摘要: 從速度、存儲容量、編程語言、接口特性等方面分析了數字式電液調速器微機調節器中控制器的選擇原則,并對微機調節器中較為常用的幾類控制器做了分析比較。
　　關鍵詞: 水輪調速器; 數字式電液調速器; 微機調節器; 可編程計算機控制器
　　1 　數字式電液調速器的發展及特點
　　隨著微電子技術的發展,調速器的發展也進入了數字式(微機) 電液調速器階段,數字式電液調速器習慣上也稱為微機調速器。微機調速器又從最初的單片機、單板機微機調速器發展到現在的工業控制計算機(IPC) 調速器、可編程控制器(PLC) 調速器、可編程計算機控制器(PCC) 調速器。所謂IPC ,PLC ,PCC 調速器是指電液調速器的微機調節器分別以IPC ,PLC ,PCC 為核心構成(見圖1) 。

　　圖1 　數字式( 微機) 電液調速器的構成

　　微機調速器由微機調節器及電液隨動系統構成。微機調節器以高可靠性的控制器為核心,采集頻率信號及控制信號,用計算機程序實現復雜的運算及控制功能,并以一定方式輸出控制結果作為電液隨動系統的輸入。微機調速器具有可靠性高、外圍電路少、編程方便、功能擴展性好等特點[1] 。
　　2 　微機調節器中控制器的選擇
　　從圖1 可見,微機調節器的核心在于控制器,控制器完成調速器的信號采集、數據運算、控制規律實現、運行狀態切換、其他附加功能及控制值輸出等功能。調速器的功能基本由控制器實現,電液隨動系統主要是執行機構。因此,在設計調速器微機調節器時,選擇合適的控制器很重要。目前市場上的控制器種類很多,如單片機、單板機、PLC、PCC、IPC等,但由于調速器是應用于工業現場的設備,對可靠性要求很高。因此,選擇微機調節器的控制器的一條重要原則是,要選用適合于工業現場使用的抗干擾能力強、可靠性高、選擇余地大、操作維護方便的控制器。目前滿足此原則的主要是PLC , PCC ,IPC 等幾類控制器,此外,還應從以下幾方面考慮。
　　2. 1 　控制器的速度
　　所謂控制器的速度, 包含2 層含義: 控制器CPU 的位數和控制器中用戶程序的掃描周期。
　　控制器CPU 的位數反映到調速器中主要體現在控制精度上,按國標要求調速器轉速死區小于
　　0.02 % ,而在用最大差值法計算轉速死區時,最大相對差值還要乘以bp；假設bp = 10 % ,則要求最大相對差值小于0. 1 %。以16 位機的控制器為例,假設整數運算中,以整數25000 表示開度為100 % ,那么,開度分辨率為0.004 % ,其值遠遠小于0.1 % ,可見,16 位機足以滿足要求。況且,即使是16 位機,由于雙字算法的存在,也能實現32 位運算,從這個意義上說,即使是8 位機應用于調速器也是滿足要求的,因為8 位機中也有字節運算、字運算及雙字運算。因此,32 位機、16 位機甚至8 位機均可應用于調速器并滿足性能要求。
　　關于控制器中用戶程序的掃描周期,從以下幾個方面考慮:
　　a. 頻率信號采樣周期。從調速器系統結構框圖(見圖2) 可見,機組頻率信號是調速器系統的輸入；調速器根據采集到的頻率信號,算出頻差,針對頻差進行PID 運算,運算的結果即調節器的輸出；調節器的輸出再以一定的方式控制機械液壓系統,機械液壓系統再去操作導水葉,控制其開度。因此,調節器的輸出是與頻率的變化密切相關的。目前,調速器普遍采用的測頻方法是測周期法[2] ,當被測頻率為50Hz 時,最小采樣周期為20ms ,即被測頻率信號的更新周期為20ms。由于頻率的采樣周期為20ms 左右,用戶程序的掃描周期一般應比頻率信號采樣周期小,但小到一定程度后意義就不大了。

