摘要：為了提高勵磁調節器的可靠性，提出了兩種方案，可編程序控制器以其高可靠性深得工控領域的青睞，可編程計算機控制器不僅具有可編程序控制器的高可靠性，同時具備PC機的高速性和大容量等特點，特別是多任務操作系統的特點。在以上兩種計算機功能的基礎上研制的勵磁調節器，可靠性高，性能指標優良，滿足或優于國標和部標要求，從而有兩類高可靠性的微機勵磁調節器可供用戶發電機勵磁系統選擇。
　　關鍵詞：勵磁調節器；性能指標；硬件配置；設計特點

　　發電機勵磁裝置是水電廠水輪發電機組最重要的輔機之一，它擔負著維持發電機機端或電力系統電壓恒定、實現并聯運行機組間無功的穩定分配和提高發電機并聯運行的穩定性等任務。其可靠性和技術性能指標對電力系統的安全、穩定、高效運行起著十分關鍵的作用。
　　作為勵磁裝置的核心部分調節器，隨著計算機技術和電子技術的不斷提高，其可靠性和技術性能亦同步發展，微機調節器幾平已成為勵磁調節器的唯一選擇，同時，勵磁系統的調節保護功能從采用硬件模塊實現到通過軟件模塊化完成，與監控系統通信等都己是很簡單的事情了。PLC（可編程序控制器的俗稱）勵磁調節器和PCC （可編程計算機控制器的俗稱）勵磁調節器在性能指標上能滿足或優于國標，在可靠性上遠好于其它微機勵磁調節器，下面就這兩種產品的研制予以介紹。
　　1. PLC勵磁調節器
　　據不完全統計，自1993年第1臺PLC調速器投運以來,到目前為止已有900多臺套可編程調速器投運于國內外的各大中小型水電站。那么為什么勵磁行業很少應用可編程序控制器，特別是勵磁調節器呢？據了解，目前可編程勵磁應用很少，所接觸到的可編程勵磁，大多數是勵磁操作回路采用可編程序控制器，或采用可編程控制器來實現數字給定，而真正的PID 調節器不是利用PLC來完成的，更談不上保護、限制、交流采樣、移相觸發等對CPU速度要求很高的功能了。這是因為大型電機的開路時間常數長達到約10s ，如葛洲壩機組。為了保證勵磁的調節品質，調節器的采樣周期一般應在10ms以內。有如此高的實時性要求,用PLC來測量定子電壓、轉子電流、有功功率、無功功率等是有困難的；用PLC來實現PID調節、PSS功能、測頻測相等也有一定的困難；移相觸發是PLC的最大難點，幾乎不可能。
　　長江控制設備研究所（簡稱長控所）為了滿足用戶提出的勵磁調節器和水輪機調速器配置相同或相近的要求，同時為了提高微機勵磁調節器的可靠性，保證不存在死機、復位、病毒感染等普通計算機經常發生的致命弱點，特開發了可編程勵磁調節器，采用日本三菱電機公司FX2N系列的可編程序控制器為核心硬件。
　　PLC勵磁調節器就是基于簡單、可靠、易于掌握的思路而開發的一代產品。
　　1.1 硬件配置
　　自動通道的組成如下：
　　1 個F940。日本三菱公司的STN彩色5.7 英寸觸摸顯示屏，利用該觸摸顯示屏,取代常規的鍵盤顯示板，可靠性大大提高，豐富而友善的人機界面，更能體現以人為本的思想。非常人性化的操作界面，可實時顯示勵磁調節系統的各有關調節保護參數、采樣數據、測量數值、給定值、調節輸出值，記錄試驗過程曲線，修改各種調節、限制參數等。
　　1 個FX2N-32MT。16點輸人、16 點輸出的CPU基本單元，其中輸入點用于測量機組頻率和開關量輸人處理，輸出點用于自動操作風機、投助磁、PLC硬件故障處理等。
　　2 個FX2N一4AD。共8 路12位的模擬量輸人模塊，用于采集機端調變電壓、機端儀變電壓、系統電壓、機組有功功率、機組無功功率、轉子電流、手動通道的調節輸出等。
　　1個FX2N一2DA 。兩路12位的模擬量輸出模塊，用于輸出PLC自動通道的調節輸出。
　　1 塊自動通道測量處理板（自制）。用于機組頻率測量預處理和電壓、電流直流測量的整流處理。
　　1 塊自動通道的移相觸發脈沖板（自制）。同步信號處理，并將自動調節輸出轉化為6 個可控硅（全控橋）的移相觸發脈沖（采用專用的移相觸發芯片TC787）
　　另外，配置有有功功率和無功功率變送器。
