摘要：為了提高勵磁調(diào)節(jié)器的可靠性，提出了兩種方案，可編程序控制器以其高可靠性深得工控領域的青睞，可編程計算機控制器不僅具有可編程序控制器的高可靠性，同時具備PC機的高速性和大容量等特點，特別是多任務操作系統(tǒng)的特點。在以上兩種計算機功能的基礎上研制的勵磁調(diào)節(jié)器，可靠性高，性能指標優(yōu)良，滿足或優(yōu)于國標和部標要求，從而有兩類高可靠性的微機勵磁調(diào)節(jié)器可供用戶發(fā)電機勵磁系統(tǒng)選擇。
　　關鍵詞：勵磁調(diào)節(jié)器；性能指標；硬件配置；設計特點

　　發(fā)電機勵磁裝置是水電廠水輪發(fā)電機組最重要的輔機之一，它擔負著維持發(fā)電機機端或電力系統(tǒng)電壓恒定、實現(xiàn)并聯(lián)運行機組間無功的穩(wěn)定分配和提高發(fā)電機并聯(lián)運行的穩(wěn)定性等任務。其可靠性和技術性能指標對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運行起著十分關鍵的作用。
　　作為勵磁裝置的核心部分調(diào)節(jié)器，隨著計算機技術和電子技術的不斷提高，其可靠性和技術性能亦同步發(fā)展，微機調(diào)節(jié)器幾平已成為勵磁調(diào)節(jié)器的唯一選擇，同時，勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)保護功能從采用硬件模塊實現(xiàn)到通過軟件模塊化完成，與監(jiān)控系統(tǒng)通信等都己是很簡單的事情了。PLC（可編程序控制器的俗稱）勵磁調(diào)節(jié)器和PCC （可編程計算機控制器的俗稱）勵磁調(diào)節(jié)器在性能指標上能滿足或優(yōu)于國標，在可靠性上遠好于其它微機勵磁調(diào)節(jié)器，下面就這兩種產(chǎn)品的研制予以介紹。
　　1. PLC勵磁調(diào)節(jié)器
　　據(jù)不完全統(tǒng)計，自1993年第1臺PLC調(diào)速器投運以來,到目前為止已有900多臺套可編程調(diào)速器投運于國內(nèi)外的各大中小型水電站。那么為什么勵磁行業(yè)很少應用可編程序控制器，特別是勵磁調(diào)節(jié)器呢？據(jù)了解，目前可編程勵磁應用很少，所接觸到的可編程勵磁，大多數(shù)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(xiàn)數(shù)字給定，而真正的PID 調(diào)節(jié)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(fā)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(shù)長達到約10s ，如葛洲壩機組。為了保證勵磁的調(diào)節(jié)品質，調(diào)節(jié)器的采樣周期一般應在10ms以內(nèi)。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(xiàn)PID調(diào)節(jié)、PSS功能、測頻測相等也有一定的困難；移相觸發(fā)是PLC的最大難點，幾乎不可能。
　　長江控制設備研究所（簡稱長控所）為了滿足用戶提出的勵磁調(diào)節(jié)器和水輪機調(diào)速器配置相同或相近的要求，同時為了提高微機勵磁調(diào)節(jié)器的可靠性，保證不存在死機、復位、病毒感染等普通計算機經(jīng)常發(fā)生的致命弱點，特開發(fā)了可編程勵磁調(diào)節(jié)器，采用日本三菱電機公司FX2N系列的可編程序控制器為核心硬件。
　　PLC勵磁調(diào)節(jié)器就是基于簡單、可靠、易于掌握的思路而開發(fā)的一代產(chǎn)品。
　　1.1 硬件配置
　　自動通道的組成如下：
