08.基于可编程计算机控制技术(PCC)的新型调速器

1基于可编程计算机控制技术（PCC）的新型调速器王欣杨远生刘卫亚柳利明天津电气传动设计研究所中电国际福建电力开发公司1摘要近年来可编程计算机控制技术（PCC）已经越来越广泛地应用于我国的工业技术领域，其在水电行业的应用也得到越来越多的厂家的青睐和用户的认可。PCC技术已经逐渐掀起了一股技术革新的潮流。本文将以天传所自行开发研制的单调节调速器为例，从调速器的原理、硬件配置和软件结构来讲述和探讨怎样通过PCC技术来实现调速器的各种功能以及它与传统调速器相比较的区别和优势。关键词：可编程计算机控制技术、调速器、测频、步进电机驱动AbstractInrecentyears,programmablecomputercontrol(PCC)techniquehasbeenappliedwidelyinindustryfield.Andthistechniquealsodrawsattentionofmanymanufacturesandconsumersinhydropowerindustry.Tosomeextent,PCCtechniquehasdroveanewreforminindustry.Inthisarticle,theauthorwillintroduceanewtypegovernordesignedbyTRIED,whichisbasedonPCCtechnique.Thereismuchinformationshallbefoundinthisarticle,suchastheschemeofgovernor,hardwareandsoftwareconfiguration,anddiscussiononhowtorealizeallkindsoffunctionsofthegovernor.Moreover,differencebetweenPCCgovernorandtraditionalgovernor,especiallytheadvantageofPCCgovernor,shallbefoundinthisarticle.Keywords:Programmablecomputercontrol(PCC)technique,Governor,Frequencymeasurement,Step-motordrive22可编程计算机控制器（PCC）的技术特点可编程计算机控制器（PCC）是一种全新的控制概念，它是集计算机技术、通讯技术和自动控制技术（简称3C技术）于一体的新型工业控制装置。与传统的可编程逻辑控制器（PLC）相比较，PCC具有以下优势：1）奥地利贝加莱公司（B&R）的可编程计算机控制器（PCC），是可编程逻辑控制器（PLC）的升级产品，具有强大的浮点运算功能，同时也继承了PLC原有的逻辑功能强大的优点。该PCC具有极高的可靠性，平均无故障时间达到50万小时（相当于57年）以上，属于免维护产品。2)PCC的另一大优点就是采用先进的分时多任务操作系统，应用程序可以按照功能和优先级的不同设成不同的任务级别，如主程序、数据采集程序、电机驱动程序、人机界面程序和通讯控制程序等。这样使软件的结构更加合理、科学，从而使各程序块的功能得到最大限度的发挥，软件的功能和可靠性也上升了一个台阶。3）它可以直接采用PCC测频，无需另设测频硬件，测频的可靠性非常高。例如我所选用的PCC模块CPU晶振频率达到6M（6291667）Hz，其测频精度能够精确到约0.0008%，可见测频精度是极高的。4）传统的PLC只支持单个主CPU，然后带多个处理器进行工作，而PCC不但可以支持多个主CPU同时工作，还具有智能处理器，例如它具有TPU（时间处理单元）功能，此单元能单独处理高速任务，而不占用CPU资源。5）PCC不但支持梯形图，还支持各种高级编程语言例如C、BASIC等，这样就实现了编程环境的多样化，一个应用程序的不同程序模块可根据各模块的特点选择最适合的编程语言来编写，这是PCC在应用程序结构优化方面的又一个优势。2PCC调速器的原理及结构2.1调节系统的基本原理电力系统的频率稳定主要取决于有功功率的平衡。然而电力系统的负荷是不断变化的，这就需要调节系统根据负荷变化来调节水轮发电机组有功功率的输出，并维持机组转速（频率）在规定的范围内。这就是水轮机调节的基本任务。而调速器就是完成水轮机调节任务的主要设备，它通常由测量、综合、放大、执行和反馈等元件组成，机组是被调节对象，它是通过接力器的开启+与关闭改变导叶开度的（请见调速器原理框图）。3传感器选择器图-1PP41调速器原理框图实际功率传感器功率给定微机系统减少增加电网频率机组频率传感器Kds微分增益调差率积分增益b/e/eKi/s比例增益Kp步进电机随动系统步进电机电气开度限制功率放大器开度给定接力器位置传感器开度限制给定手/自动切换手动模式机械反馈主配压阀导叶接力器急停复归紧急停机水头给定实际水头传感器选择器频率给定2.2PCC调速器的硬件配置我所开发的PCC调速器控制核心采用贝加莱公司的2003系列的CPU模块，它具有以下技术特点：1）集操作面板、显示屏和控制器于一体，各运行工况及参数的显示、各种命令的操作按钮和对执行机构的自动控制均可以通过此装置单独实现，功能十分全面、强大；2）具有比常规PLC更高的可靠性，其平均无故障时间达50万小时；3）具有强大的软件开发工具AutomationStudio，利用该软件可实现显示、控制、驱动和通讯等任务的配置和编程，开发手段十分方便；4）该模块的主处理器为摩托罗拉芯片68332，为32位CPU，此外还具有高速的智能处理器TPU（时间处理单元），TPU的运行不占用CPU的资源；5）具有良好的电磁兼容能力和现场总线全面支持技术，体现着世界工控领域的发展方向。此外，PCC内部还提供了两个备用模块扩展槽、具有10路数字量输入的接口X2、具有8路晶体管输出的接口X3、供PC机开发PCC程序用的RS232和一个远距离网络通讯用的CAN现场总线接口。