　　為了實現與上位機的串行通信，配置有FX2N一232 一BD（RS232接口 )或 FX2N-485-BD(RS485接口)。
　　手動通道由1 塊手動調節板來實現。
　　手動調節板由單片機89C51來完成，整流并測量轉子電流值能，恒電流調節或跟蹤自動通道的調節輸出值，同步信號處理．并用自動通道相同的方式將手動通道的調節輸出值轉化為6 個可控硅移相觸發脈沖。
　　PLC勵磁調節器的硬件構成如圖l 所示。

　　圖1  PLC勵磁調節器的硬件構成

　　1.2 設計特點與軟件功能
　　( 1）設計特點。① 該產品除具有可編程序控制器固有的可靠性高、抗干擾能力強等特點外，還具有設計簡單、結構緊湊、體積小、運算速度快、人機界面友善、用戶可讀勝強、易于掌握、性能價格比高等優點；②PLC勵磁調節器采用了日本三菱公司的恒掃描周期設定方式，從而保證了勵磁調節的穩定性；③PLC勵磁調節器不僅僅是數字給定更是數字調節和限制，它適用于各大、中、小型機組的勵磁調節、為勵磁調節多品種發展找到了一條新路；④ 對于速度要求很高的移相觸發回路，采用專用的移相觸發芯片TC787硬件來完成，而不采用PLC來實現，工作可靠，故障率低；③ 對干交流量（電壓、電流、功率等）的采集，或采用可靠性高的變送器或交流整流后采樣．減小可編程CPU的負擔，從而提高自動通道的可靠性；⑥ 對于手動通道，采用智能CPU(89C51 單片機）來實現，即便是手動通道，智能化程度仍然很高，易于利用軟件實現功能擴展；⑦ 可編程自動通道，來用先進的觸模屏技術，非常友好的人機界面，充分體現了以人為本的設計思想。
　　( 2 ）軟件功能。以三菱FX2N-32MT為調節器的可編程勵磁裝置，能實現各種勵磁調節功能、勵磁限制保護功能，參數修改與數值顯示，與上位機進行多種方式的通訊，系統自檢和在系統異常時發出故障報警信號，同時切換至手動通道運行。其主要功能為：電壓調節、電流調節、無功調節、功率因數調節、電壓跟蹤、并網運行、低勵限制、過勵限制、V/F限制、快熔熔斷限制、風機停轉限制、參數防越限修改、數值顯示、RS232 或RS485與仁位機通訊（可選）。
　　1.3 工業運行結論
　　該產品已于2002年10 月投運于湖北省鎖金山水電站1.5 萬kw 的2 號機組。并進行了全面的工業試驗，主要性能指標如下：
　　自并勵殘壓起勵到100%機端電壓     無超調，無振蕩，起勵時間2.8s
　　自并勵逆變目滅磁                 滅磁時間1.9 s
　　手動機端調節電壓范圍             空載：5%~130%；并網：70%~115%
　　電壓/頻率特性                    試驗頻率變化范圍頻率每變化1%，機端電壓最大0.1%
　　10%階躍響應                   無超調、無擺動、調整時間1 s
　　調差率整定范圍                   0~ 25%
　　發電機端電壓靜差率               0.1%
　　發電機調壓精度                   0.1%
　　自并勵方式甩負荷（甩100%無功    電壓超調9.6%振蕩1/2次，調節時間3.2 s
　　裝置的各項技術性能指標均達到或優于國標部標。
　　用戶幾個月的運行表明：該可編程勵磁裝置性能指標優良，維護操作簡便，可靠性高，系統運行穩定，并具有良好的調節品質，保障了安全、優質、高效運行，深得全體生產技術人員的一致好評，建議推廣應用。
　　2. PCC勵磁調節器
　　2.1 PCC介紹
　　在闡述代PCC勵磁調節器之前，有必要介紹一下可編程計算機控制器這一新近發展起來的工業控制計算機的相關情況。
　　奧地利B&R工業自動化公司推出的可編程計算機控制器代表著一個全新的控制概念，它集成了PLC的標準控制功能和工業計算機的分時多任務操作系統功能，除具備代PC機的高速性和大容量等特點外，還具有PLC的高可靠性。
