摘要：为了提高励磁调节器的可靠性，提出了两种方案，可编程序控制器以其高可靠性深得工控领域的青睐，可编程计算机控制器不仅具有可编程序控制器的高可靠性，同时具备PC机的高速性和大容量等特点，特别是多任务操作系统的特点。在以上两种计算机功能的基础上研制的励磁调节器，可靠性高，性能指标优良，满足或优于国标和部标要求，从而有两类高可靠性的微机励磁调节器可供用户发电机励磁系统选择。
　　关键词：励磁调节器；性能指标；硬件配置；设计特点

　　发电机励磁装置是水电厂水轮发电机组最重要的辅机之一，它担负着维持发电机机端或电力系统电压恒定、实现并联运行机组间无功的稳定分配和提高发电机并联运行的稳定性等任务。其可靠性和技术性能指标对电力系统的安全、稳定、高效运行起着十分关键的作用。
　　作为励磁装置的核心部分调节器，随着计算机技术和电子技术的不断提高，其可靠性和技术性能亦同步发展，微机调节器几平已成为励磁调节器的唯一选择，同时，励磁系统的调节保护功能从采用硬件模块实现到通过软件模块化完成，与监控系统通信等都己是很简单的事情了。PLC（可编程序控制器的俗称）励磁调节器和PCC （可编程计算机控制器的俗称）励磁调节器在性能指标上能满足或优于国标，在可靠性上远好于其它微机励磁调节器，下面就这两种产品的研制予以介绍。
　　1. PLC励磁调节器
　　据不完全统计，自1993年第1台PLC调速器投运以来,到目前为止已有900多台套可编程调速器投运于国内外的各大中小型水电站。那么为什么励磁行业很少应用可编程序控制器，特别是励磁调节器呢？据了解，目前可编程励磁应用很少，所接触到的可编程励磁，大多数是励磁操作回路采用可编程序控制器，或采用可编程控制器来实现数字给定，而真正的PID 调节器不是利用PLC来完成的，更谈不上保护、限制、交流采样、移相触发等对CPU速度要求很高的功能了。这是因为大型电机的开路时间常数长达到约10s ，如葛洲坝机组。为了保证励磁的调节品质，调节器的采样周期一般应在10ms以内。有如此高的实时性要求,用PLC来测量定子电压、转子电流、有功功率、无功功率等是有困难的；用PLC来实现PID调节、PSS功能、测频测相等也有一定的困难；移相触发是PLC的最大难点，几乎不可能。
　　长江控制设备研究所（简称长控所）为了满足用户提出的励磁调节器和水轮机调速器配置相同或相近的要求，同时为了提高微机励磁调节器的可靠性，保证不存在死机、复位、病毒感染等普通计算机经常发生的致命弱点，特开发了可编程励磁调节器，采用日本三菱电机公司FX2N系列的可编程序控制器为核心硬件。
　　PLC励磁调节器就是基于简单、可靠、易于掌握的思路而开发的一代产品。
　　1.1 硬件配置
　　自动通道的组成如下：
　　1 个F940。日本三菱公司的STN彩色5.7 英寸触摸显示屏，利用该触摸显示屏,取代常规的键盘显示板，可靠性大大提高，丰富而友善的人机界面，更能体现以人为本的思想。非常人性化的操作界面，可实时显示励磁调节系统的各有关调节保护参数、采样数据、测量数值、给定值、调节输出值，记录试验过程曲线，修改各种调节、限制参数等。
　　1 个FX2N-32MT。16点输人、16 点输出的CPU基本单元，其中输入点用于测量机组频率和开关量输人处理，输出点用于自动操作风机、投助磁、PLC硬件故障处理等。
　　2 个FX2N一4AD。共8 路12位的模拟量输人模块，用于采集机端调变电压、机端仪变电压、系统电压、机组有功功率、机组无功功率、转子电流、手动通道的调节输出等。
　　1个FX2N一2DA 。两路12位的模拟量输出模块，用于输出PLC自动通道的调节输出。
　　1 块自动通道测量处理板（自制）。用于机组频率测量预处理和电压、电流直流测量的整流处理。
　　1 块自动通道的移相触发脉冲板（自制）。同步信号处理，并将自动调节输出转化为6 个可控硅（全控桥）的移相触发脉冲（采用专用的移相触发芯片TC787）
　　另外，配置有有功功率和无功功率变送器。
