贝加莱 PCC 步进式水轮机调速器

        PLC 调速器以其高可靠性在水电站得到了广泛应用[1 ,2 ] . 它用梯形图编程,虽然简单易用,但不灵活,难以实现复杂控制规律;通过A/ D、D/A 模块控制步进电机的方式实现简单,但却成为提高调速器性能的瓶颈; PLC 内部高速计数频率偏低,用于大型机组的调速器为了提高测量精度通常自行设计测频模块[3 ] ,在我国调速器厂家现有设备和条件下,难以保证自制模块的高可靠性;嵌入式性能测试功能已被证明极为实用,但中低档PLC 因资源有限、编程语言等原因难以实现.为了解决上述问题,提出用一种新型的可编程控制器PCC( Programmable Computer Cont roller) 构成水轮机调速器,用类似于C 的高级语言开发,实现高级控制算法;直接产生正反转脉冲控制步进电机,彻底解决了性能瓶颈;直接用PLC 内部高速计数器测频,使测频精度和可靠性都得到保证;通过实时多任务处理,率先在PLC 调速器中设计性能测试功能模块.

1 　PCC 步进式调速器硬件配置
1. 1 　PCC 的优点
       PCC 的实质是在PLC 中加入了某些工业控制机( Indust rial Personal Computer ,简称IPC) 的思想,是PLC 与IPC 及计算机集散控制系统相互融合的产物,具有智能分布式控制思想,有较强的分析运算能力,具有基于标准化的开放性和兼容性,通用性好. 除了具有所有PLC 的功能外,还具有高速计数、ms 级触发信号、伺服电机、步进电机控制等功能,因而可构成高精度分布式控制系统和开放式现场总线系统. PCC 可靠性高, 其MTBF 超过5 ×105 h.贝加莱PCC 的CPU 模块包含三个处理器:I/ O 处理器、双向口控制器(DPR2Cont roller ) 和CPU 处理器. 它们既彼此独立,又通过DPR 相互关联,使主CPU 资源得到合理利用,同时最大限度地提高了系统的处理速度. PCC 编程语言符合IEC6113122 规定,除了可以用梯形图LAD 和指令表STL 编程外, 还可以用PL2000 编程.PL2000 是类似于C 的、公式化的编程语言,但比C 简洁得多,其易用性不亚于梯形图编程方法. 这种高级语言的引入,大大地减小了对复杂算法编程的难度,程序可读性强、编程效率高.
1. 2 　PCC 调速器方案
       本研究直接使用PCC 高速计数模块,其最高计数频率大于4 MHz ,完全满足大型调速器测频要求. 在步进电机控制方面,摈弃通过D/ A 模块控制步进电机旋转速度的方法,而直接向步进电机发正反转脉冲,有效地减少了时延,提高了响应速度,解决了普通步进式调速器的性能瓶颈问题.高速计数和步进电机控制均由高速处理模块TPU 实现(见图1) . 人2机对话的设计考虑了技术发展的现状及趋势. PCC 容易与具有触摸屏的LCD 相连,从而以可视化全中文界面显示机组运行状态、关键参数动态曲线、调速器控制参数和实时故障信息;通过触摸屏可修改相关运行参数、检索有关故障和操作记录、率定传感器等. 为了防止非授权修改,设置了多级密码保护.

图1 　PCC 步进式双调节水轮机调速器硬件框图

2 　PCC 调速器软件开发
2. 1 　在高级语言环境下开发调速器软件
      本研究用PL2000 编程. 贝加莱PCC 的较大应用程序存储空间和数据空间使得系统具有较高的系统分析计算能力和较强的数据处理能力.
2. 2 　调速器调节控制任务分级
      贝加莱PCC 采用多任务分时操作系统,因此,将整个调速器程序分成数个具有不同优先权的任务等级. 测频单元、步进电机控制单元、模拟量测量单元作为最高优先级;容错处理单元、智能控制策略单元等作为次高优先级;而性能测量和指标计算单元作为低优先级. 优先权高的任务等级具有较短的扫描周期,而每一个任务等级包括多个具体任务,这些任务又细分优先权. 优先权高的任务总是先被执行,剩余的时间里执行优先权较低的任务等级. 这样整个控制系统得到了优化,充分利用了有限的机器资源,既保证了实时性要求高的关键任务得到及时处理,又实现了多任务.
2. 3 　性能测试功能模块
     调速器承担机组的启动、并网、负荷和频率调整、关机及工况转换等任务,机组安全和电能质量与其息息相关. 通常调速器检修后或出厂前根据国家标准或IEC 标准用专用仪器进行性能测试和参数整定[4 ] ,所需测试仪器多. 随着计算机性价比的提高,某些基于IPC 的(抽水蓄能) 调速器嵌入了性能测试子系统[5 ] . 但PLC 调速器因资源有限,无法效仿. 本研究通过多任务分时处理,首次在PLC 调速器中实现静态特性测试、空载摆动测试、空扰试验、甩负荷试验、不动时间测试等项目,既进一步提升了PLC 调速器的性能,又免去了携带仪器的麻烦,而且减轻了劳动强度.

顾宏进、刘文斌、邵祖武、曹永红、周志军、李青茂参加了研究工作,在此谨致谢意.
参考文献
[1 ] 刘昌玉,魏守平. 一种高可靠PLC 水轮机调速器. 水电能源科学,1995 ,13 (2) : 83～87
[2 ] 刘文斌,杜　波,胡燕花. 水轮机调速器的运行与技术改造. 水力发电,1999 , (9) : 58～60
[3 ] 陈启卷,王学武. 水轮机PLC 调速器数字测频的研究. 大电机技术,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 ] 刘昌玉,叶鲁卿,马劲松等. 抽水蓄能调速器内嵌式测试子系统研究. 华中科技大学学报, 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.
作者简介: 刘昌玉(1962) ,男,副教授;武汉华中科技大学水利水电及自动化工程系(430074) .
2001 年4月刊登在《华中科技大学学报》第29 卷第4 期