摘要:可編程計算機控制器(PCC) 作為一種新型的控制裝置,在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣闊的應(yīng)用空間,其優(yōu)越的控制效果得到了廣泛的肯定。本文簡要介紹了PCC 在硬件和軟件上的特點,采用其提供的高級編程語言(ANSI C) 實現(xiàn)了水輪機協(xié)聯(lián)運行的編程。
　　關(guān)鍵詞:可編程計算機控制器(PCC) ;硬件特點;軟件特點;水輪機;協(xié)聯(lián)

　　0 　引　言
　　隨著工業(yè)生產(chǎn)水平的提高,生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大,其復(fù)雜程度也越來越高。相應(yīng)地對工業(yè)控制技術(shù)也提出了更高的要求,控制系統(tǒng)正進一步向智能化方向發(fā)展。為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的要求,近年來奧地利B&R 公司推出了新一代控制器---可編程計算機控制器(PCC) 。其不僅實現(xiàn)了硬件和軟件上的模塊化,為進一步擴展提供了空間。而且其提供了分時多任務(wù)的操作系統(tǒng)和多種高級編程語言,使得PCC 擔任復(fù)雜任務(wù)的控制成為可能。本文簡要介紹了PCC 在硬件和軟件上的特點。然后利用其提供的高級編程語言實現(xiàn)了對水輪機協(xié)聯(lián)運行的編程。
　　1 　PCC 的硬件特點
　　1. 1 　模塊式結(jié)構(gòu)
　　可編程計算機控制器( PCC) 的硬件都是模塊式結(jié)構(gòu)。以B&R2003 為例,系統(tǒng)模塊可分為4 大組:控制器模塊,CPU 模塊, I/ O 模塊和旋入式模塊。其各組模塊又可進一步細分,例如I/ O 模塊,分別提供了數(shù)字量輸入輸出模塊和模擬量輸入輸出模塊。并且各模塊又有多種型號可供選擇。用戶可以根據(jù)需要選擇適合的模塊組合,以達到理想的控制效果。
　　1. 2 　采用多處理器結(jié)構(gòu)
　　PCC 硬件的另一個特點是采用多處理器結(jié)構(gòu)。除了主CPU 外[1] ,系統(tǒng)還提供了輸入輸出處理器( I/O-Processor) ,其主要負責獨立于CPU 的數(shù)據(jù)的輸入輸出。雙向口控制器(DPR-Controller) 主要擔任系統(tǒng)管理和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。這三個處理器通過DPR (DUALPORTED RAM) 相互關(guān)聯(lián)。正是這種多處理器結(jié)構(gòu),減輕了CPU 的負擔,提高了系統(tǒng)的運行速度。它們之間的相互關(guān)系如圖1 所示。

