因為PCC測頻環(huán)節(jié)測量的是方波的上升沿和上升沿之間的時間,不存在傳統(tǒng)的計算機測頻采用測量脈沖寬度的方法,由于正弦波信號的不對稱性,必須進行分頻才能保證測量精確,因此,PCC測頻比傳統(tǒng)的計算機測頻實時性提高了1 倍。PCC的齒盤測頻接口回路中,為了保證和傳統(tǒng)的計算機測頻一樣的精度(假設(shè)時鐘相等) ,分頻的次數(shù)縮小1倍,即實時性也提高了1倍。
PCC調(diào)速器測頻的可靠性從以下3方面得以體現(xiàn): ①殘壓測頻不需要分頻,方波形成回路簡單可靠; ②6.3 MHz 的計數(shù)時鐘為PCC內(nèi)部時鐘,不需要外部制作硬件回路,時鐘回路可靠;③提供殘壓2 路、齒盤1 路共3 路機頻測量回路,軟硬件冗余,互為熱備用,充分保證測頻的可靠性。
2. 3 試驗及現(xiàn)場運行
PCC水輪機調(diào)速器已成功投產(chǎn)和投運于廣東的英德波羅水電站、福建的黃塘甲水電站等10多臺機組。調(diào)速器的整機特性與電機轉(zhuǎn)換器的選擇、電液隨動系統(tǒng)構(gòu)成有著密切的聯(lián)系,就同類系統(tǒng)方案將PCC調(diào)速器與PLC調(diào)速器作過對比,前者的整機可靠性至少等同于后者,前者的靜態(tài)動態(tài)性能指標(biāo)明顯優(yōu)于后者。
3 PCC同步發(fā)電機勵磁
3. 1 調(diào)節(jié)器構(gòu)成
PCC勵磁調(diào)節(jié)器一般采用單機結(jié)構(gòu),應(yīng)用戶的特別要求也可以提供雙機。當(dāng)采用單機時,提供一個80C196微機手動調(diào)節(jié)通道。調(diào)節(jié)器硬件配置如下:由PP41控制機、一個4 路模擬量輸入模塊AI354、一個10 路開關(guān)量輸入模塊DI138、兩個4 通道數(shù)字量輸出模塊DO135、一個用于與監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊的RS232接口模塊IF311或RS485PRS422接口模塊IF321組成。而且PP41內(nèi)部還提供了10 路開關(guān)量輸入接口X2 ,8 路晶體管輸出接口X3。此外,PP41本體提供一個PC機開發(fā)PCC程序用的RS232接口和一個遠距離網(wǎng)絡(luò)通訊用的CAN 現(xiàn)場總線接口。
從PCC勵磁調(diào)節(jié)器的構(gòu)成可以看出,其硬件配置與PCC調(diào)速器相近,只是將調(diào)速器的AO352模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊換成勵磁的DO135用于移相觸發(fā)的數(shù)字量輸出模塊；風(fēng)格相同,都采用PP41控制器系統(tǒng),系統(tǒng)調(diào)節(jié)用編程軟件和人機界面用組態(tài)軟件一樣采用一體化系統(tǒng)軟件；相同的工作平臺,方便與計算機監(jiān)控的接口和通訊組網(wǎng),更便于用戶成套選擇機組的輔機產(chǎn)品。
3. 2 軟件移相的實現(xiàn)
在微機勵磁的發(fā)展過程中,為了提高調(diào)節(jié)器的可靠性,人們嘗試著開發(fā)PLC勵磁。目前可編程勵磁裝置大多數(shù)是采用PLC來實現(xiàn)勵磁操作、數(shù)字給定、PID調(diào)節(jié),但移相觸發(fā)等對CPU速度要求很高,實時性要求更強的功能就沒法利用PLC本體完成了。作為勵磁調(diào)節(jié)器的最后結(jié)果,移相觸發(fā)是PLC 的最大難點,幾乎不可能實現(xiàn)。目前PLC勵磁最常用的是將PLC的調(diào)節(jié)輸出用外部的模擬電路(如TC787 或線性集成電路) 轉(zhuǎn)換成觸發(fā)脈沖。
