摘要: 本文基于新型的B&R2005系列可编程计算机控制器---PCC( Programmable Computer Controller) , 设计并实现了一种功能丰富、稳定可靠的水轮机组现地控制系统, 并且基于PCC 强大的通讯功能实现了机组的上位机远程监控。PCC 基于分时多任务系统, 在拥有可编程逻辑控制器---PLC( Programmable Logic Controller) 的高稳定性的同时, 也拥有计算机的快速、高效以及编程功能强大等特点, 能够胜任实时性、准确性要求较高的控制任务。
关键词: 可编程计算机控制器；分时多任务系统；开关量输入模块；模拟量输入模块；帧驱动器
Abstract: This article developed on the basis of one new-type Programmable Computer Controller(PCC) of B&R 2005 and it designed and realized a local controlling system of generator which provided with abundant function. In addition, this system realized
far-distance monitoring based on the powerful communication ability of PCC. The Programmable Computer Controller(PCC), which based on time- sharing and multitask system, provided with high stability, high- speed, high efficiency and powerful programmable ability of computer, can be competent for controlling task which requires high veracity and real- time response.
Key words: Progr ammable Computer Controller ；Time- shar ing and Multitask system；Digital Input Modules；Analog Input Modules；Frame Driver
1 概述
水轮机组现地控制单元( LCU) 作为水电站监控系统基础层的主要组成部分, 其性能对整个监控系统影响巨大。随着人们对监控系统自动化程度要求的日益提高, 以中小型PLC为控制核心的LCU在高速数据处理以及通讯等方面的能力已经捉襟见肘。而可编程计算机控制器( Programmable Computer Controller, 简称PCC)不仅拥有PLC稳定可靠的优点, 同时也具备了强大的数据处理及通讯能力。本系统即基于B&R2005系列PCC, 采用ANSI C 语言编制控制程序, 同时以最小二乘法对机组模拟量进行滤波, 并基于帧驱动器( Frame Driver) 实现了控制系统同外部智能设备的通讯。
2 系统结构
本系统采用B&R2005系列中型PCC。该PCC系统由一系列独立封装的盒式模块组成, 基本模块包括电源模块和CPU模块, 扩展模块包括IO模块、通讯模块等。
在该系统中, 调速器、电量仪以及温度巡检仪等智能设备能够稳定地同PCC通讯并将数据送入PCC,而PCC将处理后的数据通过以太网送至上位机监控终端, 同时也将数据送至LCU上的人机界面进行显示。这种模式弥补了设备分散带来的不足, 使运行人员可以在上位机或人机界面上监控机组运行状态, 实现真正的集散式监控系统。
该系统结构如图1 所示。
3 水轮机组现地控制系统设计
3.1 硬件配置
模块式结构使PCC系统的配置灵活方便, 该系统主要配置模块如下:
1）开关量输入模块(DI486)。该模块用于采集机组各种开关量,如机组断路器开关。
2)开关量输出模块(DO650)。该模块用于输出机组操作、保护命令,如水轮机开停机。
3)模拟量输入模块(AI775)。该模块以10~20ms的模数转换时间采集机组模拟量,如压油罐油压、集油槽油位等。
4)通讯模块(IFO60)。该模块可为系统提供各种通讯接口支持,包括RS232等。
该PCC系统除了上述模块以外还有温度量模块等,同时该LCU系统还有其他智能设备，如电量仪、温度巡检仪以及转速继电器等，其功能分别为：采集发电机的电量参数、采集定子及转子温度以及采集机组转速、频率等。
3.2 软件系统设计
3.2.1 任务层设计
PCC的操作系统是一个分时多任务操作系统,这种操作系统可使控制系统得以优化,拥有更好的稳定性和实时性.在该控制程序中,各个任务程序模块依据其自身的重要性、实时性要求，分别位于优先级不同的任务层下，完成不同的功能。例如，事故故障处理直接影响水轮机组的安全运行，因此该模块被置于任务层Cycllic #1(20ms)中；而对实时性要求相对不高的模块如通讯程序模块，则被置于任务层Cycllic #4(20ms)中。 图2为控制程序各个任务程序模块的任务层分布。
