摘要: 从速度、存储容量、编程语言、接口特性等方面分析了数字式电液调速器微机调节器中控制器的选择原则,并对微机调节器中较为常用的几类控制器做了分析比较。
　　关键词: 水轮调速器; 数字式电液调速器; 微机调节器; 可编程计算机控制器
　　1 　数字式电液调速器的发展及特点
　　随着微电子技术的发展,调速器的发展也进入了数字式(微机) 电液调速器阶段,数字式电液调速器习惯上也称为微机调速器。微机调速器又从最初的单片机、单板机微机调速器发展到现在的工业控制计算机(IPC) 调速器、可编程控制器(PLC) 调速器、可编程计算机控制器(PCC) 调速器。所谓IPC ,PLC ,PCC 调速器是指电液调速器的微机调节器分别以IPC ,PLC ,PCC 为核心构成(见图1) 。

　　图1 　数字式( 微机) 电液调速器的构成

　　微机调速器由微机调节器及电液随动系统构成。微机调节器以高可靠性的控制器为核心,采集频率信号及控制信号,用计算机程序实现复杂的运算及控制功能,并以一定方式输出控制结果作为电液随动系统的输入。微机调速器具有可靠性高、外围电路少、编程方便、功能扩展性好等特点[1] 。
　　2 　微机调节器中控制器的选择
　　从图1 可见,微机调节器的核心在于控制器,控制器完成调速器的信号采集、数据运算、控制规律实现、运行状态切换、其他附加功能及控制值输出等功能。调速器的功能基本由控制器实现,电液随动系统主要是执行机构。因此,在设计调速器微机调节器时,选择合适的控制器很重要。目前市场上的控制器种类很多,如单片机、单板机、PLC、PCC、IPC等,但由于调速器是应用于工业现场的设备,对可靠性要求很高。因此,选择微机调节器的控制器的一条重要原则是,要选用适合于工业现场使用的抗干扰能力强、可靠性高、选择余地大、操作维护方便的控制器。目前满足此原则的主要是PLC , PCC ,IPC 等几类控制器,此外,还应从以下几方面考虑。
　　2. 1 　控制器的速度
　　所谓控制器的速度, 包含2 层含义: 控制器CPU 的位数和控制器中用户程序的扫描周期。
　　控制器CPU 的位数反映到调速器中主要体现在控制精度上,按国标要求调速器转速死区小于
　　0.02 % ,而在用最大差值法计算转速死区时,最大相对差值还要乘以bp；假设bp = 10 % ,则要求最大相对差值小于0. 1 %。以16 位机的控制器为例,假设整数运算中,以整数25000 表示开度为100 % ,那么,开度分辨率为0.004 % ,其值远远小于0.1 % ,可见,16 位机足以满足要求。况且,即使是16 位机,由于双字算法的存在,也能实现32 位运算,从这个意义上说,即使是8 位机应用于调速器也是满足要求的,因为8 位机中也有字节运算、字运算及双字运算。因此,32 位机、16 位机甚至8 位机均可应用于调速器并满足性能要求。
　　关于控制器中用户程序的扫描周期,从以下几个方面考虑:
　　a. 频率信号采样周期。从调速器系统结构框图(见图2) 可见,机组频率信号是调速器系统的输入；调速器根据采集到的频率信号,算出频差,针对频差进行PID 运算,运算的结果即调节器的输出；调节器的输出再以一定的方式控制机械液压系统,机械液压系统再去操作导水叶,控制其开度。因此,调节器的输出是与频率的变化密切相关的。目前,调速器普遍采用的测频方法是测周期法[2] ,当被测频率为50Hz 时,最小采样周期为20ms ,即被测频率信号的更新周期为20ms。由于频率的采样周期为20ms 左右,用户程序的扫描周期一般应比频率信号采样周期小,但小到一定程度后意义就不大了。

