摘要:為了全面提高同步發電機勵磁調節器的各項性能,提出了用可編程計算機控制器研制調節器的方案。可編程計算機控制器不僅具有PLC 的高可靠性,同時還具備PC 機的高速性、大容量等特點,特別是多任務操作系統的特點。用可編程計算機控制器研制同步發電機勵磁調節器,可靠性高,性能指標優良,達到或優于國家標準和部頒標準要求。
　　關鍵詞:PCC 勵磁調節器;性能指標;多任務系統;移相觸發
　　勵磁裝置是同步發電機組最重要的輔機之一。它擔負著維持發電機機端電壓和系統電壓恒定,提高發電機并聯運行的穩定性和實現并聯運行機組間無功分配等任務。勵磁裝置的可靠性和技術性能對電力系統的安全、穩定和高效運行起著十分關鍵的作用。
　　隨著計算機技術和電子技術的不斷提高,調節器作為勵磁裝置的核心部分,其可靠性和技術性能也同步發展。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達到或優于國家標準要求,在可靠性上遠遠優于其它微機勵磁調節器。下面就可編程計算機控制器的研制予以介紹。
　　1 　PCC 勵磁調節器
　　1. 1 　PCC 介紹
　　可編程計算機控制器(PCC) 是一種全新的控制概念,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等功能,除具備PLC 的高可靠性外,還具有PC 機的高速性和大容量等特點。
　　PCC 最大的特點在于它具有類似于大型計算機的分時多任務操作系統。與常規PLC 采用的單任務時鐘掃描方式不同,PCC 采用的是分時多任務操作系統。這樣應用程序的運行周期由操作系統的循環周期來決定,而與程序的長短無關,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,滿足了實時控制的要求。而且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。此外,PCC 還具有多樣化的應用軟件設計風格,除采用常用的梯形圖編程外, PCC 還可以采用高級語言編寫復雜的程序。
　　PCC 在遠程通信方面提供了靈活多樣的解決方案。系統除全面支持ETHERNET ,PROFIbus 和CANbus 等標準網絡或現場總線協議外,還為用戶提供了創建自定義協議的串行通訊幀驅動器
　　(FRAME DRIVE) 工具,由于具備這樣的技術優勢,PCC 常常能解決許多常規PLC 無法實現的通信難題,輕松實現了各種不同產品、不同通信協議之間的互聯。
　　1. 2 　硬件配置
　　PCC 勵磁調節器由于其硬件本身具有很高的可靠性,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,提供一個80C196 微機手動調節通道。調節器硬件配置如下:由奧地利貝加萊(B&R) 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) 、一個4 路模擬量輸入模塊AI354 、一個10 路開關量輸入模塊DI138 、兩個4 通道數字量輸出模塊DO135 、一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。而且PP41內部還提供了10 路開關量輸入接口X2 ,8 路晶體管輸出接口X3 。此外,PP41 本體提供一個PC 機開發PCC 程序用的RS232 接口和一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1 所示。