　　为了实现与上位机的串行通信，配置有FX2N一232 一BD（RS232接口 )或 FX2N-485-BD(RS485接口)。
　　手动通道由1 块手动调节板来实现。
　　手动调节板由单片机89C51来完成，整流并测量转子电流值能，恒电流调节或跟踪自动通道的调节输出值，同步信号处理．并用自动通道相同的方式将手动通道的调节输出值转化为6 个可控硅移相触发脉冲。
　　PLC励磁调节器的硬件构成如图l 所示。

　　图1  PLC励磁调节器的硬件构成

　　1.2 设计特点与软件功能
　　( 1）设计特点。① 该产品除具有可编程序控制器固有的可靠性高、抗干扰能力强等特点外，还具有设计简单、结构紧凑、体积小、运算速度快、人机界面友善、用户可读胜强、易于掌握、性能价格比高等优点；②PLC励磁调节器采用了日本三菱公司的恒扫描周期设定方式，从而保证了励磁调节的稳定性；③PLC励磁调节器不仅仅是数字给定更是数字调节和限制，它适用于各大、中、小型机组的励磁调节、为励磁调节多品种发展找到了一条新路；④ 对于速度要求很高的移相触发回路，采用专用的移相触发芯片TC787硬件来完成，而不采用PLC来实现，工作可靠，故障率低；③ 对干交流量（电压、电流、功率等）的采集，或采用可靠性高的变送器或交流整流后采样．减小可编程CPU的负担，从而提高自动通道的可靠性；⑥ 对于手动通道，采用智能CPU(89C51 单片机）来实现，即便是手动通道，智能化程度仍然很高，易于利用软件实现功能扩展；⑦ 可编程自动通道，来用先进的触模屏技术，非常友好的人机界面，充分体现了以人为本的设计思想。
　　( 2 ）软件功能。以三菱FX2N-32MT为调节器的可编程励磁装置，能实现各种励磁调节功能、励磁限制保护功能，参数修改与数值显示，与上位机进行多种方式的通讯，系统自检和在系统异常时发出故障报警信号，同时切换至手动通道运行。其主要功能为：电压调节、电流调节、无功调节、功率因数调节、电压跟踪、并网运行、低励限制、过励限制、V/F限制、快熔熔断限制、风机停转限制、参数防越限修改、数值显示、RS232 或RS485与仁位机通讯（可选）。
　　1.3 工业运行结论
　　该产品已于2002年10 月投运于湖北省锁金山水电站1.5 万kw 的2 号机组。并进行了全面的工业试验，主要性能指标如下：
　　自并励残压起励到100%机端电压     无超调，无振荡，起励时间2.8s
　　自并励逆变目灭磁                 灭磁时间1.9 s
　　手动机端调节电压范围             空载：5%~130%；并网：70%~115%
　　电压/频率特性                    试验频率变化范围频率每变化1%，机端电压最大0.1%
　　10%阶跃响应                   无超调、无摆动、调整时间1 s
　　调差率整定范围                   0~ 25%
　　发电机端电压静差率               0.1%
　　发电机调压精度                   0.1%
　　自并励方式甩负荷（甩100%无功    电压超调9.6%振荡1/2次，调节时间3.2 s
　　装置的各项技术性能指标均达到或优于国标部标。
　　用户几个月的运行表明：该可编程励磁装置性能指标优良，维护操作简便，可靠性高，系统运行稳定，并具有良好的调节品质，保障了安全、优质、高效运行，深得全体生产技术人员的一致好评，建议推广应用。
　　2. PCC励磁调节器
　　2.1 PCC介绍
　　在阐述代PCC励磁调节器之前，有必要介绍一下可编程计算机控制器这一新近发展起来的工业控制计算机的相关情况。
　　奥地利B&R工业自动化公司推出的可编程计算机控制器代表着一个全新的控制概念，它集成了PLC的标准控制功能和工业计算机的分时多任务操作系统功能，除具备代PC机的高速性和大容量等特点外，还具有PLC的高可靠性。
