贝加莱 数字式电液调速器的微机调节器

        微机调速器由微机调节器及电液随动系统构成。微机调节器以高可靠性的控制器为核心,采集频率信号及控制信号,用计算机程序实现复杂的运算及控制功能,并以一定方式输出控制结果作为电液随动系统的输入。微机调速器具有可靠性高、外围电路少、编程方便、功能扩展性好等特点[1] 。

2 　微机调节器中控制器的选择
         从图1 可见,微机调节器的核心在于控制器,控制器完成调速器的信号采集、数据运算、控制规律实现、运行状态切换、其他附加功能及控制值输出等功能。调速器的功能基本由控制器实现,电液随动系统主要是执行机构。因此,在设计调速器微机调节器时,选择合适的控制器很重要。目前市场上的控制器种类很多,如单片机、单板机、PLC、PCC、IPC等,但由于调速器是应用于工业现场的设备,对可靠性要求很高。因此,选择微机调节器的控制器的一条重要原则是,要选用适合于工业现场使用的抗干扰能力强、可靠性高、选择余地大、操作维护方便的控制器。目前满足此原则的主要是PLC , PCC ,IPC 等几类控制器,此外,还应从以下几方面考虑。
2. 1 　控制器的速度
        所谓控制器的速度, 包含2 层含义: 控制器CPU 的位数和控制器中用户程序的扫描周期。
        控制器CPU 的位数反映到调速器中主要体现在控制精度上,按国标要求调速器转速死区小于0.02 % ,而在用最大差值法计算转速死区时,最大相对差值还要乘以bp；假设bp = 10 % ,则要求最大相对差值小于0. 1 %。以16 位机的控制器为例,假设整数运算中,以整数25000 表示开度为100 % ,那么,开度分辨率为0.004 % ,其值远远小于0.1 % ,可见,16 位机足以满足要求。况且,即使是16 位机,由于双字算法的存在,也能实现32 位运算,从这个意义上说,即使是8 位机应用于调速器也是满足要求的,因为8 位机中也有字节运算、字运算及双字运算。因此,32 位机、16 位机甚至8 位机均可应用于调速器并满足性能要求。

关于控制器中用户程序的扫描周期,从以下几个方面考虑:
         a. 频率信号采样周期。从调速器系统结构框图(见图2) 可见,机组频率信号是调速器系统的输入；调速器根据采集到的频率信号,算出频差,针对频差进行PID 运算,运算的结果即调节器的输出；调节器的输出再以一定的方式控制机械液压系统,机械液压系统再去操作导水叶,控制其开度。因此,调节器的输出是与频率的变化密切相关的。目前,调速器普遍采用的测频方法是测周期法[2] ,当被测频率为50Hz 时,最小采样周期为20ms ,即被测频率信号的更新周期为20ms。由于频率的采样周期为20ms 左右,用户程序的扫描周期一般应比频率信号采样周期小,但小到一定程度后意义就不大了。

          b. 水轮发电机组和电液转换器(或电/ 机转换装置) 的截止频率。水轮发电机组的截止频率一般为0.1 Hz～1.0 Hz ,调速器中电液转换器的截止频率一般为3Hz～10Hz[1] 。根据控制理论的香农采样定理,“要从采样信号中完全复现出采样前的连续信号,必须满足采样频率大于或等于2 倍的采样器输入连续信号频谱中的最高频率”,将此定理应用于调速器系统,若采用2 倍于水轮发电机组和电液转换器截止频率的采样频率,即6 Hz～20 Hz ,就能满足香农采样定理,此时调节器采样周期为167 ms～50 ms。
          c. 调速器不动时间。国标要求调速器的不动时间小于0.2 s。在调速器系统中,不动时间主要由3 部分组成:2 倍的调节器用户程序扫描周期(在最差的情况下) ,导叶位置输出D/ A 转换时间,调速器机械液压系统主配压阀搭迭量、死区等。按照这种构成,程序扫描周期部分小于整个不动时间的1/ 4是可行的,经计算,不动时间的指标要求程序扫描周期小于25ms。
综上所述,控制器用户程序扫描周期以5ms～15ms 为宜。