　　1 個F940。日本三菱公司的STN彩色5.7 英寸觸摸顯示屏，利用該觸摸顯示屏,取代常規(guī)的鍵盤顯示板，可靠性大大提高，豐富而友善的人機界面，更能體現(xiàn)以人為本的思想。非常人性化的操作界面，可實時顯示勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各有關調(diào)節(jié)保護參數(shù)、采樣數(shù)據(jù)、測量數(shù)值、給定值、調(diào)節(jié)輸出值，記錄試驗過程曲線，修改各種調(diào)節(jié)、限制參數(shù)等。
　　1 個FX2N-32MT。16點輸人、16 點輸出的CPU基本單元，其中輸入點用于測量機組頻率和開關量輸人處理，輸出點用于自動操作風機、投助磁、PLC硬件故障處理等。
　　2 個FX2N一4AD。共8 路12位的模擬量輸人模塊，用于采集機端調(diào)變電壓、機端儀變電壓、系統(tǒng)電壓、機組有功功率、機組無功功率、轉子電流、手動通道的調(diào)節(jié)輸出等。
　　1個FX2N一2DA 。兩路12位的模擬量輸出模塊，用于輸出PLC自動通道的調(diào)節(jié)輸出。
　　1 塊自動通道測量處理板（自制）。用于機組頻率測量預處理和電壓、電流直流測量的整流處理。
　　1 塊自動通道的移相觸發(fā)脈沖板（自制）。同步信號處理，并將自動調(diào)節(jié)輸出轉化為6 個可控硅（全控橋）的移相觸發(fā)脈沖（采用專用的移相觸發(fā)芯片TC787）
　　另外，配置有有功功率和無功功率變送器。
　　為了實現(xiàn)與上位機的串行通信，配置有FX2N一232 一BD（RS232接口 )或 FX2N-485-BD(RS485接口)。
　　手動通道由1 塊手動調(diào)節(jié)板來實現(xiàn)。
　　手動調(diào)節(jié)板由單片機89C51來完成，整流并測量轉子電流值能，恒電流調(diào)節(jié)或跟蹤自動通道的調(diào)節(jié)輸出值，同步信號處理．并用自動通道相同的方式將手動通道的調(diào)節(jié)輸出值轉化為6 個可控硅移相觸發(fā)脈沖。
　　PLC勵磁調(diào)節(jié)器的硬件構成如圖l 所示。

　　圖1  PLC勵磁調(diào)節(jié)器的硬件構成

　　1.2 設計特點與軟件功能
　　( 1）設計特點。① 該產(chǎn)品除具有可編程序控制器固有的可靠性高、抗干擾能力強等特點外，還具有設計簡單、結構緊湊、體積小、運算速度快、人機界面友善、用戶可讀勝強、易于掌握、性能價格比高等優(yōu)點；②PLC勵磁調(diào)節(jié)器采用了日本三菱公司的恒掃描周期設定方式，從而保證了勵磁調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性；③PLC勵磁調(diào)節(jié)器不僅僅是數(shù)字給定更是數(shù)字調(diào)節(jié)和限制，它適用于各大、中、小型機組的勵磁調(diào)節(jié)、為勵磁調(diào)節(jié)多品種發(fā)展找到了一條新路；④ 對于速度要求很高的移相觸發(fā)回路，采用專用的移相觸發(fā)芯片TC787硬件來完成，而不采用PLC來實現(xiàn)，工作可靠，故障率低；③ 對干交流量（電壓、電流、功率等）的采集，或采用可靠性高的變送器或交流整流后采樣．減小可編程CPU的負擔，從而提高自動通道的可靠性；⑥ 對于手動通道，采用智能CPU(89C51 單片機）來實現(xiàn)，即便是手動通道，智能化程度仍然很高，易于利用軟件實現(xiàn)功能擴展；⑦ 可編程自動通道，來用先進的觸模屏技術，非常友好的人機界面，充分體現(xiàn)了以人為本的設計思想。
　　( 2 ）軟件功能。以三菱FX2N-32MT為調(diào)節(jié)器的可編程勵磁裝置，能實現(xiàn)各種勵磁調(diào)節(jié)功能、勵磁限制保護功能，參數(shù)修改與數(shù)值顯示，與上位機進行多種方式的通訊，系統(tǒng)自檢和在系統(tǒng)異常時發(fā)出故障報警信號，同時切換至手動通道運行。其主要功能為：電壓調(diào)節(jié)、電流調(diào)節(jié)、無功調(diào)節(jié)、功率因數(shù)調(diào)節(jié)、電壓跟蹤、并網(wǎng)運行、低勵限制、過勵限制、V/F限制、快熔熔斷限制、風機停轉限制、參數(shù)防越限修改、數(shù)值顯示、RS232 或RS485與仁位機通訊（可選）。