　　圖1 　PCC 勵磁調節器構成

　　1. 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) 集成了大型計算機的特點,系統具有IPC的高速響應能力和計算能力。
　　(3) 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,
　　可使系統達到μs 級的響應時間。
　　(4) 符合IEC 國際標準編程語言即系統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AB ,C) ,系統允許幾種不同類型的編程語言在同一程序中同時使用。
　　(5) 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。
　　(6) 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。
　　(7) 系統具有良好的可擴展性,除系統硬件可以以模塊的方式加以擴展外,系統軟件也可以以模塊的方式加以擴展,這大大地加強了PCC 的擴展能力。
　　(8) 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,可節省空間,圖文豐富。顯示操作面板上帶有5. 7″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。
　　(9) PP41 允許設置多級密碼滿足不同操作級別用戶的要求;采用FLASH 存貯技術;具有屏幕保
　　護功能;對時變測量數據有繪圖打印處理功能。
　　(10) 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;當發生系統級故障時,故障報警接點吸合,告之上位機系統。
　　(11) PCC 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,主循環程序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 與PSS 運算及各種限制處理等放在高速任務層;測頻、測相角、移相觸發等采用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。
　　1. 4 　調節軟件功能與實現
　　移相觸發是勵磁調節器中最核心的部分,對于移相觸發功能的實現,PCC 調節器相對于PLC 而言具有無可比擬的優勢。
　　目前可編程勵磁裝置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、測相角等也有一定的困難;作為勵磁調節器的最后結果,移相觸發是PLC 的最大難點,幾乎不可能。目前最常用的是將PLC 的調節輸出用外部的模擬電路( 如TC787 或線性集成電路) 轉換成觸發脈沖。
　　利用PCC 的TPU 功能能夠簡單、可靠地實現移相觸發功能。觸發角是頻率的函數,且與同步點有關,我們在高速任務中作頻率測量,確定同步信號點,然后就可以得到觸發角。其程序如下:
　　Speed1 FUB L TXcpiC( )；調用TPU 功能,測頻通道JF = 6 300 000/ Speed1.DifCnt；計算出頻率JF
　　DIL_E FUB L TXdilE( );調用TPU 功能,同步信號通道
　　DOL_4 FUB L TXdol4( );調用TPU 功能,脈沖輸出的第一個通道
　　DOL_5 FUB L TXdol5( );調用TPU 功能,脈沖輸出的第二個通道
　　DOL_6 FUB L TXdol6( );調用TPU 功能,脈沖輸出的第三個通道
　　DOL_7 FUB L TXdol7( );調用TPU 功能,脈沖輸出的第四個通道
　　DOL_8 FUB L TXdol8( );調用TPU 功能,脈沖輸出的第五個通道
　　DOL_9 FUB L TXdol9( );調用TPU 功能,脈沖輸出的第六個通道
　　DOL_4.LoHiDelay : = (AFA/ 360) * 6 300 000/ J F
　　DOL_5.LoHiDelay : = (60/ 360) * 6 300 000/ J F
　　DOL_6.LoHiDelay : = (60/ 360) * 6 300 000/ J F
　　DOL_7.LoHiDelay : = (60/ 360) * 6 300 000/ J F
　　DOL_8.LoHiDelay : = (60/ 360) * 6 300 000/ J F
　　DOL_9.LoHiDelay : = (60/ 360) * 6 300 000/ J F
　　變量AFA 為PID 調節運算所計算出的觸發電角度α,DOL_4. LoHiDelay 為第一個通道的低電平延時時間。以同步點為時間基準,低電平延時時間由DOL_4. LoHiDelay 的計算值所對應的晶振個數來確定,這樣就將觸發電角度α轉換為觸發時間,即完成移相功能。由于在一組的6 個脈沖中,相鄰的兩個脈沖之間時間間隔相同,所以第二個通道至第六個通道的低電平延時時間都為60°電角度。
　　由于頻率的測量,同步信號的確定,觸發脈沖的實現都是在高速任務中實現,這樣就保證了調節過程的實時性。而且PP41 的晶振為6.3 MHz ,足以保證系統的調節精度。而且PCC 的內部軟件觸發功能取代了常用的PLC 外部模擬電路觸發,減少了自制外部回路,提高了系統的可靠性,有利于系統的維護。
　　1. 5 　功能與試驗
　　(1) PCC 勵磁裝置的主要功能有恒電壓調節、恒勵磁電流調節、恒無功調節、恒功率因數角調節、低勵限制、過勵限制、母線跟蹤、電量采集與計算、起勵、逆變、滅磁、雙通道切換等。
　　(2) PCC 勵磁調節器進行了試驗室的動態模擬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性能指標皆滿足或優于國家標準和部頒標準的要求。
　　1. 6 　工業運行結論
　　該產品已于2003 年4 月投運于云南省新平縣挖窖河三級站4 MW的2 # 機組,并進行了全面的工業試驗,主要性能指標如表1 所示。
　　從表1 可以看出,裝置的各項技術性能指標均達到或優于國家標準和部頒標準。

　　表1 　試驗指標

　　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 　結　語
　　同步發電機勵磁裝置調節器的功能隨著工業控制領域的發展而日趨完善,新型調節器將以優良的品質推動勵磁行業的發展。將可編程計算機控制器(PCC) 用于勵磁調節器的開發,提高了勵磁裝置的可靠性,同時保證了調節器的大容量、高速度的特點,而且調節品質和性能指標表現優良,滿足或優于國家標準和部頒標準。
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　　作者簡介:嚴國強(1977 ,男,湖北鄂州人,長江科學院長江控制設備研究所工程師,主要從事水電站控制設備研究與設計)1 ,季筱湘2 ,張祖貴1 ,潘熙和1
　　1.長江科學院長江控制設備研究所,湖北 武漢430010 ；2.中南勘測設計院,湖北 宜昌443002