　　与常规PLC相比较，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设计。常规的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道及状态采集与刷新，这样的处理，直接导致了真正意义上的"控制速度"依赖于应用程序的大小，这一结果，无疑是同I/O通道中高实时性的控制要求相违背的。PCC的系统软件完美地解决了这一问题,它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台，这样应用程序的运行周期则与程序长短无关,而是由操作系统的循环周期决定，由此，它将应用程序的扫描周期同真正外部的控制周期区别开来，满足了真正实时控制的要求。当然这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求，任意修改。
　　PCC在远程通信方面的灵活性，是区别于常规PLC的一大显著标志，作为未来构成分布式现场I/O控制的主要角色之一，PCC为此提供了十分灵活多样的解决方案。除开放式现场总线的网络方案之外，PCC 还提供了RS485总线上多种局部主从网络协议，用户不仅可以采用PCC 自身的网络协议，也可以方便的与其他厂家的PLC等工控设备联网通信（如西门子，AB , Modicon等）,在一些特殊情况下，PCC还为用户提供了创建自定义协议的工具（帧驱动器），由于具备这样的技术优势，PCC常常能解决许多常规PLC所望尘莫及的通信难题，轻松实现与各种不同产品、不同通信协议的互联。
　　2.2 硬件配置
　　PCC励磁调节器由于其硬件本身的可靠性很高,一般采用单机结构，应用户的特别要求也可以提供双机。当采用单机时，提供l 个80C196微机手动调节通道。调节器由奥地利贝加莱( B & B ）工业自动化公司提供的PP41控制机（CPU控制器和操作面板一体化）、l 个4 路模拟量输人模块AI354、l 个10 路开关量输人模块DIl38 、2 个4 通道数字量输出模块DO135、1 个用于与监控系统进行通讯的RS232 接口模块IF311或RS485/RS422接口模块IF321组成。值得一提的是，PP41内部还提供2 个备用模块扩展槽，以便扩展功能，提供10 路开关量输入接口X2，8 路晶体管输出接口X3 。此外，PP41本体提供l 个PC机开发PCC 程序用的RS232 接口和1 个远距离网络通讯用的CAN现场总线接口。
　　PCC励磁调节器构成如图2 所示。

　　图2  PCC励磁调节器构成

　　2.3 设计特点
　　PCC励磁调节器是充分利用PCC的特点而研制的一代新产品，有如下设计特点：
　　( 1 )具有比常规PLC更高的可靠性,平均无故障时间达50 万h。
　　( 2 )PP41具有公用PCC全系列软件开发工具Automation Studio，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。不象其它工控机，操作界面与调节控制需用不同的开发软件。值得一提的是，相对于PLC ，PCC程序中对变量的命名更具有人性化，程序的可读性也更强。
　　( 3 )符合IEC 国际标准的编程语言，可以根据不同层次人员选用低级语言（如梯形图）或高级语言（如BASIC、C ）编程,系统可以同时接收几种类型的编程语言。
　    ( 4 ) PP41的主处理器为摩托罗拉芯片68332，为32 位CPU，具有高速的信号处理器TPU 功能，TPU功能可使系统响应时间达到微秒的范围，而CPU 不需作任何加载。
　  （5）PP41自身带有控制器和显示操作面板,因此用它来制作励磁调节器显得结构简单、节省空间且图文丰富、功能完善.显示操作面板上带有5.7 英寸的LCD显示区，包括数字键在内的多种功能按键以及指示灯,结合软件，可以完成切换画面、设置密码、修改参数、显示工况、数据列表、辅助实验等多种功能。