　　與常規PLC相比較，PCC最大的特點在于其類似于大型計算機的分時多任務操作系統和多樣化的應用軟件設計。常規的PLC大多采用單任務的時鐘掃描或監控程序來處理程序本身的邏輯運算指令和外部的I/O通道及狀態采集與刷新，這樣的處理，直接導致了真正意義上的"控制速度"依賴于應用程序的大小，這一結果，無疑是同I/O通道中高實時性的控制要求相違背的。PCC的系統軟件完美地解決了這一問題,它采用分時多任務機制構筑其應用軟件的運行平臺，這樣應用程序的運行周期則與程序長短無關,而是由操作系統的循環周期決定，由此，它將應用程序的掃描周期同真正外部的控制周期區別開來，滿足了真正實時控制的要求。當然這種控制周期可以在CPU運算能力允許的前提下，按照用戶的實際要求，任意修改。
　　PCC在遠程通信方面的靈活性，是區別于常規PLC的一大顯著標志，作為未來構成分布式現場I/O控制的主要角色之一，PCC為此提供了十分靈活多樣的解決方案。除開放式現場總線的網絡方案之外，PCC 還提供了RS485總線上多種局部主從網絡協議，用戶不僅可以采用PCC 自身的網絡協議，也可以方便的與其他廠家的PLC等工控設備聯網通信（如西門子，AB , Modicon等）,在一些特殊情況下，PCC還為用戶提供了創建自定義協議的工具（幀驅動器），由于具備這樣的技術優勢，PCC常常能解決許多常規PLC所望塵莫及的通信難題，輕松實現與各種不同產品、不同通信協議的互聯。
　　2.2 硬件配置
　　PCC勵磁調節器由于其硬件本身的可靠性很高,一般采用單機結構，應用戶的特別要求也可以提供雙機。當采用單機時，提供l 個80C196微機手動調節通道。調節器由奧地利貝加萊( B & B ）工業自動化公司提供的PP41控制機（CPU控制器和操作面板一體化）、l 個4 路模擬量輸人模塊AI354、l 個10 路開關量輸人模塊DIl38 、2 個4 通道數字量輸出模塊DO135、1 個用于與監控系統進行通訊的RS232 接口模塊IF311或RS485/RS422接口模塊IF321組成。值得一提的是，PP41內部還提供2 個備用模塊擴展槽，以便擴展功能，提供10 路開關量輸入接口X2，8 路晶體管輸出接口X3 。此外，PP41本體提供l 個PC機開發PCC 程序用的RS232 接口和1 個遠距離網絡通訊用的CAN現場總線接口。
　　PCC勵磁調節器構成如圖2 所示。

　　圖2  PCC勵磁調節器構成

　　2.3 設計特點
　　PCC勵磁調節器是充分利用PCC的特點而研制的一代新產品，有如下設計特點：
　　( 1 )具有比常規PLC更高的可靠性,平均無故障時間達50 萬h。
　　( 2 )PP41具有公用PCC全系列軟件開發工具Automation Studio，利用該軟件可實現顯示、
　　控制、驅動和通訊等任務的配置和編程，開發手段十分方便。不象其它工控機，操作界面與調節控制需用不同的開發軟件。值得一提的是，相對于PLC ，PCC程序中對變量的命名更具有人性化，程序的可讀性也更強。
　　( 3 )符合IEC 國際標準的編程語言，可以根據不同層次人員選用低級語言（如梯形圖）或高級語言（如BASIC、C ）編程,系統可以同時接收幾種類型的編程語言。
　    ( 4 ) PP41的主處理器為摩托羅拉芯片68332，為32 位CPU，具有高速的信號處理器TPU 功能，TPU功能可使系統響應時間達到微秒的范圍，而CPU 不需作任何加載。
　  （5）PP41自身帶有控制器和顯示操作面板,因此用它來制作勵磁調節器顯得結構簡單、節省空間且圖文豐富、功能完善.顯示操作面板上帶有5.7 英寸的LCD顯示區，包括數字鍵在內的多種功能按鍵以及指示燈,結合軟件，可以完成切換畫面、設置密碼、修改參數、顯示工況、數據列表、輔助實驗等多種功能。
　  ( 6 )設置多級密碼以保護不同操作級別的用戶，采用flash存貯技術，FLASH 數據保存,具有屏幕保護功能，對時變測量數據有繪圖打印處理功能。
