[摘要]本文提出了一種用于水輪機(jī)調(diào)速器的可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC型測(cè)頻裝置，與可編程邏輯控制器測(cè)頻裝置相比，具有更高的測(cè)量精度和響應(yīng)速度；與傳統(tǒng)的單片機(jī)測(cè)頻裝置相比，硬件電路大大簡(jiǎn)化，且極大地提高了測(cè)頻裝置的可靠性
　　[關(guān)鍵詞]水輪機(jī)； 調(diào)速器； 頻率測(cè)量； 可編程計(jì)算機(jī)控制器
　　1. 引言
　　目前，水輪機(jī)調(diào)速器測(cè)頻環(huán)節(jié)一般均采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，其硬件為自制件，且各廠家均為小批量生產(chǎn)，故元件檢測(cè)、篩選、老化處理、焊接及生產(chǎn)工藝等都受到限制，造成測(cè)頻裝置可靠性較低，甚至運(yùn)行中還可能出現(xiàn)單片機(jī)死機(jī)，使測(cè)頻裝置失靈，從而使調(diào)速器整機(jī)的可靠性大大降低，嚴(yán)重影響調(diào)速器的安全可靠運(yùn)行.專(zhuān)利CN1209551A中提出一種采用可編程邏輯控制器PLC為硬件的測(cè)頻裝置，雖然提高了測(cè)頻裝置的可靠性，但其以周期為0.1ms的脈沖作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，且測(cè)量當(dāng)前頻率信號(hào)周期前連續(xù)50個(gè)周期的平均頻率，因此當(dāng)信號(hào)頻率發(fā)生階躍變化時(shí)，經(jīng)過(guò)1s的過(guò)渡過(guò)程才能準(zhǔn)確反映被測(cè)信號(hào)的頻率，而過(guò)渡過(guò)程內(nèi)存在較大誤差( 綜上所述，單片機(jī)測(cè)頻裝置可靠性較低，而PLC 測(cè)頻裝置雖然提高了可靠性，但頻率信號(hào)動(dòng)態(tài)變化時(shí)測(cè)頻精度低且階躍響應(yīng)時(shí)間常數(shù)大，嚴(yán)重影響了水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，甚至當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時(shí)造成調(diào)速器反應(yīng)遲鈍.
　　本文提出一種基于可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）的水輪機(jī)調(diào)速器測(cè)頻裝置，克服了上述影響調(diào)速器安全可靠運(yùn)行和影響水輪機(jī)調(diào)節(jié)品質(zhì)的缺點(diǎn)與不足.
　　2.PCC測(cè)頻原理及系統(tǒng)組成
　　PCC測(cè)頻裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.CPU模塊CP474內(nèi)部具有時(shí)間處理單元TPU，該處理單元利用其內(nèi)部4MHz的計(jì)數(shù)時(shí)鐘測(cè)量輸入脈沖的頻率，而DI135 的作用就是將整形后的機(jī)組或電網(wǎng)頻率信號(hào)傳至TPU.PCC測(cè)頻的基本思路是：先將機(jī)組或電網(wǎng)頻率信號(hào)整形為同頻率的方波信號(hào)， 該方波信號(hào)經(jīng)DI135 送入CP474的YPC輸入通道，TPU讀取方波信號(hào)兩相鄰上升沿之間的計(jì)數(shù)值N，則所測(cè)頻率為