　  ( 6 )设置多级密码以保护不同操作级别的用户，采用flash存贮技术，FLASH 数据保存,具有屏幕保护功能，对时变测量数据有绘图打印处理功能。
　  ( 7 )当系统发生故障时，PP41会根据不同类型的故障，以不同的速度闪烁相应的指示灯，以提示操作人员注意并处理；当系统级故障时，故障报警接点吸合，告之上位机系统。
　   ( 8 ）工业控制领域引入多任务操作系统，可以改善和提高励磁系统的性能指标,可以将整个调节控制分成数个具有不同优先权的任务等级（TASK CLASS）。不同的任务等级，优先权越高，其扫描周期越短；优先权越低，其扫描周期越长。充分利用PCC的多任务分时操作系统资源，主循环和一般性的判断处理程序放在普通任务层；定子电压、转子电流采样，有功、无功计算，PID、PSS运算和各种限制处理等放在高速任务层；测频、测相、移相触发脉冲的发出等采用PCC 本体所特有的TPU功能以及TPU 功能模块来实现。在这种多任务操作系统的管理下，优先权高的任务等级总是先被执行，在剩余的时间里才执行优先权较低的任务等级。整个操作系统得到了优化,可以有效地保证励磁装置的实时性，从而改善和提高整个励磁系统的调节性能指标。
　　( 9 ）测频，有功、无功和功率因数计算所需的相角，6 个可控硅移相触发脉冲的发出等功能的实现由PP41主机的TPU功能以及具有TPU功能的高速数字量输出模块DO135来完成，这些都是常规PLC所不能做到的。这样，保证了PCC励磁调节器的全部功能软件化，易于功能扩展而不增加成本，设计更加紧凑，硬件和结构更加简单，产品更加可靠,这也是一般PLC励磁调节器所不具备的。
　　( 10 ）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。
　　2.4 功能与试验
　　( 1 ）主要功能有电压调节、励磁电流调节、各种励磁限制、无功功率调差、脉冲移相、给定与自动跟踪、电量采集与计算、起励及逆变控制、通道切换等。它们有着公用的硬件，主要依靠软件完成以上功能。这种以硬件为构架，尽量把功能软件化的设计策略，不但减少硬件配置，提高功能的稳定性，而且有利于装置透明运行、提高装置的可靠性和配置的灵活性。
　　( 2 ）辅助试验功能通过操作面板上的功能键和显示屏，可以很方便地完成各项辅助试验功能。
　　( 3 ）PCC励磁调节器样机己试制完成，进行了试验室的动模试验和数字仿真试验，试验结果表明：调节品质优于同等档次的PLC励磁调节器，试验室具备考核条件的各项胜能指标皆满足或优于国标、部标的要求，有推广应用的价值。
　　3. 结语
　　近年来我国对励磁调节器的研究十分活跃，在研制新型励磁方而也积累了丰富的经验。现在市场上比较畅销的产品主要是双微机（单片机\STD总线等）励磁调节器，它们在某些方面确实代表着励磁调节器的方向，符合水电广无人值班、少人值守和综合自动化的要求。可编程（PLC）励磁和可编程计算机（PCC）励磁在开发计算机励磁的高可靠性方面作了大量的工作，同时也保证了计算机的大容量、高速度的应用，调节品质和性能指标同样优良，满足或优于国标或部标标准。可以相信，PLC励磁和PCC励磁将领衔励磁行业，特别是PCC励磁调节器将会在励磁行业掀起一阵热潮。
　　参考文献：
　　[1]齐   蓉  新一代可编程计算机控制器技术  西安：西北工业大学出版社 2000
　　[2]潘熙和等  可编程计算机水轮机调速器研制及枝术特点分析  长江科学院院报 2003 ，( l )
　　[3]周双喜等  同步发电机数字式励磁调节器  北京：中国电力出版社 1998
　　[4]樊  俊等  同步发电机半导体励磁原理及应用  北京：水利电力出版社 1991
　　[5]丁尔谋  发电厂励磁调节  北京：中国电力出版社，1998          （编拜：徐诗银）
　　作者：　　
　　潘熙和（男，长江水利委员会长江科学院控制设备研究所副所长兼总工租师，高级工程师，硕士）   张祖贵   黄业华
　　长江水利委员会  长江科学院，湖北武汉430010