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分時操作系統的特點。用PCC研發調速器和勵磁,可靠性高,各項性能指標達到或優于國標和部標要求。可以預見,PCC水輪機調速器和PCC勵磁裝置在機組輔機行業中具有廣闊的推廣應用前景。
關 鍵 詞:PCC；水輪機調速器；同步發電機勵磁；測頻的精度與實時性；移相觸發
由于可編程序控制器具有設計環境是工業現場,設計對象是工業控制,設計原則是高度可靠,并且其硬件和軟件具有易學易懂等特點,特別是它的高度可靠性,使得PLC在水電站控制領域越來越受到用戶的歡迎;在PLC被推廣應用的同時,工業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。武漢長江控制設備研究所(簡稱長控所) 研制的PCC調速器和PCC勵磁裝置是充分考慮了PLC和IPC兩種機型的優點,充分發揮可編程計算機控制器的技術特點而研制的一代新型機組輔機控制設備。
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的標準控制功能和工業計算機的分時多任務操作系統等功能,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操作系統,與常規PLC采用的單任務時鐘掃描方式有所不同。PCC采用分時多任務機制構筑其應用軟件的運行平臺,這樣應用程序的運行周期由操作系統的循環周期來決定,而與程序的長短無關。由此,它將應用程序的掃描周期同真正外部的控制周期區別開來,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,PCC的應用程序由多任務模塊構成,這樣給項目應用軟件的開發帶來了很大的便利。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,如數據采集、報警、PID調節運算、通信控制等,分別編制出控制程序模塊(任務) ,這些模塊既相互獨立運行,而數據間又保持一定的相互關聯,這些模塊經過分步驟的獨立編制和調試完成之后,可同時下載至PCC的CPU中,在多任務操作系統的調度管理下并行運行,共同實現項目的控制要求。
此外,PCC還具有多樣化的應用軟件設計風格。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。系統除全面支持ETHERNET、PROFIbus 和CANbus 等標準網絡或現場總線協議外,還為用戶提供了創建自定義協議的串行通訊幀驅動器(FRAME DRIVE) 工具,由于具備這樣的技術優勢,PCC常常能解決許多常規PLC無法實現的通信難題,輕松實現了各種不同產品、不同通信協議之間的互聯。
PCC在工業控制中的強大功能優勢,使它在越來越多的應用領域中,正日益顯示出不可低估的發展潛力。
PCC還有如下具體技術特性:
(1) 具有比常規PLC更高的可靠性。平均無故障時間達50萬h ,即57a。
(2) 公用PCC全系列軟件開發工具Automation Studio。利用該軟件可實現顯示、控制、驅動和通訊等任務的配置和編程,開發手段十分方便。不象PLC 與IPC 工控產品,操作界面與調節控制需用不同的開發軟件。
(3) PCC多數為32位CPU ,具有高速的智能處理器TPU,TPU功能可使系統響應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場總線全面支持技術,體現著世界工控領域的發展方向。
2 PCC 水輪機調速器
2. 1 調節器構成
PCC調速器由于其硬件本身的可靠性很高,一般采用單機結構,應用戶的特別要求也可以提供雙機。調節器由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路開關量輸入模塊DI138、用于與監控系統進行通訊的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PCC程序用的RS232接口和一個遠距離網絡通訊用的CAN現場總線接口(見圖1) 。
圖1 PCC 調速器調節器構成
2. 2 測頻問題
測頻環節是水輪機調速器最重要的前置環節,是調節器的計算基礎,一旦出錯或故障,自動調速器就會崩潰。因此,無論是什么類型的調速器,測頻問題是大家最關心且最動腦筋的。為了提高測頻可靠性,PLC調速器廢棄了用單片機或其它數字電路的傳統測頻方法,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,引入了靜態測頻值和動態測頻值的概念；IPC調速器的測頻,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系統的高速計數器模板在IPC的CPU中通過相應的操作系統(開發環境) 來求取,IPC調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的病毒感染、重新啟動或死機問題帶來不可靠。
PCC調速器的測頻環節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范化。對應于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字方波信號接入測頻通道端口,然后按照規范稍作軟件上的通道設置,通過調用測頻功能塊和運行測頻程序,就可以獲得頻率的數值。
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。水輪機調節系統的速動性和穩定性,要求頻率測量有較高的精度和較強的實時性。
PCC調速器的測頻時鐘為6.3 MHz,而一般的單片機或IPC測頻時鐘為1～4 MHz ,因此PCC調速器較其它類型的調速器有更高的測頻精度。
PCC調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節,不需要分頻,因為PCC測頻環節測量的是方波的上升沿和上升沿之間的時間,不存在傳統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,為了保證和傳統的計算機測頻一樣的精度(假設時鐘相等) ,分頻的次數縮小1倍,即實時性也提高了1倍。
PCC調速器測頻的可靠性從以下3方面得以體現: ①殘壓測頻不需要分頻,方波形成回路簡單可靠; ②6.3 MHz 的計數時鐘為PCC內部時鐘,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 試驗及現場運行
PCC水輪機調速器已成功投產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。調速器的整機特性與電機轉換器的選擇、電液隨動系統構成有著密切的聯系,就同類系統方案將PCC調速器與PLC調速器作過對比,前者的整機可靠性至少等同于后者,前者的靜態動態性能指標明顯優于后者。
