PCC 步進式水輪機調速器

1、PCC 步進式水輪機調速器劉昌玉1傅維圣1李朝暉1熊伍華2(1、華中科技大學水利水電及自動化工程系2、宜昌市能達通用電氣股份合作公司摘要:提出了一種PCC 步進式雙調節(jié)水輪機調速器,它直接產(chǎn)生正反轉脈沖控制步進電機,用PLC 內部高速計數(shù)器測頻,在PLC 調速器中實現(xiàn)性能測試功能,用高級語言開發(fā)實時多任務調控軟件. 具有PLC 的高可靠性、C 編程的靈活性和IPC 的實時性.關鍵詞:調速器;頻率測量;步進電機;內嵌式性能測試;PLC;可編程計算機控制器中圖分類號: TV734. 4 ; TP273 ; TK730. 7 文獻標識碼: A 文章編號: 1000-8616 (2001 04-003

2、6-02PLC 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(xiàn)復雜控制規(guī)律;通過A/ D、D/A 模塊控制步進電機的方式實現(xiàn)簡單,但卻成為提高調速器性能的瓶頸; PLC 內部高速計數(shù)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(xiàn)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(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 構成水輪機調速器

3、,用類似于C 的高級語言開發(fā),實現(xiàn)高級控制算法;直接產(chǎn)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(shù)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(yōu)點PCC 的實質是在PLC 中加入了某些工業(yè)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(tǒng)相互融合的產(chǎn)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

4、有高速計數(shù)、ms 級觸發(fā)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(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. 它們既彼此獨立,又通過DPR 相互關聯(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

5、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(shù)模塊,其最高計數(shù)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(fā)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(shù)和步進電機控制均由高速處理模塊TPU 實現(xiàn)(見圖1 . 人2機對話的設計考慮了技術發(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組運行

6、狀態(tài)、關鍵參數(shù)動態(tài)曲線、調速器控制參數(shù)和實時故障信息;通過觸摸屏可修改相關運行參數(shù)、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(jié)水輪機調速器硬件框圖2. PCC 調速器軟件開發(fā)2. 1 在高級語言環(huán)境下開發(fā)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(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的數(shù)據(jù)處理能力.2. 2 調速器調節(jié)控制任務分級貝加萊PCC 采用多任務分時操作系統(tǒng),因此,將整個調速器程序分成數(shù)個具有不同優(yōu)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(yōu)先級;容

7、錯處理單元、智能控制策略單元等作為次高優(yōu)先級;而性能測量和指標計算單元作為低優(yōu)先級. 優(yōu)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(yōu)先權. 優(yōu)先權高的任務總是先被執(zhí)行,剩余的時間里執(zhí)行優(yōu)先權較低的任務等級. 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(xiàn)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(wǎng)、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(jù)國家標準或IEC 標準用專用儀器進行性能測試和參數(shù)整定4 ,所需測試儀器多. 隨著

8、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(tǒng)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(xiàn)靜態(tài)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.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 : 83872 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(fā)電,1999 , (9 : 58603 陳啟卷,王學武. 水輪機PLC 調速器數(shù)字測頻的研究. 大電機技術,1994 ,117 (4 : 49 514 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 : 2822915