　  ( 7 )當系統發生故障時，PP41會根據不同類型的故障，以不同的速度閃爍相應的指示燈，以提示操作人員注意并處理；當系統級故障時，故障報警接點吸合，告之上位機系統。
　   ( 8 ）工業控制領域引入多任務操作系統，可以改善和提高勵磁系統的性能指標,可以將整個調節控制分成數個具有不同優先權的任務等級（TASK CLASS）。不同的任務等級，優先權越高，其掃描周期越短；優先權越低，其掃描周期越長。充分利用PCC的多任務分時操作系統資源，主循環和一般性的判斷處理程序放在普通任務層；定子電壓、轉子電流采樣，有功、無功計算，PID、PSS運算和各種限制處理等放在高速任務層；測頻、測相、移相觸發脈沖的發出等采用PCC 本體所特有的TPU功能以及TPU 功能模塊來實現。在這種多任務操作系統的管理下，優先權高的任務等級總是先被執行，在剩余的時間里才執行優先權較低的任務等級。整個操作系統得到了優化,可以有效地保證勵磁裝置的實時性，從而改善和提高整個勵磁系統的調節性能指標。
　　( 9 ）測頻，有功、無功和功率因數計算所需的相角，6 個可控硅移相觸發脈沖的發出等功能的實現由PP41主機的TPU功能以及具有TPU功能的高速數字量輸出模塊DO135來完成，這些都是常規PLC所不能做到的。這樣，保證了PCC勵磁調節器的全部功能軟件化，易于功能擴展而不增加成本，設計更加緊湊，硬件和結構更加簡單，產品更加可靠,這也是一般PLC勵磁調節器所不具備的。
　　( 10 ）良好的電磁兼容能力和現場總線全面支持技術體現著世界工控領域的發展方向。
　　2.4 功能與試驗
　　( 1 ）主要功能有電壓調節、勵磁電流調節、各種勵磁限制、無功功率調差、脈沖移相、給定與自動跟蹤、電量采集與計算、起勵及逆變控制、通道切換等。它們有著公用的硬件，主要依靠軟件完成以上功能。這種以硬件為構架，盡量把功能軟件化的設計策略，不但減少硬件配置，提高功能的穩定性，而且有利于裝置透明運行、提高裝置的可靠性和配置的靈活性。
　　( 2 ）輔助試驗功能通過操作面板上的功能鍵和顯示屏，可以很方便地完成各項輔助試驗功能。
　　( 3 ）PCC勵磁調節器樣機己試制完成，進行了試驗室的動模試驗和數字仿真試驗，試驗結果表明：調節品質優于同等檔次的PLC勵磁調節器，試驗室具備考核條件的各項勝能指標皆滿足或優于國標、部標的要求，有推廣應用的價值。
　　3. 結語
　　近年來我國對勵磁調節器的研究十分活躍，在研制新型勵磁方而也積累了豐富的經驗。現在市場上比較暢銷的產品主要是雙微機（單片機\STD總線等）勵磁調節器，它們在某些方面確實代表著勵磁調節器的方向，符合水電廣無人值班、少人值守和綜合自動化的要求。可編程（PLC）勵磁和可編程計算機（PCC）勵磁在開發計算機勵磁的高可靠性方面作了大量的工作，同時也保證了計算機的大容量、高速度的應用，調節品質和性能指標同樣優良，滿足或優于國標或部標標準。可以相信，PLC勵磁和PCC勵磁將領銜勵磁行業，特別是PCC勵磁調節器將會在勵磁行業掀起一陣熱潮。
　　參考文獻：
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　　[2]潘熙和等  可編程計算機水輪機調速器研制及枝術特點分析  長江科學院院報 2003 ，( l )
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　　[4]樊  俊等  同步發電機半導體勵磁原理及應用  北京：水利電力出版社 1991
　　[5]丁爾謀  發電廠勵磁調節  北京：中國電力出版社，1998          （編拜：徐詩銀）
　　作者：　　
　　潘熙和（男，長江水利委員會長江科學院控制設備研究所副所長兼總工租師，高級工程師，碩士）   張祖貴   黃業華
　　長江水利委員會  長江科學院，湖北武漢430010