　　图2 　调速器系统结构

　　b. 水轮发电机组和电液转换器(或电/ 机转换装置) 的截止频率。水轮发电机组的截止频率一般为0.1 Hz～1.0 Hz ,调速器中电液转换器的截止频率一般为3Hz～10Hz[1] 。根据控制理论的香农采样定理,"要从采样信号中完全复现出采样前的连续信号,必须满足采样频率大于或等于2 倍的采样器输入连续信号频谱中的最高频率",将此定理应用于调速器系统,若采用2 倍于水轮发电机组和电液转换器截止频率的采样频率,即6 Hz～20 Hz ,就能满足香农采样定理,此时调节器采样周期为167 ms～50 ms。
　　c. 调速器不动时间。国标要求调速器的不动时间小于0.2 s。在调速器系统中,不动时间主要由3 部分组成:2 倍的调节器用户程序扫描周期(在最差的情况下) ,导叶位置输出D/ A 转换时间,调速器机械液压系统主配压阀搭迭量、死区等。按照这种构成,程序扫描周期部分小于整个不动时间的1/ 4是可行的,经计算,不动时间的指标要求程序扫描周期小于25ms。
　　综上所述,控制器用户程序扫描周期以5ms～15ms 为宜。
　　2. 2 　I/ O 及存储容量
　　对应用于调速器系统的控制器而言,由于调速器基本功能固定,用户程序功能单一集中,并且水轮机调速器程序已经基本实现标准化,对于不同电站不同类型的调速器其程序的更改一般为10 %左右。到目前为止,我们在水轮机数字式电液调速器中使用过的控制器有不同国家、不同公司、不同系列的多达8 种PLC 产品。根据经验,对数字量的I/ O 点数、模拟量的I/ O 点数、程序存储容量、数据存储容量进行统计,如表1 所示(表中的统计数据已留有充分的裕量) 。