　　圖2 　調速器系統結構

　　b. 水輪發電機組和電液轉換器(或電/ 機轉換裝置) 的截止頻率。水輪發電機組的截止頻率一般為0.1 Hz～1.0 Hz ,調速器中電液轉換器的截止頻率一般為3Hz～10Hz[1] 。根據控制理論的香農采樣定理,"要從采樣信號中完全復現出采樣前的連續信號,必須滿足采樣頻率大于或等于2 倍的采樣器輸入連續信號頻譜中的最高頻率",將此定理應用于調速器系統,若采用2 倍于水輪發電機組和電液轉換器截止頻率的采樣頻率,即6 Hz～20 Hz ,就能滿足香農采樣定理,此時調節器采樣周期為167 ms～50 ms。
　　c. 調速器不動時間。國標要求調速器的不動時間小于0.2 s。在調速器系統中,不動時間主要由3 部分組成:2 倍的調節器用戶程序掃描周期(在最差的情況下) ,導葉位置輸出D/ A 轉換時間,調速器機械液壓系統主配壓閥搭迭量、死區等。按照這種構成,程序掃描周期部分小于整個不動時間的1/ 4是可行的,經計算,不動時間的指標要求程序掃描周期小于25ms。
　　綜上所述,控制器用戶程序掃描周期以5ms～15ms 為宜。
　　2. 2 　I/ O 及存儲容量
　　對應用于調速器系統的控制器而言,由于調速器基本功能固定,用戶程序功能單一集中,并且水輪機調速器程序已經基本實現標準化,對于不同電站不同類型的調速器其程序的更改一般為10 %左右。到目前為止,我們在水輪機數字式電液調速器中使用過的控制器有不同國家、不同公司、不同系列的多達8 種PLC 產品。根據經驗,對數字量的I/ O 點數、模擬量的I/ O 點數、程序存儲容量、數據存儲容量進行統計,如表1 所示(表中的統計數據已留有充分的裕量) 。