除CPU模块之外，调节器还配备了拟量输入模块AI354、数字量输入模块DI138、4脉冲输出模块DO135、增量式编码器专用模块DI135、通讯模块IF321、信号处理模块、步进电机机器驱动模块、步进电机、编码器、电反馈装置和电源等单元（硬件配置图请参考图-2）。图-2PP41调速器硬件配置图存储单元CPUTPU脉冲输出数字量输入数字量输出模拟量输入(DO135)(包括DI135和DI138)(AI354)步进电机步进电机驱动器脉冲方向编码器导叶报警继电器报警信号灯二次控制信号信号处理模块机/网频信号频率位置电反馈装置导叶和开限位置信号通讯接口显示和操作面板PP41控制器电源模块（包含在PP41内）2.3PCC调速器的软件结构按照功能和优先级的不同，PCC调速器的软件被划分为测频程序（任务级为Timer#1,循环时间5ms）、步进电机驱动程序(任务级为Timer#2,循环时间10ms)、运算程序(任务级为Cyclic#1,循环时间10ms)、主控程序(任务级为Cyclic#1,循环时间10ms)、报警程序(任务级为Cyclic#2,循环时间20ms)、通讯功能程序(任务级为Cyclic#2,循环时间20ms)以及人机界面程序(任务级为Cyclic#3,循环时间50ms)等程序模块。各程序块既相互独立又互相关联，在分时多任务操作系统平台上由主控程序统一调度来完成调节器的各项操作、控制、显示和报警功能。这种程序结构充分发挥了PCC分时多任务操作系统的优势并且使得调速器程序得到了优化（软件结构图请参考图-3）。5图-3PP41调速器软件结构图（AutomationStudio）主控报警通讯人机界面运算步进随动系统测频Cyclic#1-2Cyclic#2-1Cyclic#2-2Cyclic#3Cyclic#1-1Timer#2Timer#1PP41操作平台3调节器各项功能的实现本节将结合相应程序段重点讲述PCC调速器的各项功能是如何实现的，包括频率测量与滤波、步进电机的驱动和控制、数值运算、人机界面与操作面板。3.1频率测量与滤波PCC内部拥有高达6M的晶振频率，因此它具有比普通PLC更高的测频精度。经信号处理模块整形后的机频、网频信号分别引入PCC的TPU通道1和2，利用时间测量功能块LTXcpiC和LTXcpiD分别测量机频和网频脉冲信号的相邻两个上升沿之间的时间，然后根据该功能块注释中提供的计算公式可计算出实测频率,即:f=fe/DifCntfe为PCC内部晶振频率（数值为6291667），DifCnt为相邻两上升沿之间的计数值。此外，为提高测频回路的抗干扰能力，我们在该程序模块里添加了具有滤波功能的程序段。该程序通过比较相邻两个波形的频差是否超出正常频差范围（差值可由用户设定）来判断并过滤干扰信号。频率测量及滤波(以机频为例)的部分程序段如下所示：funFjFUBLTXcpiC()TestCntFj=TestCntFj+16If(RdyCnt01funFj.RdyCntthenTestCntFj=0tempFj=DINT((6291667.0*(real(pcnt01)))/(real(funFj.DifCnt))*500.0)RdyCnt01=funFj.DifCntIf(abs(ActFj-tempFj)FilterFj_Diff)thenIfTempFilterFj_TthenActFj=ActFjTemp=Temp+1ElseifTemp=FilterFj_TthenActFj=tempFjTemp=0EndifElseif(abs(ActFj-tempFj)=FilterFj_Diff)thenActFj=tempFjTemp=0Endif……如程序所示，我们将实测的机频定义为临时机频（tempFj）而真正参与运算的机频被定义为实际机频（ActFj），二者的差值与频差上限（FilterFj_Diff）相比较之后，如在频差范围以内说明后面的波形是实际的机频信号，反之则说明遇到了干扰信号，这个波形应被过滤。3.2步进电机的驱动和控制步进电机是高精度数字元件，它可以迅速且精确定位，用它来控制调速器的执行机构是一个非常好的选择。此外步进电机可与编码器构成一个闭环系统，这样可以对因频繁工作而丢步的步进电机进行零位校正。将PCC2003系列产品中具有脉冲输出功能的DO135模块和增量式编码器专用模块DI135模块搭配在一起便可以实现对步进电机的驱动、控制和零为校正。7DO135和DI135均能够与PCC中的TPU连接，通过三个专门的功能块(LTXpest0、LTXcab4和LTXdil6)的配合我们可以完美地实现上述功能。LTXpest0为步进电机专用的程序功能块。在此功能块内可以设定步进电机的速度、加速度、目标位置、参考位置等变量。LTXcab4程序功能块为编码器的专用功能块。通过这个功能块我们可以接收到编码器的位置信号。将接收到的位置量经换算之后与步进电机的位置信号相比较就可得知步进电机是否失步。LTXdil6是一个关于脉冲量发生的功能块，它的作用是为步进电机-编码器系统提供参考点，当编码器（步进电机）回到零位时，会发出一个脉冲信号，通过link功能步进电机便可以找到零位。3.3运算程序毫无疑问，数值运算是PCC调速器软件的核心部分。一个好的算法不但能够提高运算的速度和精度而且还能节省CPU资源。AutomationStudio操作系统在提供灵活多样的编程语言的同时也提供了强大的浮点运算功能。高级语言的应用改变了以往PLC编写运算程序比较困难的局面，以前需要许多句梯形图语句才能完成的计算过程如今只需定义变量后输入公式即可。此外，普通的PLC只能进行定点运算，而PCC则可以进行浮点运算，这使得运算精度得到大大提高。以下是一段计算程序：If(Start_Calcu=1)thenYI=REAL(SetPosition*25000/32767)If(SetPosition=L)the