　　表1 　应用于调速器中PLC的I/ O点数及存储容量统计

　　2. 3 　编程语言
　　目前市场上比较通用的控制器,其编程语言不外乎C、BASIC 等高级语言,以及梯形图、功能块、语句表等几种语言。一般认为,高级语言功能强大,编程灵活,能实现较复杂的算法,但高级语言编制起来较复杂,对现场的工程技术人员来说,掌握起来有一定难度,不利于维护。因此在调速器领域,大概有80 %～90 %的编程使用的是梯形图语言。
　　梯形图语言最初主要用于PLC ,其后随着电子技术的发展, IPC、PCC 等均有梯形图语言可供选择。而梯形图语言本身也已经不再仅仅是逻辑顺序控制,随着PLC 的发展,梯形图语言也有了逻辑运算、浮点数运算、比较运算,高速计数功能、PID 运算功能块、PWM 运算、变量寻址、指针运算等。梯形图语言简单明了,逻辑清晰,容易掌握,调试方便,而且功能强大,现在,有些PLC 的梯形图编程系统已经实现了程序结构化、标准化,一些功能已由PLC操作系统集成为功能块,只需在梯形图程序中调用,如PID 控制功能块。
　　而对调速器而言,由于其程序已经基本标准化,应用于某一具体用户的调速器程序基本是由90%
　　的基本程序加10 %的用户特定程序构成,可见,对每个调速器的程序工作量相对而言并不大。例如,
　　用梯形图语言编制某调速器的用户特定程序,一个较熟练的技术人员大概只需5h～8h 即可完成。
　　因此,从应用角度讲,高级语言、梯形图语言、功能块语言、语句表语言均能较好地实现调速器的功能,但从实用角度讲,梯形图语言更利于用户技术人员阅读调速器程序,从而有利于设备维护。
　　2. 4 　接口特性
　　在调速器系统中,其微机调节器的控制器的基本配置包括CPU 模块、开关量输入/ 输出模块(也有的开关量输入/ 输出就集成在CPU 模块上) 、模拟量输入/ 输出模块。除此之外,在有些调速器系统中还可能用到定位模块(高速脉冲输出模块) 、高速计数模块、通信模块(根据通信对象的不同,有可能要求串行的RS-232 ,RS-422 或RS-485 口,以及以太网通信处理器、PROFIBUS 通信处理器等) 、中断模块、触摸式图形操作终端等。因此,选择控制器时应在弄清楚调速器系统构成的基础上仔细考虑其可选扩展模块是否能满足调速器系统的要求。例如,目前有的调速器采用交流伺服电机位置环实现电/ 机转换,则需要考虑所选控制器是否有合适的高速脉冲输出模块(就是常说的定位模块) 可供选择;又如,弄清楚调速器与监控系统等的通信接口后,则需要配置相应的通信模块。
　　在调速器中,测频环节极其重要,在确定测频方式时,要考虑是否有相应的接口模块可供选择。目前在调速器中,测频的实现主要有2 类: ①用单片机测出频率再送至控制器,若是采用并行方式发送频率,就要考虑控制器中被占用的I/ O 点数;若是用串行方式发送频率,则要考虑串行通信口的扩展。②PLC 内测频,包括2 种方式:一种是采用扩展的高速计数模块,此时要考虑高速计数模块的计数频率是否满足测频精度的要求;另一种是不采用扩展的高速计数模块,而利用控制器内部的高速计数功能及中断功能,采用静态频率及动态频率的概念[3]将速动性与高精度较好地结合在一起,此时要考虑的是控制器CPU 的高速计数功能的计数频率。
　　2. 5 　控制器选择空间
　　水轮机调速器是水电站中非常重要的辅机设备,它直接控制水轮发电机组的运行,因此对可靠性要求很高,其微机调节器的控制器应是大批量生产的可靠性高、技术先进的成熟产品。
　　现代化的水电站中,自动控制装置已被广泛使用,如闸门、水车、油压装置、高低压气机、励磁、集水井等,这些自动控制装置也要用控制器。同一个电站中,用户往往希望选择相同系列的控制器构成自动控制装置,以便于培训、维护及备品备件供应。因此,应用于调速器中的控制器应能考虑与电站其他设备的匹配,以满足不同用户的需求,这就要求控制器种类有广泛的选择空间,应该是在各领域中应用广泛、性能成熟的产品。
　　2. 6 　关于分时多任务处理
　　所谓分时多任务处理,是指计算机采取按照时间片的轮换对多个任务串行执行的方式,其本质是分时串行。
　　如果确实有必要对多个独立的任务进行处理,那么采用多个CPU 分别处理的方式,无论从成本、可靠性、可维护性、模块化程度上都更加适合工程应用。如果这个多任务的执行过程需要通信,那么,在CPU 之间的通信(以太网、现场总线等) 也可以完全达到这一目的。如日本三菱的Q 系列PLC ,可以实现将多个CPU 安装在同一主基板上,控制系统中的各个I/ O、智能模块有各自的CPU 分别管理的多CPU 系统,CPU 间的通信可以分别通过自动刷新定期执行其通信功能的循环通信和通过专用命令随机进行的瞬时通信,多CPU 系统将原CPU 单独执行的顺序控制、数据处理等分散到多台专用的CPU中,使整个系统更高速化和高性能化。
　　对于调速器而言,控制过程已经非常成熟、规范,不存在需要将控制任务分成若干小任务并行处理的需求。实时多任务机制的采用应该说对改善调速器性能并无明显益处。
　　3 　主要控制器简介
　　前文已提到,应用于微机调节器中的控制器主要是IPC ,PLC ,PCC 等3 类。
　　IPC 即工控机,它由计算机和过程输入/ 输出通道两大部分组成。IPC 功能强大,界面友好,但利用IPC 构成控制系统开发周期较长、现场布线不够灵活、安装体积大和扩展性差,而且IPC 模式主要是通过接口板转换各种信号,干扰也是一个很大的问题。由于这些问题的存在, IPC 在调速器这一控制领域应用并不十分广泛,目前已投入现场运行的IPC 调速器(包括企业自行设计的IPC) 约200 台。IPC 在电力系统其他领域的应用还是很广泛的,如电厂计算机监控系统、变电站计算机监控系统、调度中心工作站等。目前在自动控制领域应用比较广泛的IPC 品牌有台湾研华、美国Intel 、德国西门子、台湾研祥等。
　　PLC 由于其初期在功能上只能进行逻辑控制,因此被称为可编程逻辑控制器,随着微电子技术的发展,PLC 的功能也不断发展,具有逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术运算、中断、比较等操作指令,几乎能实现控制领域的所有控制功能。因此PLC发展到现在, 实际上已成为功能完善的控制器,NEMA在1980 年将其正式命名为可编程控制器,即PC ,不过由于习惯,很多场合下还沿用PLC 的叫法。PLC 的编程语言为类似于继电器控制线路的梯形图,易于被电气技术人员接受[4] 。至20 世纪70 年代,全世界有200 多个厂家生产了400 多个品种的PLC 产品及其网络产品,在全世界的自动化控制装置中, PLC 的产量、销量、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 ,德国西门子S7 系列、S5 系列,德国GE ,美国AB ,法国Modicon TSX 系列、昆腾系列,美国施奈德等。鉴于PLC 的标准化、系列化、高可靠性、应用广泛和技术更新等优点,国际电工委员会(IEC) 从1992 年开始已连续发布了IEC 61131-1～IEC 61131-5 关于PLC 的5 项标准,对其总论、装置要求和试验、编程语言、用户指南和技术条件等制定了标准。
　　华中科技大学在1993 年率先提出并完成了_PLC 调速器的开发和生产。PLC 调速器应用于现场后,因其安全、可靠、操作方便而得到用户好评,并迅速得以推广。目前,以PLC 为核心构成微机调节器的微机调速器已成为我国当前水轮机微机调速器的主导产品,目前已应用于现场的大概有900 余台。
　　PCC 是1994 年由贝加莱提出的工业控制的一种新概念,其实质是一种在软、硬件技术方面进一步发展的新一代可编程控制器产品,与常规PLC 相比,PCC 最大的特点在于其类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计。PCC 与PLC 一样能处理开关量、模拟量并进行回路调节,PCC 可以用梯形图、语句表编程,也可以用高级语言编程,具备大型机的分析运算能力[5] 。据初步了解,PCC 目前在世界范围内只有贝加莱一家公司生产,有大型的2010 系列、小型的2003 系列及中型的2005 系列。目前,已有两三家调速器生产厂家研制成功以PCC 为核心构成微机调速器的微机调节器,而且有近50 台运行于现场。PCC 目前主要应用于中小型调速器。
　　可见, IPC , PLC , PCC 其实质均是工业控制计算机,三者之间互相渗透,取长补短,有进一步融合的趋势。如研华新近推出的ADAM-5510 PC-based PLC 就是一种融入PC 技术的PLC ,又如现在许多工控机都提供梯形图编程语言。
　　表2 列出几种IPC ,PLC ,PCC 的性能数据。