　　表1 　應用于調速器中PLC的I/ O點數及存儲容量統計

　　2. 3 　編程語言
　　目前市場上比較通用的控制器,其編程語言不外乎C、BASIC 等高級語言,以及梯形圖、功能塊、語句表等幾種語言。一般認為,高級語言功能強大,編程靈活,能實現較復雜的算法,但高級語言編制起來較復雜,對現場的工程技術人員來說,掌握起來有一定難度,不利于維護。因此在調速器領域,大概有80 %～90 %的編程使用的是梯形圖語言。
　　梯形圖語言最初主要用于PLC ,其后隨著電子技術的發展, IPC、PCC 等均有梯形圖語言可供選擇。而梯形圖語言本身也已經不再僅僅是邏輯順序控制,隨著PLC 的發展,梯形圖語言也有了邏輯運算、浮點數運算、比較運算,高速計數功能、PID 運算功能塊、PWM 運算、變量尋址、指針運算等。梯形圖語言簡單明了,邏輯清晰,容易掌握,調試方便,而且功能強大,現在,有些PLC 的梯形圖編程系統已經實現了程序結構化、標準化,一些功能已由PLC操作系統集成為功能塊,只需在梯形圖程序中調用,如PID 控制功能塊。
　　而對調速器而言,由于其程序已經基本標準化,應用于某一具體用戶的調速器程序基本是由90%
　　的基本程序加10 %的用戶特定程序構成,可見,對每個調速器的程序工作量相對而言并不大。例如,
　　用梯形圖語言編制某調速器的用戶特定程序,一個較熟練的技術人員大概只需5h～8h 即可完成。
　　因此,從應用角度講,高級語言、梯形圖語言、功能塊語言、語句表語言均能較好地實現調速器的功能,但從實用角度講,梯形圖語言更利于用戶技術人員閱讀調速器程序,從而有利于設備維護。
　　2. 4 　接口特性
　　在調速器系統中,其微機調節器的控制器的基本配置包括CPU 模塊、開關量輸入/ 輸出模塊(也有的開關量輸入/ 輸出就集成在CPU 模塊上) 、模擬量輸入/ 輸出模塊。除此之外,在有些調速器系統中還可能用到定位模塊(高速脈沖輸出模塊) 、高速計數模塊、通信模塊(根據通信對象的不同,有可能要求串行的RS-232 ,RS-422 或RS-485 口,以及以太網通信處理器、PROFIBUS 通信處理器等) 、中斷模塊、觸摸式圖形操作終端等。因此,選擇控制器時應在弄清楚調速器系統構成的基礎上仔細考慮其可選擴展模塊是否能滿足調速器系統的要求。例如,目前有的調速器采用交流伺服電機位置環實現電/ 機轉換,則需要考慮所選控制器是否有合適的高速脈沖輸出模塊(就是常說的定位模塊) 可供選擇;又如,弄清楚調速器與監控系統等的通信接口后,則需要配置相應的通信模塊。
　　在調速器中,測頻環節極其重要,在確定測頻方式時,要考慮是否有相應的接口模塊可供選擇。目前在調速器中,測頻的實現主要有2 類: ①用單片機測出頻率再送至控制器,若是采用并行方式發送頻率,就要考慮控制器中被占用的I/ O 點數;若是用串行方式發送頻率,則要考慮串行通信口的擴展。②PLC 內測頻,包括2 種方式:一種是采用擴展的高速計數模塊,此時要考慮高速計數模塊的計數頻率是否滿足測頻精度的要求;另一種是不采用擴展的高速計數模塊,而利用控制器內部的高速計數功能及中斷功能,采用靜態頻率及動態頻率的概念[3]將速動性與高精度較好地結合在一起,此時要考慮的是控制器CPU 的高速計數功能的計數頻率。
　　2. 5 　控制器選擇空間
　　水輪機調速器是水電站中非常重要的輔機設備,它直接控制水輪發電機組的運行,因此對可靠性要求很高,其微機調節器的控制器應是大批量生產的可靠性高、技術先進的成熟產品。
　　現代化的水電站中,自動控制裝置已被廣泛使用,如閘門、水車、油壓裝置、高低壓氣機、勵磁、集水井等,這些自動控制裝置也要用控制器。同一個電站中,用戶往往希望選擇相同系列的控制器構成自動控制裝置,以便于培訓、維護及備品備件供應。因此,應用于調速器中的控制器應能考慮與電站其他設備的匹配,以滿足不同用戶的需求,這就要求控制器種類有廣泛的選擇空間,應該是在各領域中應用廣泛、性能成熟的產品。
　　2. 6 　關于分時多任務處理
　　所謂分時多任務處理,是指計算機采取按照時間片的輪換對多個任務串行執行的方式,其本質是分時串行。
　　如果確實有必要對多個獨立的任務進行處理,那么采用多個CPU 分別處理的方式,無論從成本、可靠性、可維護性、模塊化程度上都更加適合工程應用。如果這個多任務的執行過程需要通信,那么,在CPU 之間的通信(以太網、現場總線等) 也可以完全達到這一目的。如日本三菱的Q 系列PLC ,可以實現將多個CPU 安裝在同一主基板上,控制系統中的各個I/ O、智能模塊有各自的CPU 分別管理的多CPU 系統,CPU 間的通信可以分別通過自動刷新定期執行其通信功能的循環通信和通過專用命令隨機進行的瞬時通信,多CPU 系統將原CPU 單獨執行的順序控制、數據處理等分散到多臺專用的CPU中,使整個系統更高速化和高性能化。
　　對于調速器而言,控制過程已經非常成熟、規范,不存在需要將控制任務分成若干小任務并行處理的需求。實時多任務機制的采用應該說對改善調速器性能并無明顯益處。
　　3 　主要控制器簡介
　　前文已提到,應用于微機調節器中的控制器主要是IPC ,PLC ,PCC 等3 類。
　　IPC 即工控機,它由計算機和過程輸入/ 輸出通道兩大部分組成。IPC 功能強大,界面友好,但利用IPC 構成控制系統開發周期較長、現場布線不夠靈活、安裝體積大和擴展性差,而且IPC 模式主要是通過接口板轉換各種信號,干擾也是一個很大的問題。由于這些問題的存在, IPC 在調速器這一控制領域應用并不十分廣泛,目前已投入現場運行的IPC 調速器(包括企業自行設計的IPC) 約200 臺。IPC 在電力系統其他領域的應用還是很廣泛的,如電廠計算機監控系統、變電站計算機監控系統、調度中心工作站等。目前在自動控制領域應用比較廣泛的IPC 品牌有臺灣研華、美國Intel 、德國西門子、臺灣研祥等。
　　PLC 由于其初期在功能上只能進行邏輯控制,因此被稱為可編程邏輯控制器,隨著微電子技術的發展,PLC 的功能也不斷發展,具有邏輯運算、順序控制、定時、計數、算術運算、中斷、比較等操作指令,幾乎能實現控制領域的所有控制功能。因此PLC發展到現在, 實際上已成為功能完善的控制器,NEMA在1980 年將其正式命名為可編程控制器,即PC ,不過由于習慣,很多場合下還沿用PLC 的叫法。PLC 的編程語言為類似于繼電器控制線路的梯形圖,易于被電氣技術人員接受[4] 。至20 世紀70 年代,全世界有200 多個廠家生產了400 多個品種的PLC 產品及其網絡產品,在全世界的自動化控制裝置中, PLC 的產量、銷量、用量位居榜首[1] ,主要品牌及系列有日本三菱FX 系列、AnS 系列、Q 系列等,日本Omron ,德國西門子S7 系列、S5 系列,德國GE ,美國AB ,法國Modicon TSX 系列、昆騰系列,美國施奈德等。鑒于PLC 的標準化、系列化、高可靠性、應用廣泛和技術更新等優點,國際電工委員會(IEC) 從1992 年開始已連續發布了IEC 61131-1～IEC 61131-5 關于PLC 的5 項標準,對其總論、裝置要求和試驗、編程語言、用戶指南和技術條件等制定了標準。
　　華中科技大學在1993 年率先提出并完成了_PLC 調速器的開發和生產。PLC 調速器應用于現場后,因其安全、可靠、操作方便而得到用戶好評,并迅速得以推廣。目前,以PLC 為核心構成微機調節器的微機調速器已成為我國當前水輪機微機調速器的主導產品,目前已應用于現場的大概有900 余臺。
　　PCC 是1994 年由貝加萊提出的工業控制的一種新概念,其實質是一種在軟、硬件技術方面進一步發展的新一代可編程控制器產品,與常規PLC 相比,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的設計。PCC 與PLC 一樣能處理開關量、模擬量并進行回路調節,PCC 可以用梯形圖、語句表編程,也可以用高級語言編程,具備大型機的分析運算能力[5] 。據初步了解,PCC 目前在世界范圍內只有貝加萊一家公司生產,有大型的2010 系列、小型的2003 系列及中型的2005 系列。目前,已有兩三家調速器生產廠家研制成功以PCC 為核心構成微機調速器的微機調節器,而且有近50 臺運行于現場。PCC 目前主要應用于中小型調速器。
　　可見, IPC , PLC , PCC 其實質均是工業控制計算機,三者之間互相滲透,取長補短,有進一步融合的趨勢。如研華新近推出的ADAM-5510 PC-based PLC 就是一種融入PC 技術的PLC ,又如現在許多工控機都提供梯形圖編程語言。
　　表2 列出幾種IPC ,PLC ,PCC 的性能數據。

