PLC 調(diào)速器以其高可靠性在水電站得到了廣泛應(yīng)用[1 ,2 ] . 它用梯形圖編程,雖然簡單易用,但不靈活,難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律;通過A/ D、D/A 模塊控制步進(jìn)電機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)簡單,但卻成為提高調(diào)速器性能的瓶頸; PLC 內(nèi)部高速計數(shù)頻率偏低,用于大型機(jī)組的調(diào)速器為了提高測量精度通常自行設(shè)計測頻模塊[3 ] ,在我國調(diào)速器廠家現(xiàn)有設(shè)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(shí)用,但中低檔PLC 因資源有限、編程語言等原因難以實(shí)現(xiàn).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(gòu)成水輪機(jī)調(diào)速器,用類似于C 的高級語言開發(fā),實(shí)現(xiàn)高級控制算法;直接產(chǎn)生正反轉(zhuǎn)脈沖控制步進(jìn)電機(jī),徹底解決了性能瓶頸;直接用PLC 內(nèi)部高速計數(shù)器測頻,使測頻精度和可靠性都得到保證;通過實(shí)時多任務(wù)處理,率先在PLC 調(diào)速器中設(shè)計性能測試功能模塊.

1 　PCC 步進(jìn)式調(diào)速器硬件配置
1. 1 　PCC 的優(yōu)點(diǎn)
       PCC 的實(shí)質(zhì)是在PLC 中加入了某些工業(yè)控制機(jī)( Indust rial Personal Computer ,簡稱IPC) 的思想,是PLC 與IPC 及計算機(jī)集散控制系統(tǒng)相互融合的產(chǎn)物,具有智能分布式控制思想,有較強(qiáng)的分析運(yùn)算能力,具有基于標(biāo)準(zhǔn)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(shù)、ms 級觸發(fā)信號、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制等功能,因而可構(gòu)成高精度分布式控制系統(tǒng)和開放式現(xiàn)場總線系統(tǒng). 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(dú)立,又通過DPR 相互關(guān)聯(lián),使主CPU 資源得到合理利用,同時最大限度地提高了系統(tǒng)的處理速度. PCC 編程語言符合IEC6113122 規(guī)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(fù)雜算法編程的難度,程序可讀性強(qiáng)、編程效率高.
1. 2 　PCC 調(diào)速器方案
       本研究直接使用PCC 高速計數(shù)模塊,其最高計數(shù)頻率大于4 MHz ,完全滿足大型調(diào)速器測頻要求. 在步進(jìn)電機(jī)控制方面,擯棄通過D/ A 模塊控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的方法,而直接向步進(jìn)電機(jī)發(fā)正反轉(zhuǎn)脈沖,有效地減少了時延,提高了響應(yīng)速度,解決了普通步進(jìn)式調(diào)速器的性能瓶頸問題.高速計數(shù)和步進(jìn)電機(jī)控制均由高速處理模塊TPU 實(shí)現(xiàn)(見圖1) . 人2機(jī)對話的設(shè)計考慮了技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)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(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵參數(shù)動態(tài)曲線、調(diào)速器控制參數(shù)和實(shí)時故障信息;通過觸摸屏可修改相關(guān)運(yùn)行參數(shù)、檢索有關(guān)故障和操作記錄、率定傳感器等. 為了防止非授權(quán)修改,設(shè)置了多級密碼保護(hù).

圖1 　PCC 步進(jìn)式雙調(diào)節(jié)水輪機(jī)調(diào)速器硬件框圖

2 　PCC 調(diào)速器軟件開發(fā)
2. 1 　在高級語言環(huán)境下開發(fā)調(diào)速器軟件
      本研究用PL2000 編程. 貝加萊PCC 的較大應(yīng)用程序存儲空間和數(shù)據(jù)空間使得系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)分析計算能力和較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力.
2. 2 　調(diào)速器調(diào)節(jié)控制任務(wù)分級
      貝加萊PCC 采用多任務(wù)分時操作系統(tǒng),因此,將整個調(diào)速器程序分成數(shù)個具有不同優(yōu)先權(quán)的任務(wù)等級. 測頻單元、步進(jìn)電機(jī)控制單元、模擬量測量單元作為最高優(yōu)先級;容錯處理單元、智能控制策略單元等作為次高優(yōu)先級;而性能測量和指標(biāo)計算單元作為低優(yōu)先級. 優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)等級具有較短的掃描周期,而每一個任務(wù)等級包括多個具體任務(wù),這些任務(wù)又細(xì)分優(yōu)先權(quán). 優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)總是先被執(zhí)行,剩余的時間里執(zhí)行優(yōu)先權(quán)較低的任務(wù)等級. 這樣整個控制系統(tǒng)得到了優(yōu)化,充分利用了有限的機(jī)器資源,既保證了實(shí)時性要求高的關(guān)鍵任務(wù)得到及時處理,又實(shí)現(xiàn)了多任務(wù).
2. 3 　性能測試功能模塊
     調(diào)速器承擔(dān)機(jī)組的啟動、并網(wǎng)、負(fù)荷和頻率調(diào)整、關(guān)機(jī)及工況轉(zhuǎn)換等任務(wù),機(jī)組安全和電能質(zhì)量與其息息相關(guān). 通常調(diào)速器檢修后或出廠前根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)或IEC 標(biāo)準(zhǔn)用專用儀器進(jìn)行性能測試和參數(shù)整定[4 ] ,所需測試儀器多. 隨著計算機(jī)性價比的提高,某些基于IPC 的(抽水蓄能) 調(diào)速器嵌入了性能測試子系統(tǒng)[5 ] . 但PLC 調(diào)速器因資源有限,無法效仿. 本研究通過多任務(wù)分時處理,首次在PLC 調(diào)速器中實(shí)現(xiàn)靜態(tài)特性測試、空載擺動測試、空擾試驗(yàn)、甩負(fù)荷試驗(yàn)、不動時間測試等項(xiàng)目,既進(jìn)一步提升了PLC 調(diào)速器的性能,又免去了攜帶儀器的麻煩,而且減輕了勞動強(qiáng)度.

顧宏進(jìn)、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(jǐn)致謝意.
參考文獻(xiàn)
[1 ] 劉昌玉,魏守平. 一種高可靠PLC 水輪機(jī)調(diào)速器. 水電能源科學(xué),1995 ,13 (2) : 83～87
[2 ] 劉文斌,杜　波,胡燕花. 水輪機(jī)調(diào)速器的運(yùn)行與技術(shù)改造. 水力發(fā)電,1999 , (9) : 58～60
[3 ] 陳啟卷,王學(xué)武. 水輪機(jī)PLC 調(diào)速器數(shù)字測頻的研究. 大電機(jī)技術(shù),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(diào)速器內(nèi)嵌式測試子系統(tǒng)研究. 華中科技大學(xué)學(xué)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(xué)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(xué)學(xué)報》第29 卷第4 期