　　式中，fe為PCC 內(nèi)部計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率.
　　2.1 PCC 基本單元
　　本測(cè)頻裝置采用奧地利B&R 公司可編程計(jì)算機(jī)控制器2003系列的CP474模塊作為基本單元，它選用32位Motorola M68300微處理器作為其CPU.該微處理器具有一個(gè)時(shí)間處理單元（TPU)，主要用于外部處理事件計(jì)數(shù)、門(mén)電平時(shí)間測(cè)量、頻率測(cè)量、脈寬調(diào)制等與時(shí)間有關(guān)的任務(wù)（timing tasks），減少CPU模塊為處理這些任務(wù)調(diào)用中斷服務(wù)程序所占用的時(shí)間.時(shí)間處理單元的結(jié)構(gòu)如圖2 所示.TPU由處理器、中斷寄存器、接口寄存器（RAM）、定時(shí)器（TCR1與TCR2）及輸入輸出通道等組成.TPU由接口寄存器組通過(guò)1MB的內(nèi)部總線(xiàn)與CPU通訊，接口寄存器組包括系統(tǒng)配置寄存器、系統(tǒng)保留與測(cè)試寄存器、通道控制寄存器及通道參數(shù)寄存器，它們分別用于系統(tǒng)配置、系統(tǒng)保留與測(cè)試、通道切換控制及通道參數(shù)傳遞.當(dāng)有外部事件發(fā)生時(shí)，首先由輸入輸出通道向中斷寄存器發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，再中斷寄存器通知處理器并進(jìn)行相應(yīng)處理.定時(shí)器TCR1 及TCR2的分頻系數(shù)確定TPU的時(shí)鐘頻率，對(duì)CP474來(lái)說(shuō)，分頻系數(shù)為8，而TPC 的時(shí)鐘頻率為4MHz.

　　圖1 PCC 測(cè)頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

　　圖2 TPU 結(jié)構(gòu)示意

　　2.2 數(shù)字量輸入模塊
　　數(shù)字量輸入模塊的作用就是把頻率整形電路輸出的與被測(cè)信號(hào)同頻率的方波信號(hào)送入TPU 的輸入輸出通道.本裝置選用DI135模塊，該模塊具有4路高速數(shù)字量輸入，且采用光電隔離，其輸入過(guò)濾器滯后為3us.DI135本身還能進(jìn)行故障診斷，并通過(guò)主機(jī)將故障類(lèi)型讀出，這些故障包括24V電源掉電、硬件錯(cuò)誤、反向及短路保護(hù)等.
　　2.3 整形電路
　　頻率整形電路如圖3所示.經(jīng)隔離變壓器隔離的頻率信號(hào)送入T型濾波器（R1、R2、C1）濾波，再經(jīng)嵌位二極管電路（D1、D2）限幅，然后經(jīng)RC(R3、C2）再次濾波送入滯環(huán)比較器U1，其輸出的與所測(cè)信號(hào)同頻率的方波信號(hào)再送至數(shù)字量輸入模塊DI135.為保證可靠性，整形電路的元件全部選用軍品級(jí)材料.