　　1.3 工業(yè)運行結論
　　該產(chǎn)品已于2002年10 月投運于湖北省鎖金山水電站1.5 萬kw 的2 號機組。并進行了全面的工業(yè)試驗，主要性能指標如下：
　　自并勵殘壓起勵到100%機端電壓     無超調(diào)，無振蕩，起勵時間2.8s
　　自并勵逆變目滅磁                 滅磁時間1.9 s
　　手動機端調(diào)節(jié)電壓范圍             空載：5%~130%；并網(wǎng)：70%~115%
　　電壓/頻率特性                    試驗頻率變化范圍頻率每變化1%，機端電壓最大0.1%
　　10%階躍響應                   無超調(diào)、無擺動、調(diào)整時間1 s
　　調(diào)差率整定范圍                   0~ 25%
　　發(fā)電機端電壓靜差率               0.1%
　　發(fā)電機調(diào)壓精度                   0.1%
　　自并勵方式甩負荷（甩100%無功    電壓超調(diào)9.6%振蕩1/2次，調(diào)節(jié)時間3.2 s
　　裝置的各項技術性能指標均達到或優(yōu)于國標部標。
　　用戶幾個月的運行表明：該可編程勵磁裝置性能指標優(yōu)良，維護操作簡便，可靠性高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，并具有良好的調(diào)節(jié)品質，保障了安全、優(yōu)質、高效運行，深得全體生產(chǎn)技術人員的一致好評，建議推廣應用。
　　2. PCC勵磁調(diào)節(jié)器
　　2.1 PCC介紹
　　在闡述代PCC勵磁調(diào)節(jié)器之前，有必要介紹一下可編程計算機控制器這一新近發(fā)展起來的工業(yè)控制計算機的相關情況。
　　奧地利B&R工業(yè)自動化公司推出的可編程計算機控制器代表著一個全新的控制概念，它集成了PLC的標準控制功能和工業(yè)計算機的分時多任務操作系統(tǒng)功能，除具備代PC機的高速性和大容量等特點外，還具有PLC的高可靠性。
　　與常規(guī)PLC相比較，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(tǒng)和多樣化的應用軟件設計。常規(guī)的PLC大多采用單任務的時鐘掃描或監(jiān)控程序來處理程序本身的邏輯運算指令和外部的I/O通道及狀態(tài)采集與刷新，這樣的處理，直接導致了真正意義上的"控制速度"依賴于應用程序的大小，這一結果，無疑是同I/O通道中高實時性的控制要求相違背的。PCC的系統(tǒng)軟件完美地解決了這一問題,它采用分時多任務機制構筑其應用軟件的運行平臺，這樣應用程序的運行周期則與程序長短無關,而是由操作系統(tǒng)的循環(huán)周期決定，由此，它將應用程序的掃描周期同真正外部的控制周期區(qū)別開來，滿足了真正實時控制的要求。當然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。
　　PCC在遠程通信方面的靈活性，是區(qū)別于常規(guī)PLC的一大顯著標志，作為未來構成分布式現(xiàn)場I/O控制的主要角色之一，PCC為此提供了十分靈活多樣的解決方案。除開放式現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡方案之外，PCC 還提供了RS485總線上多種局部主從網(wǎng)絡協(xié)議，用戶不僅可以采用PCC 自身的網(wǎng)絡協(xié)議，也可以方便的與其他廠家的PLC等工控設備聯(lián)網(wǎng)通信（如西門子，AB , Modicon等）,在一些特殊情況下，PCC還為用戶提供了創(chuàng)建自定義協(xié)議的工具（幀驅動器），由于具備這樣的技術優(yōu)勢，PCC常常能解決許多常規(guī)PLC所望塵莫及的通信難題，輕松實現(xiàn)與各種不同產(chǎn)品、不同通信協(xié)議的互聯(lián)。