移相觸發(fā)是勵磁調(diào)節(jié)器中最核心的部分,對于移相觸發(fā)功能的實現(xiàn), PCC相對于PLC而言具有無可比擬的優(yōu)勢。利用PCC的TPU功能能夠簡單、可靠地實現(xiàn)移相觸發(fā)。觸發(fā)角是頻率的函數(shù),且與同步點有關(guān),我們在高速任務(wù)中作頻率測量,確定同步信號點,然后就可以得到觸發(fā)角。
由于頻率的測量、同步信號的確定,觸發(fā)脈沖的實現(xiàn)都是在高速任務(wù)中實現(xiàn),這樣就保證了調(diào)節(jié)過程的實時性,而且PP41的晶振為6.3 M,足以保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。PCC的內(nèi)部軟件觸發(fā)功能取代常用的PLC外部模擬電路觸發(fā),減少了自制外部回路,提高了系統(tǒng)的可靠性,有利于系統(tǒng)的維護。
3. 3 試驗及現(xiàn)場運行
長控所的PCC同步發(fā)電機勵磁目前已成功投運于云南的挖窖河、四川的交腳河等水電站的10 多臺機組。目前同步發(fā)電機勵磁以自并激勵磁方式為主,PCC勵磁以自并勵產(chǎn)品進行了試驗,可靠性明顯高于普通微機勵磁,靜態(tài)、動態(tài)性能明顯優(yōu)于PLC勵磁。
4 PCC調(diào)速器與勵磁調(diào)節(jié)器的特點
PP41自身帶有控制器和顯示操作面板,因此PCC調(diào)節(jié)器電柜和PCC勵磁的調(diào)節(jié)器顯得結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省空間,圖文豐富、功能完善,且具有很好的性價比。
PP41的顯示面板上帶有14.5 cm 的LCD顯示區(qū),包括數(shù)字鍵在內(nèi)的多種功能按鍵以及指示燈,結(jié)合軟件可以完成切換畫面、設(shè)置密碼、修改參數(shù)、顯示工況、數(shù)據(jù)列表、輔助試驗等多種功能。非常人性化的工作平臺,充分體現(xiàn)以人為本的設(shè)計理念。
(1) 可以設(shè)置多級密碼。持有密碼的級別越高,對系統(tǒng)行使的權(quán)力就越大。在本調(diào)速器產(chǎn)品中,只用到了二級密碼。在不輸入密碼的情況下,操作者只能觀察到一幅畫面(初始畫面)中的數(shù)據(jù);當(dāng)輸入一級密碼后,操作者可以通過切換按鍵觀察到各個畫面的數(shù)據(jù);當(dāng)輸入二級密碼后,操作者除可以觀察各個畫面之外,還可以通過數(shù)字鍵修改調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)。
(2) 功能模塊有很好通用性。如AO352為兩路模擬量輸出模塊,可通過模塊開關(guān)設(shè)置為0～10V 電壓輸出或4～20mA電流輸出,電壓或電流輸出無需更換硬件模塊。
(3) 對時變測量數(shù)據(jù)有繪圖打印處理功能。通過上位機,PP41除能夠在線監(jiān)測、顯示各參數(shù)外,還可以描繪各時變數(shù)據(jù)的曲線并通過打印機打印出曲線和圖形來。
(4) 屏幕保護功能。通過軟件設(shè)置,顯示面板在無人操作的情況下保持一定的點亮?xí)r間后會自動變成黑色背景,以保護屏幕,延長壽命。敲擊PP41上任一按鍵,顯示面板可以恢復(fù)點亮狀態(tài)。