　　圖3 頻率整形電路原理

　　3.PCC測(cè)頻裝置軟件設(shè)計(jì)
　　3.1 PCC多任務(wù)分時(shí)操作系統(tǒng)
　　PCC將整個(gè)操作界面分成數(shù)個(gè)具有不同優(yōu)先權(quán)的任務(wù)等級(jí)（task class），其中優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)等級(jí)有著較短的巡回掃描周期，而且每個(gè)任務(wù)等級(jí)可包括多個(gè)具體任務(wù)，在這些任務(wù)中間可再細(xì)分其優(yōu)先權(quán)的高低.在這種操作系統(tǒng)的管理下， 任務(wù)總是按其優(yōu)先權(quán)等級(jí)的高低依次執(zhí)行.這樣，可以將比較重要的任務(wù)所定義的任務(wù)等級(jí)高一些， 如調(diào)節(jié)任務(wù)，中斷任務(wù)（由硬件產(chǎn)生的中斷觸發(fā)）；而將一些較一般的任務(wù)所定義的任務(wù)等級(jí)低一些，如人機(jī)接口任務(wù)等. 這樣整個(gè)控制系統(tǒng)便得到優(yōu)化，具有更好的實(shí)時(shí)性.
　　B&R2003系列可編程計(jì)算機(jī)控制器為用戶(hù)提供兩種不同的任務(wù)層：標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)層和高速任務(wù)層.
　　標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)層的任務(wù)切換由系統(tǒng)管理器來(lái)完成，2003 系統(tǒng)的CPU 模塊提供了4個(gè)任務(wù)層，按其優(yōu)先級(jí)依次為T(mén)C#1、TC#2、TC#3及TC#4.用戶(hù)可通過(guò)編程系統(tǒng)設(shè)置這些任務(wù)等級(jí)的循環(huán)時(shí)間（掃描周期），循環(huán)時(shí)間可以從10ms 到500ms（以10m為步長(zhǎng)）.
　　高速任務(wù)層是由硬件定時(shí)器來(lái)觸發(fā)，2003系統(tǒng)的CPU模塊僅有1 個(gè)任務(wù)層（HS#1）.高速任務(wù)層的優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)管理器和標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)層，可以在一個(gè)確切的時(shí)刻中斷其他任務(wù). 用戶(hù)同樣可通過(guò)編程系統(tǒng)設(shè)置該任務(wù)等級(jí)的循環(huán)時(shí)間，循環(huán)時(shí)間可以從1ms到20ms（以0.5ms為步長(zhǎng)）.
　　3.2 PCC 測(cè)頻軟件
　　測(cè)頻軟件分為T(mén)PU功能模塊和測(cè)頻程序兩部分.TPU功能模塊. TPU功能模塊包含TPU操作系統(tǒng)、TPU 配置、完成特定功能的TPU程序模塊等，應(yīng)用程序通過(guò)它與TPU通訊傳遞參數(shù)和數(shù)據(jù). 該功能模塊由B&R 公司專(zhuān)門(mén)研制的TPU編碼連接器產(chǎn)生，并在CPU熱啟動(dòng)時(shí)將自己傳入TPU的RAM中，并從此接管TPU讓它完成用戶(hù)特定的功能. 本裝置中選用以?xún)?nèi)部時(shí)鐘為基準(zhǔn)的門(mén)時(shí)間測(cè)量模塊TPXciX（），將DI135配置在SLOT1，機(jī)頻信號(hào)從DI135 的第一通道輸入，網(wǎng)頻信號(hào)從DI135 第二通道輸入.
　　測(cè)頻程序.測(cè)頻程序完成TPU 功能模塊TPXciX（）的調(diào)用、測(cè)頻計(jì)算、濾波及軟件容錯(cuò)等功能，它用PCC 獨(dú)有的高級(jí)語(yǔ)言PL20000編制, TPU 硬件計(jì)數(shù)器為16 位，功能模塊TPXciX（）的調(diào)用周期必須小于8.2ms以處理計(jì)數(shù)器溢出，故測(cè)頻程序分兩個(gè)模塊：一個(gè)置于高速任務(wù)層，用于調(diào)用TPXciX，其循環(huán)時(shí)間設(shè)置為5ms；另一個(gè)置于普通任務(wù)層TC#2，進(jìn)行TPXciX）初始化、測(cè)頻計(jì)算、濾波及冗余處理，其循環(huán)時(shí)間設(shè)置為20ms，以節(jié)省CPU資源.
　　3.3 測(cè)頻范圍及精度
　　前面提到TPU 采用16 位計(jì)數(shù)器，但TPXciX（）模塊通過(guò)軟件方式將其擴(kuò)充為32位，在5ms（小于8ms）調(diào)用周期下，TPXciX（）模塊可保證正確的32 位計(jì)數(shù)器輸出，因此理論上計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍為0~4294967295，在4MHz 時(shí)鐘頻率時(shí)，測(cè)頻下限小于0,001Hz. 但由于電壓互感器及隔離變壓器等因素的限制，并考慮到實(shí)際應(yīng)用的需要，取測(cè)頻下限為2Hz，且2Hz 以下時(shí)認(rèn)為頻率為0.DI135 的輸入響應(yīng)為事件微米級(jí)，其最大輸入頻率為100KHz，可見(jiàn)該測(cè)頻方式的上限可以很高，考慮到水輪機(jī)調(diào)速器的實(shí)際需要I取其測(cè)頻上限為100Hz.
　　下面計(jì)算此測(cè)頻方式的分辨率. 在時(shí)鐘頻率4MHz 的情況下，由上述公式可知，在50Hz時(shí)，計(jì)數(shù)值N為80000，而N的分辨率為1，由此可得，f的分辨率為