2. 2 　I/ O 及存储容量
         对应用于调速器系统的控制器而言,由于调速器基本功能固定,用户程序功能单一集中,并且水轮机调速器程序已经基本实现标准化,对于不同电站不同类型的调速器其程序的更改一般为10 %左右。到目前为止,我们在水轮机数字式电液调速器中使用过的控制器有不同国家、不同公司、不同系列的多达8 种PLC 产品。根据经验,对数字量的I/ O 点数、模拟量的I/ O 点数、程序存储容量、数据存储容量进行统计,如表1 所示(表中的统计数据已留有充分的裕量) 。

2. 3 　编程语言
           目前市场上比较通用的控制器,其编程语言不外乎C、BASIC 等高级语言,以及梯形图、功能块、语句表等几种语言。一般认为,高级语言功能强大,编程灵活,能实现较复杂的算法,但高级语言编制起来较复杂,对现场的工程技术人员来说,掌握起来有一定难度,不利于维护。因此在调速器领域,大概有80 %～90 %的编程使用的是梯形图语言。
           梯形图语言最初主要用于PLC ,其后随着电子技术的发展, IPC、PCC 等均有梯形图语言可供选择。而梯形图语言本身也已经不再仅仅是逻辑顺序控制,随着PLC 的发展,梯形图语言也有了逻辑运算、浮点数运算、比较运算,高速计数功能、PID 运算功能块、PWM 运算、变量寻址、指针运算等。梯形图语言简单明了,逻辑清晰,容易掌握,调试方便,而且功能强大,现在,有些PLC 的梯形图编程系统已经实现了程序结构化、标准化,一些功能已由PLC操作系统集成为功能块,只需在梯形图程序中调用,如PID 控制功能块。而对调速器而言,由于其程序已经基本标准化,应用于某一具体用户的调速器程序基本是由90%的基本程序加10 %的用户特定程序构成,可见,对每个调速器的程序工作量相对而言并不大。例如,用梯形图语言编制某调速器的用户特定程序,一个较熟练的技术人员大概只需5h～8h 即可完成。因此,从应用角度讲,高级语言、梯形图语言、功能块语言、语句表语言均能较好地实现调速器的功能,但从实用角度讲,梯形图语言更利于用户技术人员阅读调速器程序,从而有利于设备维护。
2. 4 　接口特性
           在调速器系统中,其微机调节器的控制器的基本配置包括CPU 模块、开关量输入/ 输出模块(也有的开关量输入/ 输出就集成在CPU 模块上) 、模拟量输入/ 输出模块。除此之外,在有些调速器系统中还可能用到定位模块(高速脉冲输出模块) 、高速计数模块、通信模块(根据通信对象的不同,有可能要求串行的RS-232 ,RS-422 或RS-485 口,以及以太网通信处理器、PROFIBUS 通信处理器等) 、中断模块、触摸式图形操作终端等。因此,选择控制器时应在弄清楚调速器系统构成的基础上仔细考虑其可选扩展模块是否能满足调速器系统的要求。例如,目前有的调速器采用交流伺服电机位置环实现电/ 机转换,则需要考虑所选控制器是否有合适的高速脉冲输出模块(就是常说的定位模块) 可供选择;又如,弄清楚调速器与监控系统等的通信接口后,则需要配置相应的通信模块。
          在调速器中,测频环节极其重要,在确定测频方式时,要考虑是否有相应的接口模块可供选择。目前在调速器中,测频的实现主要有2 类: ①用单片机测出频率再送至控制器,若是采用并行方式发送频率,就要考虑控制器中被占用的I/ O 点数;若是用串行方式发送频率,则要考虑串行通信口的扩展。②PLC 内测频,包括2 种方式:一种是采用扩展的高速计数模块,此时要考虑高速计数模块的计数频率是否满足测频精度的要求;另一种是不采用扩展的高速计数模块,而利用控制器内部的高速计数功能及中断功能,采用静态频率及动态频率的概念[3]将速动性与高精度较好地结合在一起,此时要考虑的是控制器CPU 的高速计数功能的计数频率。
2. 5 　控制器选择空间
          水轮机调速器是水电站中非常重要的辅机设备,它<