　　表2 　幾種IPC, PLC, PCC的部分性能數據

　　4 　結語
　　a. 微機調節器中控制器的選擇應從滿足調速器的性能、功能出發,選擇可靠性高、生產批量大、產品多以及能滿足某些特殊要求的成熟產品。
　　b. IPC ,PLC ,PCC 從廣義上看都是工業控制計算機,用做微機調節器的控制器都可以滿足調速器的性能及功能要求, PCC 實際上就是一種PLC ,但PCC 和IPC 更適用于數據采集和小型監控系統。
　　c. 隨著微機技術、通信技術及大規模集成電路技術的發展,將會出現性能優良、可靠性高、性價比更高的控制器,從事調速器工作的技術人員應緊跟技術發展,研制出品質更好的調速器產品。
　　參考文獻
　　1 　魏守平. 現代水輪機調節技術. 武漢:華中科技大學出版社,2002
　　2 　魏守平,余　嵐,劉昌玉,等. 可編程控制器調速器. 武漢鋼鐵學院學報,1994 ,17(13):323～330
　　3 　魏守平,羅　萍. 水輪機調速器的PLC 測頻方法. 水電能源科學,2000 (4) :31～33
　　4 　鐘肇新,彭　侃. 可編程控制器原理及應用. 廣州:華南理工大學出版社,1999
　　5 　齊　蓉. 可編程計算機控制器原理及應用. 西安:西北工業大學出版社,2002
　　作者：魏守平(1939 ,男,教授,博士生導師,主要從事水輪機數字式電液調速器和水電廠計算機控制設備的研究和開發工作。E-mail : spwei @public. wh. hb. cn)1 , 羅　萍2
　　(1. 華中科技大學水電與數字化工程學院, 湖北省武漢市430074)
　　(2. 武漢星聯控制系統工程有限責任公司, 湖北省武漢市430070)