3 PCC同步發電機勵磁
3. 1 調節器構成
PCC勵磁調節器一般采用單機結構,應用戶的特別要求也可以提供雙機。當采用單機時,提供一個80C196微機手動調節通道。調節器硬件配置如下:由PP41控制機、一個4 路模擬量輸入模塊AI354、一個10 路開關量輸入模塊DI138、兩個4 通道數字量輸出模塊DO135、一個用于與監控系統進行通訊的RS232接口模塊IF311或RS485PRS422接口模塊IF321組成。而且PP41內部還提供了10 路開關量輸入接口X2 ,8 路晶體管輸出接口X3。此外,PP41本體提供一個PC機開發PCC程序用的RS232接口和一個遠距離網絡通訊用的CAN 現場總線接口。
從PCC勵磁調節器的構成可以看出,其硬件配置與PCC調速器相近,只是將調速器的AO352模數轉換模塊換成勵磁的DO135用于移相觸發的數字量輸出模塊；風格相同,都采用PP41控制器系統,系統調節用編程軟件和人機界面用組態軟件一樣采用一體化系統軟件；相同的工作平臺,方便與計算機監控的接口和通訊組網,更便于用戶成套選擇機組的輔機產品。
3. 2 軟件移相的實現
在微機勵磁的發展過程中,為了提高調節器的可靠性,人們嘗試著開發PLC勵磁。目前可編程勵磁裝置大多數是采用PLC來實現勵磁操作、數字給定、PID調節,但移相觸發等對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。作為勵磁調節器的最后結果,移相觸發是PLC 的最大難點,幾乎不可能實現。目前PLC勵磁最常用的是將PLC的調節輸出用外部的模擬電路(如TC787 或線性集成電路) 轉換成觸發脈沖。
移相觸發是勵磁調節器中最核心的部分,對于移相觸發功能的實現, PCC相對于PLC而言具有無可比擬的優勢。利用PCC的TPU功能能夠簡單、可靠地實現移相觸發。觸發角是頻率的函數,且與同步點有關,我們在高速任務中作頻率測量,確定同步信號點,然后就可以得到觸發角。
由于頻率的測量、同步信號的確定,觸發脈沖的實現都是在高速任務中實現,這樣就保證了調節過程的實時性,而且PP41的晶振為6.3 M,足以保證系統的調節精度。PCC的內部軟件觸發功能取代常用的PLC外部模擬電路觸發,減少了自制外部回路,提高了系統的可靠性,有利于系統的維護。
3. 3 試驗及現場運行
長控所的PCC同步發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。目前同步發電機勵磁以自并激勵磁方式為主,PCC勵磁以自并勵產品進行了試驗,可靠性明顯高于普通微機勵磁,靜態、動態性能明顯優于PLC勵磁。
4 PCC調速器與勵磁調節器的特點
PP41自身帶有控制器和顯示操作面板,因此PCC調節器電柜和PCC勵磁的調節器顯得結構簡單、節省空間,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,包括數字鍵在內的多種功能按鍵以及指示燈,結合軟件可以完成切換畫面、設置密碼、修改參數、顯示工況、數據列表、輔助試驗等多種功能。非常人性化的工作平臺,充分體現以人為本的設計理念。
(1) 可以設置多級密碼。持有密碼的級別越高,對系統行使的權力就越大。在本調速器產品中,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)中的數據;當輸入一級密碼后,操作者可以通過切換按鍵觀察到各個畫面的數據;當輸入二級密碼后,操作者除可以觀察各個畫面之外,還可以通過數字鍵修改調節系統參數。
(2) 功能模塊有很好通用性。如AO352為兩路模擬量輸出模塊,可通過模塊開關設置為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) 對時變測量數據有繪圖打印處理功能。通過上位機,PP41除能夠在線監測、顯示各參數外,還可以描繪各時變數據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。通過軟件設置,顯示面板在無人操作的情況下保持一定的點亮時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,顯示面板可以恢復點亮狀態。
(5) FLASH數據保存。存貯介質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。程序保存在FLASH ROM中,永遠不會消失,修改的整定參數放在FLASH RAM中,掉電可以保持(鋰電池) 。
(6) 故障指示和報警。當系統發生故障時,PP41會根據不同類型的故障,以不同的速度閃爍相應的指示燈,以提示操作人員注意并處理。當系統級故障時,故障報警接點吸合,告之上位機監控系統。
(7) 編程語言高級化。調節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脈沖功能(前面已闡述) 。
(10) 改善和提高調速器與勵磁系統的性能指標。
PCC可以將整個調節控制分成數個具有不同優先權的任務等級(TASKCLASS) 。不同的任務等級,優先權越高,其掃描周期越短;優先權越低,其掃描周期越長。充分利用PCC的多任務分時操作系統資源,將主循環和一般性的判斷處理程序放在普通任務層;將導葉開度、水頭、有功、無功采樣等放在普通高速任務層;定子電壓、轉子電流、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層;將測頻和軟件移相觸發等利用PCC本體所特有的TPU功能和TPU功能模塊來實現,從而改善和提高整個調節系統的性能指標。
5 結束語
近10年來我國在水輪機微機調速器和勵磁裝置的研究十分活躍,也積累了豐富的經驗。現在市場上比較暢銷的產品主要是PLC調速器和IPC調速器,它們在某些方面確實代表著水輪機調速器和勵磁調節器的方向,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調速器和勵磁調節器就是在綜合以上兩種機型優點而開發的一種新型產品。
作為調速器產品,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、網絡和現場總線接口,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。這些優越的硬件特性和豐富的軟件功能使得PCC水輪機調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節器的開發具有精確、及時的軟件移相觸發脈沖功能,更進一步提高了勵磁裝置的可靠性,同時保證了調節品質和性能指標優良。
作者: 潘熙和（男,長江水利委員會長江科學院控制設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 嚴國強1 雷玉波1
1. 長江水利委員會長江科學院,湖北武漢430010 2. 南水北調中線水源有限責任公司,湖北丹江口市442700