　　表2 　几种IPC, PLC, PCC的部分性能数据

　　4 　结语
　　a. 微机调节器中控制器的选择应从满足调速器的性能、功能出发,选择可靠性高、生产批量大、产品多以及能满足某些特殊要求的成熟产品。
　　b. IPC ,PLC ,PCC 从广义上看都是工业控制计算机,用做微机调节器的控制器都可以满足调速器的性能及功能要求, PCC 实际上就是一种PLC ,但PCC 和IPC 更适用于数据采集和小型监控系统。
　　c. 随着微机技术、通信技术及大规模集成电路技术的发展,将会出现性能优良、可靠性高、性价比更高的控制器,从事调速器工作的技术人员应紧跟技术发展,研制出品质更好的调速器产品。
　　参考文献
　　1 　魏守平. 现代水轮机调节技术. 武汉:华中科技大学出版社,2002
　　2 　魏守平,余　岚,刘昌玉,等. 可编程控制器调速器. 武汉钢铁学院学报,1994 ,17(13):323～330
　　3 　魏守平,罗　萍. 水轮机调速器的PLC 测频方法. 水电能源科学,2000 (4) :31～33
　　4 　钟肇新,彭　侃. 可编程控制器原理及应用. 广州:华南理工大学出版社,1999
　　5 　齐　蓉. 可编程计算机控制器原理及应用. 西安:西北工业大学出版社,2002
　　作者：魏守平(1939 ,男,教授,博士生导师,主要从事水轮机数字式电液调速器和水电厂计算机控制设备的研究和开发工作。E-mail : spwei @public. wh. hb. cn)1 , 罗　萍2
　　(1. 华中科技大学水电与数字化工程学院, 湖北省武汉市430074)
　　(2. 武汉星联控制系统工程有限责任公司, 湖北省武汉市430070)