(5) FLASH數(shù)據(jù)保存。存貯介質(zhì)既不是常用的小空間存貯器,也不是容易磨損、怕振動的磁盤,而是采用先進的FLASH存貯技術(shù)。程序保存在FLASH ROM中,永遠不會消失,修改的整定參數(shù)放在FLASH RAM中,掉電可以保持(鋰電池) 。
(6) 故障指示和報警。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時,PP41會根據(jù)不同類型的故障,以不同的速度閃爍相應(yīng)的指示燈,以提示操作人員注意并處理。當(dāng)系統(tǒng)級故障時,故障報警接點吸合,告之上位機監(jiān)控系統(tǒng)。
(7) 編程語言高級化。調(diào)節(jié)器的編程語言為類似如C 語言的貝加萊自動化公司Automation Basic 語言,程序簡單、可讀性強,易掌握。
(8) 輔助試驗功能。通過操作面板上的功能鍵和顯示屏,可以很方便地完成空載擺動和靜態(tài)特性測試等輔助試驗功能。
(9) 可靠、豐富、高精度、高實時性的測頻功能與精確、及時的軟件移相觸發(fā)脈沖功能(前面已闡述) 。
(10) 改善和提高調(diào)速器與勵磁系統(tǒng)的性能指標(biāo)。
PCC可以將整個調(diào)節(jié)控制分成數(shù)個具有不同優(yōu)先權(quán)的任務(wù)等級(TASKCLASS) 。不同的任務(wù)等級,優(yōu)先權(quán)越高,其掃描周期越短;優(yōu)先權(quán)越低,其掃描周期越長。充分利用PCC的多任務(wù)分時操作系統(tǒng)資源,將主循環(huán)和一般性的判斷處理程序放在普通任務(wù)層;將導(dǎo)葉開度、水頭、有功、無功采樣等放在普通高速任務(wù)層;定子電壓、轉(zhuǎn)子電流、PID運算、D/A、位控輸出等實時性要求更高的程序放在最高級別的高速任務(wù)層;將測頻和軟件移相觸發(fā)等利用PCC本體所特有的TPU功能和TPU功能模塊來實現(xiàn),從而改善和提高整個調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。
5 結(jié)束語
近10年來我國在水輪機微機調(diào)速器和勵磁裝置的研究十分活躍,也積累了豐富的經(jīng)驗?，F(xiàn)在市場上比較暢銷的產(chǎn)品主要是PLC調(diào)速器和IPC調(diào)速器,它們在某些方面確實代表著水輪機調(diào)速器和勵磁調(diào)節(jié)器的方向,符合水電廠無人值班、少人值守和綜合自動化的要求,且深得用戶的歡迎。PCC調(diào)速器和勵磁調(diào)節(jié)器就是在綜合以上兩種機型優(yōu)點而開發(fā)的一種新型產(chǎn)品。
作為調(diào)速器產(chǎn)品,具有測頻回路多、信號源可選,測頻軟硬件能冗余、容錯,測頻回路簡單可靠,測頻精度高、實時性強,豐富的串口、網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線接口,方便用戶操作和管理的操作口令,非常人性化的人機界面,輔助試驗和試驗過程曲線的記錄與打印等。這些優(yōu)越的硬件特性和豐富的軟件功能使得PCC水輪機調(diào)速器有著非常廣闊的市場空間。
可編程計算機控制器用于勵磁調(diào)節(jié)器的開發(fā)具有精確、及時的軟件移相觸發(fā)脈沖功能,更進一步提高了勵磁裝置的可靠性,同時保證了調(diào)節(jié)品質(zhì)和性能指標(biāo)優(yōu)良。
作者: 潘熙和（男,長江水利委員會長江科學(xué)院控制設(shè)備研究所副所長兼總工程師,教授級高級工程師）1 齊耀華2 嚴(yán)國強1 雷玉波1
1. 長江水利委員會長江科學(xué)院,湖北武漢430010 2. 南水北調(diào)中線水源有限責(zé)任公司,湖北丹江口市442700
