PLC 調速器以其高可靠性在水電站得到了廣泛應用[1 ,2 ] . 它用梯形圖編程,雖然簡單易用,但不靈活,難以實現復雜控制規律;通過A/ D、D/A 模塊控制步進電機的方式實現簡單,但卻成為提高調速器性能的瓶頸; PLC 內部高速計數頻率偏低,用于大型機組的調速器為了提高測量精度通常自行設計測頻模塊[3 ] ,在我國調速器廠家現有設備和條件下,難以保證自制模塊的高可靠性;嵌入式性能測試功能已被證明極為實用,但中低檔PLC 因資源有限、編程語言等原因難以實現.為了解決上述問題,提出用一種新型的可編程控制器PCC( Programmable Computer Cont roller) 構成水輪機調速器,用類似于C 的高級語言開發,實現高級控制算法;直接產生正反轉脈沖控制步進電機,徹底解決了性能瓶頸;直接用PLC 內部高速計數器測頻,使測頻精度和可靠性都得到保證;通過實時多任務處理,率先在PLC 調速器中設計性能測試功能模塊.

1 　PCC 步進式調速器硬件配置
1. 1 　PCC 的優點
       PCC 的實質是在PLC 中加入了某些工業控制機( Indust rial Personal Computer ,簡稱IPC) 的思想,是PLC 與IPC 及計算機集散控制系統相互融合的產物,具有智能分布式控制思想,有較強的分析運算能力,具有基于標準化的開放性和兼容性,通用性好. 除了具有所有PLC 的功能外,還具有高速計數、ms 級觸發信號、伺服電機、步進電機控制等功能,因而可構成高精度分布式控制系統和開放式現場總線系統. PCC 可靠性高, 其MTBF 超過5 ×105 h.貝加萊PCC 的CPU 模塊包含三個處理器:I/ O 處理器、雙向口控制器(DPR2Cont roller ) 和CPU 處理器. 它們既彼此獨立,又通過DPR 相互關聯,使主CPU 資源得到合理利用,同時最大限度地提高了系統的處理速度. PCC 編程語言符合IEC6113122 規定,除了可以用梯形圖LAD 和指令表STL 編程外, 還可以用PL2000 編程.PL2000 是類似于C 的、公式化的編程語言,但比C 簡潔得多,其易用性不亞于梯形圖編程方法. 這種高級語言的引入,大大地減小了對復雜算法編程的難度,程序可讀性強、編程效率高.
1. 2 　PCC 調速器方案
       本研究直接使用PCC 高速計數模塊,其最高計數頻率大于4 MHz ,完全滿足大型調速器測頻要求. 在步進電機控制方面,擯棄通過D/ A 模塊控制步進電機旋轉速度的方法,而直接向步進電機發正反轉脈沖,有效地減少了時延,提高了響應速度,解決了普通步進式調速器的性能瓶頸問題.高速計數和步進電機控制均由高速處理模塊TPU 實現(見圖1) . 人2機對話的設計考慮了技術發展的現狀及趨勢. PCC 容易與具有觸摸屏的LCD 相連,從而以可視化全中文界面顯示機組運行狀態、關鍵參數動態曲線、調速器控制參數和實時故障信息;通過觸摸屏可修改相關運行參數、檢索有關故障和操作記錄、率定傳感器等. 為了防止非授權修改,設置了多級密碼保護.

圖1 　PCC 步進式雙調節水輪機調速器硬件框圖

2 　PCC 調速器軟件開發
2. 1 　在高級語言環境下開發調速器軟件
      本研究用PL2000 編程. 貝加萊PCC 的較大應用程序存儲空間和數據空間使得系統具有較高的系統分析計算能力和較強的數據處理能力.
2. 2 　調速器調節控制任務分級
      貝加萊PCC 采用多任務分時操作系統,因此,將整個調速器程序分成數個具有不同優先權的任務等級. 測頻單元、步進電機控制單元、模擬量測量單元作為最高優先級;容錯處理單元、智能控制策略單元等作為次高優先級;而性能測量和指標計算單元作為低優先級. 優先權高的任務等級具有較短的掃描周期,而每一個任務等級包括多個具體任務,這些任務又細分優先權. 優先權高的任務總是先被執行,剩余的時間里執行優先權較低的任務等級. 這樣整個控制系統得到了優化,充分利用了有限的機器資源,既保證了實時性要求高的關鍵任務得到及時處理,又實現了多任務.
2. 3 　性能測試功能模塊
     調速器承擔機組的啟動、并網、負荷和頻率調整、關機及工況轉換等任務,機組安全和電能質量與其息息相關. 通常調速器檢修后或出廠前根據國家標準或IEC 標準用專用儀器進行性能測試和參數整定[4 ] ,所需測試儀器多. 隨著計算機性價比的提高,某些基于IPC 的(抽水蓄能) 調速器嵌入了性能測試子系統[5 ] . 但PLC 調速器因資源有限,無法效仿. 本研究通過多任務分時處理,首次在PLC 調速器中實現靜態特性測試、空載擺動測試、空擾試驗、甩負荷試驗、不動時間測試等項目,既進一步提升了PLC 調速器的性能,又免去了攜帶儀器的麻煩,而且減輕了勞動強度.

顧宏進、劉文斌、邵祖武、曹永紅、周志軍、李青茂參加了研究工作,在此謹致謝意.
參考文獻
[1 ] 劉昌玉,魏守平. 一種高可靠PLC 水輪機調速器. 水電能源科學,1995 ,13 (2) : 83～87
[2 ] 劉文斌,杜　波,胡燕花. 水輪機調速器的運行與技術改造. 水力發電,1999 , (9) : 58～60
[3 ] 陳啟卷,王學武. 水輪機PLC 調速器數字測頻的研究. 大電機技術,1994 ,117 (4) : 49～51
[4 ] Corsi S , Pozzi M , Tagliabue G. A New Real2Time Digital Simulator of the Turbine Alternator Grid System( STAR) for Control Apparatus Closed Loop Tests.IEEE Trans. on Energy Conv. , 1998 , 13 (3) : 282～291
[5 ] 劉昌玉,葉魯卿,馬勁松等. 抽水蓄能調速器內嵌式測試子系統研究. 華中科技大學學報, 2001 , 29 (1) :51～52

Programmable Computer Controller Based
Stepping Motor Driven Governor for Water Turbines
Liu Changyu 　Fu Weisheng 　Li Zhaohui 　Xiong Wuhua
Abstract : A Programmable Computer Cont roller based stepping motor driven governor for Kaplan turbinesis proposed. The governor generates directly pulses to cont rol the rotation of the stepping motors , measuresf requencies of the unit and network with it s internal high speed counting pulses. The performance testing function is integrated into a PLC based governor at the first time. It s software is developed by a high level language , instead of Ladder Diagram. It features high reliability of a PLC , programming flexibility of C language , and short real time of IPC.
Key words : water turbine governor ; f requency measurement ; stepping motor ; embedded performance test-ing ; PLC; programmable computer cont roller
Liu Changyu 　Assoc. Prof . ; Dept . of Hydropower & Auto. Eng. , HUST , Wuhan 430074 , China.
作者簡介: 劉昌玉(1962) ,男,副教授;武漢華中科技大學水利水電及自動化工程系(430074) .
2001 年4月刊登在《華中科技大學學報》第29 卷第4 期