　　可見(jiàn)，采用這種測(cè)頻方式，當(dāng)頻率在50Hz附近時(shí)的分辨率為6.25×10-4Hz時(shí)，完全滿(mǎn)足水輪機(jī)調(diào)速器對(duì)測(cè)頻精度的要求.
　　3.4 測(cè)頻裝置軟件容錯(cuò)及故障診斷
　　頻率測(cè)量是影響調(diào)速器可靠性的關(guān)鍵因素之一，軟件開(kāi)發(fā)時(shí)應(yīng)特別重視軟件的容錯(cuò)及故障自診斷能力.
　　在軟件設(shè)計(jì)時(shí)按以下原則考慮：（1）發(fā)電機(jī)可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速范圍為零到飛逸轉(zhuǎn)速；(2）連續(xù)2個(gè)采樣時(shí)刻頻率差值應(yīng)小于 ，其中額定頻率為50Hz，T 為采樣周期， 為機(jī)組慣
　　性時(shí)間常數(shù)，若本次頻率值與上次頻率值之差的絕對(duì)值大于? ，則對(duì)機(jī)頻錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器加1，若錯(cuò)誤計(jì)數(shù)小于一定值，則用上次頻率值作為本次頻率值，如果錯(cuò)誤計(jì)數(shù)連續(xù)大于一定值，則承認(rèn)本次頻率值；（3）對(duì)網(wǎng)頻或機(jī)組并入大電網(wǎng)時(shí)的機(jī)頻，若頻率值不在一定的頻率范圍內(nèi)，且達(dá)到一定次數(shù)，則認(rèn)為測(cè)頻出錯(cuò)；
　?。?) 如果連續(xù)一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有機(jī)頻網(wǎng)頻信號(hào)，則認(rèn)為機(jī)頻網(wǎng)頻消失，且發(fā)生相應(yīng)的報(bào)警信號(hào).
　　4. 應(yīng)用實(shí)例
　　采用這種測(cè)頻方式的PCC調(diào)速器，2000 年4月安裝于陜西省石泉鵝項(xiàng)頸水電站1號(hào)機(jī)上，并對(duì)該調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了全面試驗(yàn)，試驗(yàn)表明其性能指標(biāo)滿(mǎn)足或優(yōu)于國(guó)標(biāo)（GB/T9652.1--1997）的要求, 其中，主要特性試驗(yàn)結(jié)果如下：甩25%額定負(fù)荷，接力器不動(dòng)時(shí)間為0.18s；甩100%額定負(fù)荷時(shí)，轉(zhuǎn)速最大上升為額定轉(zhuǎn)速的132%，調(diào)節(jié)時(shí)間為36s,試驗(yàn)后的調(diào)速器即投入運(yùn)行，運(yùn)行狀況良好, 此后，又有數(shù)臺(tái)先后在四川省飛羅水電站、張掖龍渠三級(jí)水電站、陜西省石泉鵝項(xiàng)頸水電站2號(hào)和3號(hào)機(jī)投入運(yùn)行，均運(yùn)行穩(wěn)定，且具有較高的可靠性.
　　由測(cè)頻整形電路和可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC配以適當(dāng)軟件完成測(cè)頻功能，并取代單片機(jī)及PLC測(cè)頻裝置，使測(cè)頻電路大大簡(jiǎn)化.
　　采用可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC作為測(cè)頻裝置的硬件，其平均無(wú)故障率達(dá)50萬(wàn)h，提高了系統(tǒng)的可靠性.
　　可編程計(jì)算機(jī)控制器內(nèi)部計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖頻率為4MHz（周期為0.25×10-3ms），用其直接測(cè)量頻率信號(hào)的當(dāng)前周期，在50Hz附近其測(cè)頻分辨率可達(dá)0.000625Hz，當(dāng)信號(hào)頻率階躍變化時(shí)，僅20ms頻率信號(hào)為50Hz直接反映信號(hào)的精確頻率，故該測(cè)頻裝置具有較高的測(cè)頻精度及動(dòng)態(tài)品質(zhì).
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　　作者：南海鵬（男，37歲，副教授），王德意，王濤
　?。ㄎ靼怖砉ご髮W(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安710048）