　　2.2 硬件配置
　　PCC勵磁調(diào)節(jié)器由于其硬件本身的可靠性很高,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l 個80C196微機手動調(diào)節(jié)通道。調(diào)節(jié)器由奧地利貝加萊( B & B ）工業(yè)自動化公司提供的PP41控制機（CPU控制器和操作面板一體化）、l 個4 路模擬量輸人模塊AI354、l 個10 路開關量輸人模塊DIl38 、2 個4 通道數(shù)字量輸出模塊DO135、1 個用于與監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊的RS232 接口模塊IF311或RS485/RS422接口模塊IF321組成。值得一提的是，PP41內(nèi)部還提供2 個備用模塊擴展槽，以便擴展功能，提供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l 個PC機開發(fā)PCC 程序用的RS232 接口和1 個遠距離網(wǎng)絡通訊用的CAN現(xiàn)場總線接口。
　　PCC勵磁調(diào)節(jié)器構成如圖2 所示。

　　圖2  PCC勵磁調(diào)節(jié)器構成

　　2.3 設計特點
　　PCC勵磁調(diào)節(jié)器是充分利用PCC的特點而研制的一代新產(chǎn)品，有如下設計特點：
　　( 1 )具有比常規(guī)PLC更高的可靠性,平均無故障時間達50 萬h。
　　( 2 )PP41具有公用PCC全系列軟件開發(fā)工具Automation Studio，利用該軟件可實現(xiàn)顯示、
　　控制、驅動和通訊等任務的配置和編程，開發(fā)手段十分方便。不象其它工控機，操作界面與調(diào)節(jié)控制需用不同的開發(fā)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。
　　( 3 )符合IEC 國際標準的編程語言，可以根據(jù)不同層次人員選用低級語言（如梯形圖）或高級語言（如BASIC、C ）編程,系統(tǒng)可以同時接收幾種類型的編程語言。
　    ( 4 ) 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，TPU功能可使系統(tǒng)響應時間達到微秒的范圍，而CPU 不需作任何加載。
　  （5）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(diào)節(jié)器顯得結構簡單、節(jié)省空間且圖文豐富、功能完善.顯示操作面板上帶有5.7 英寸的LCD顯示區(qū)，包括數(shù)字鍵在內(nèi)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(shù)、顯示工況、數(shù)據(jù)列表、輔助實驗等多種功能。
　  ( 6 )設置多級密碼以保護不同操作級別的用戶，采用flash存貯技術，F(xiàn)LASH 數(shù)據(jù)保存,具有屏幕保護功能，對時變測量數(shù)據(jù)有繪圖打印處理功能。
　  ( 7 )當系統(tǒng)發(fā)生故障時，PP41會根據(jù)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；當系統(tǒng)級故障時，故障報警接點吸合，告之上位機系統(tǒng)。