图2程序模块的任务层分布
3.2.2 模拟量处理程序的设计
机组模拟量如压力、温度等对整个水轮机组的正常运行起着至关重要的作用，因此需要对模拟量进行滤波以保证数据的准确性。以PCC为核心的控制系统对模拟量值的滤波一般是通过将模数转换器得到的数值进行平均N次得以实现，存在着可靠性差等缺点。该程序则基于最小二乘法对模拟量数据进行拟合处理，并可根据传感器特性的变化调整参数，大大提高了数据的可靠性。最小二乘法即:
选择适当的a,b,使得式(1)中的ε最小。
（1）
因为ε是a,b的函数,所以,用求极值的方法可知应满足:
(2)
解出a,b:
(3)
则:
(4)
式(4)中Yi即为第i个模拟量通道的数据处理结果，其中Xi为从传感器读取的第i个模拟量通道的初始值；ai，bi为对应该通道的参数)；n为平均次数，程序中一般取20次。
模拟量处理模块部分程序如下:
Int AnalogueFilter(unsigned int No,int AValue)
{IValue=Avalue* AcoefficientA[No]+AcoefficientB[No];/* 最小二乘法滤波
IValue=FiatFilter(No, Ivalue,1);/* 平均值滤波
If((Ivalue >= AValueMin[No])&&( Ivalue <=AValueMax[No]))
{Evalue= EValue+Alog[No][i];
Fvalue=( EValue+IValue)/20;}
3.2.3 通讯程序设计
该LCU与外部设备如电量仪等的通讯基于帧驱动器。帧驱动器(Frame Driver)是一种介于应用程序和硬件接口之间的软件工具箱，它使帧以字节流的形式进行发送与接受，无需驱动器来对这些帧进行操作。
1)初始化。通讯开始时，通过帧命令FRM_xopen(device,mode)初始化端口，其参数定义了接口设备、接口参数以及数据传输状态等。
2)数据发送与接收。
函数FRM_xopen（）初始化完成后返回缓冲区的地址及其长度，然后调用memcpy()将数据写入缓冲区，并将数据发送出去。数据接收的过程与发送基本相反，帧驱动器首先调用FRM_read读取一帧数据并把它放在缓冲区中，然后由memcpy()读出该缓冲区的内容。
通讯模块部分程序如下:
Void OpenComPortProc(void)/* 端口初始化/{strcpy(StringMode,"RS485,9600,N,8,1":/ * 通讯参数*/
FrameXOpenStruct.device=(UDINT)StringDevice；
FrameXOpenStruct.mode=(UDINT)StringMode；
FRM_xopen (&FrameXOpenStruct)；
Ident=&FrameXOpenStruct.ident；}
4 结束语
本文结合发展迅速的可编程计算机控制器技术,介绍了一种新型高效的水电站现地控制系统。该系统基于B&R2005系列PCC, 在以最小二乘法对机组模拟量进行滤波的基础上, 实现了机组的各种控制与保护功能, 并基于帧驱动器实现了控制系统同外部智能设备的通讯, 组成了一个适用于中小型水电站的分层分布式监控系统。自现场安装调试完毕至今, 该监控系统已安全可靠地稳定运行了将近一年, 得到了广西宜州水电厂广大职工领导的好评。相信在不久的将来,PCC将会依靠其强大的性能逐渐取代PLC, 成为水电厂自动化改造中不可或缺的一部分。
参考文献
[1]齐蓉, 陈杨, 樊惠芳等. 可编程计算机控制器教程.西安: 西北工业大学出版社, 2002
[2]贝加莱工业自动化软件及硬件技术手册.2003
[3]欧元贤, 刘旺玉. 基于三菱运动控制单元的碾铆机数控系统[J] .微计算机信息, 2005,2:17- 19
作者: 徐惠攀（ 男, 1982 年生, 汉族, 硕士研究生,主要研究方向为: 自动控制理论及自动化技术。email:huipan.xu@gmail.com ）王典洪（男, 1957 年生, 汉族, 教授, 博士生导师, 主要研究方向为: 计算机图像处理以及计算机应用等。）孔令彬（男, 1962 年生, 汉族,教授, 主要研究方向为: 微光学及红外热成像技术）章璐（男, 1962 年生, 汉族, 武汉东兴自动控制技术有限公司经理, 高级工程师。）
(430074 湖北武汉中国地质大学机电学院) 徐惠攀 王典洪 孔令彬
( 430077 湖北武汉武汉东兴自动控制技术有限公司) 章璐
(Depar tment of Mechanic and Electronic Engineering of China Univer sity of Geosciences, Wuhan,HuBei Province, 430074) Xu,Huipan Wang,Dianhong Kong,Lingbin
(Wuhan DongXing Automation Technology Company Co.,Ltd, Wuhan, HuBei Province, 430077)
Zhang,Lu