　   ( 8 ）工業(yè)控制領域引入多任務操作系統(tǒng)，可以改善和提高勵磁系統(tǒng)的性能指標,可以將整個調(diào)節(jié)控制分成數(shù)個具有不同優(yōu)先權的任務等級（TASK CLASS）。不同的任務等級，優(yōu)先權越高，其掃描周期越短；優(yōu)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(tǒng)資源，主循環(huán)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、PSS運算和各種限制處理等放在高速任務層；測頻、測相、移相觸發(fā)脈沖的發(fā)出等采用PCC 本體所特有的TPU功能以及TPU 功能模塊來實現(xiàn)。在這種多任務操作系統(tǒng)的管理下，優(yōu)先權高的任務等級總是先被執(zhí)行，在剩余的時間里才執(zhí)行優(yōu)先權較低的任務等級。整個操作系統(tǒng)得到了優(yōu)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(tǒng)的調(diào)節(jié)性能指標。
　　( 9 ）測頻，有功、無功和功率因數(shù)計算所需的相角，6 個可控硅移相觸發(fā)脈沖的發(fā)出等功能的實現(xiàn)由PP41主機的TPU功能以及具有TPU功能的高速數(shù)字量輸出模塊DO135來完成，這些都是常規(guī)PLC所不能做到的。這樣，保證了PCC勵磁調(diào)節(jié)器的全部功能軟件化，易于功能擴展而不增加成本，設計更加緊湊，硬件和結構更加簡單，產(chǎn)品更加可靠,這也是一般PLC勵磁調(diào)節(jié)器所不具備的。
　　( 10 ）良好的電磁兼容能力和現(xiàn)場總線全面支持技術體現(xiàn)著世界工控領域的發(fā)展方向。
　　2.4 功能與試驗
　　( 1 ）主要功能有電壓調(diào)節(jié)、勵磁電流調(diào)節(jié)、各種勵磁限制、無功功率調(diào)差、脈沖移相、給定與自動跟蹤、電量采集與計算、起勵及逆變控制、通道切換等。它們有著公用的硬件，主要依靠軟件完成以上功能。這種以硬件為構架，盡量把功能軟件化的設計策略，不但減少硬件配置，提高功能的穩(wěn)定性，而且有利于裝置透明運行、提高裝置的可靠性和配置的靈活性。
　　( 2 ）輔助試驗功能通過操作面板上的功能鍵和顯示屏，可以很方便地完成各項輔助試驗功能。
　　( 3 ）PCC勵磁調(diào)節(jié)器樣機己試制完成，進行了試驗室的動模試驗和數(shù)字仿真試驗，試驗結果表明：調(diào)節(jié)品質優(yōu)于同等檔次的PLC勵磁調(diào)節(jié)器，試驗室具備考核條件的各項勝能指標皆滿足或優(yōu)于國標、部標的要求，有推廣應用的價值。
　　3. 結語
　　近年來我國對勵磁調(diào)節(jié)器的研究十分活躍，在研制新型勵磁方而也積累了豐富的經(jīng)驗?，F(xiàn)在市場上比較暢銷的產(chǎn)品主要是雙微機（單片機\STD總線等）勵磁調(diào)節(jié)器，它們在某些方面確實代表著勵磁調(diào)節(jié)器的方向，符合水電廣無人值班、少人值守和綜合自動化的要求?？删幊蹋≒LC）勵磁和可編程計算機（PCC）勵磁在開發(fā)計算機勵磁的高可靠性方面作了大量的工作，同時也保證了計算機的大容量、高速度的應用，調(diào)節(jié)品質和性能指標同樣優(yōu)良，滿足或優(yōu)于國標或部標標準。可以相信，PLC勵磁和PCC勵磁將領銜勵磁行業(yè)，特別是PCC勵磁調(diào)節(jié)器將會在勵磁行業(yè)掀起一陣熱潮。
　　參考文獻：
　　[1]齊   蓉  新一代可編程計算機控制器技術  西安：西北工業(yè)大學出版社 2000
　　[2]潘熙和等  可編程計算機水輪機調(diào)速器研制及枝術特點分析  長江科學院院報 2003 ，( l )
　　[3]周雙喜等  同步發(fā)電機數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器  北京：中國電力出版社 1998
　　[4]樊  俊等  同步發(fā)電機半導體勵磁原理及應用  北京：水利電力出版社 1991
　　[5]丁爾謀  發(fā)電廠勵磁調(diào)節(jié)  北京：中國電力出版社，1998          （編拜：徐詩銀）
　　作者：　　
　　潘熙和（男，長江水利委員會長江科學院控制設備研究所副所長兼總工租師，高級工程師，碩士）   張祖貴   黃業(yè)華
　　長江水利委員會  長江科學院，湖北武漢430010