　　1. 3 　存儲器
　　PCC 在硬件上還有一大特點是擁有大容量、分門別類的存儲器[2] 。并且實現(xiàn)了模塊化。這樣為用戶開發(fā)軟件提供了硬件上的保證。各存儲器簡要介紹如下:
　　(1) 系統(tǒng)ROM。用于存儲CPU 的操作系統(tǒng),其不能被用戶編程或擦除。
　　(2) 用戶ROM。帶有緩沖區(qū)的用戶ROM( EPROM或Flash - PROM) 用于存儲各應(yīng)用程序(循環(huán)和非循環(huán)任務(wù),數(shù)據(jù)模塊等) 。
　　(3) 系統(tǒng)RAM。其首先為操作系統(tǒng)使用,同時所有參數(shù)也可以保持在其中。用戶根據(jù)需要使用系統(tǒng)RAM的空閑空間。通過設(shè)置將其分為暫存區(qū)和模塊區(qū)。暫存區(qū)用于用戶在各任務(wù)中快速地訪問無緩沖區(qū)的內(nèi)存。模塊區(qū)用于存儲操作系統(tǒng)下載的B&R 模塊。
　　(4) 雙口RAM(DPR) 。用于保存應(yīng)用程序中使用的所有變量(內(nèi)部變量與I/ O 數(shù)據(jù)) ,它可以被CPU和I/ O 處理器訪問。
　　(5) 用戶RAM。用于存儲應(yīng)用程序(循環(huán)和非循環(huán)任務(wù)、數(shù)據(jù)模塊等) 。
　　1. 4 　網(wǎng)絡(luò)開放性
　　由于PCC 的硬件采用模塊式結(jié)構(gòu),從而為進一步擴展提供了可能,使其具有較強的網(wǎng)絡(luò)開放性。以B&R 的2005 和2010 系列為例,其不僅具有本地擴展,同時還具備遠程擴展的功能。通過標準的RS2485總線,可以將1 個主站與121 個從站聯(lián)系起來,其最遠距離可以達到4800m ,點數(shù)可達十萬多點。
　　正是由于具有上述硬件特點,為其優(yōu)越的功能提供了保障。
　　2 　PCC 的軟件特點
　　2. 1 　分時多任務(wù)操作系統(tǒng)
　　作為新一代可編程計算機控制器在軟件的最大特點就是采用分時多任務(wù)的操作系統(tǒng),同時具有很強的實時性。一個復(fù)雜的項目可以分成幾個相對獨立的任務(wù),各個任務(wù)模塊化的控制方法,體現(xiàn)了PCC 在軟件上模塊化的特點,為系統(tǒng)的進一步擴展提供了軟件上的支持。與此同時,根據(jù)任務(wù)的具體要求可以劃分為循環(huán)任務(wù)和非循環(huán)任務(wù),其中循環(huán)任務(wù)又可分為兩種不同的任務(wù)層:標準任務(wù)層(Cyclic) 和高速任務(wù)層(Timer) 。其中高速任務(wù)層是由硬件定時觸發(fā)的,標準任務(wù)層是由系統(tǒng)管理器來激發(fā)的。對于各循環(huán)任務(wù)的循環(huán)時間可以由用戶根據(jù)需要來定義。這些任務(wù)可以根據(jù)其重要程度和具體要求,分別給它們定義不同的任務(wù)等級,其中優(yōu)先級高的可以中斷任務(wù)級別低的任務(wù)。從Cyclic1 到Cyclic4 , 從Timer1 到Timer4 的優(yōu)先級依次遞減,其中高速任務(wù)層(Timer) 的優(yōu)先級高于標準任務(wù)層(Cyclic) 。從而保證了重要任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。與此同時也體現(xiàn)了其實時性。下面以一個例子來說明多個任務(wù)的循環(huán)運行過程[2 ] (以四個不同任務(wù)層的任務(wù)為例,各任務(wù)的具體情況如表1 所示) 。

　　表1 　系統(tǒng)運行任務(wù)

　　各任務(wù)的循環(huán)執(zhí)行情況如圖2 所示。

　　2. 2 　多種編程語言
　　PCC 在軟件上的另一個特點是為用戶提供了多種編程語言[2] 。其中既有面向一般技術(shù)人員的梯形圖(LAD) ,結(jié)構(gòu)文本(ST) 、指令表( IL) 、順序功能圖、SFC 等編程語言,又有B&R Automation Basic 和標準C語言兩種高級語言。使得更加復(fù)雜的任務(wù)在編程語言上得以實現(xiàn)。用戶可以根據(jù)任務(wù)的需要和自己編程習慣選擇適合的編程語言。
　　3 　水輪機協(xié)聯(lián)運行的實現(xiàn)
　　由于水輪機協(xié)聯(lián)運行是一個實時性較強,控制較為復(fù)雜的過程。本文討論的正是利用PCC 在軟件上提供的實時性很強的分時多任務(wù)操作系統(tǒng)和高級的編程語言---C 語言實現(xiàn)了對水輪機協(xié)聯(lián)運行的編程。
　　3. 1 　微機調(diào)節(jié)器的協(xié)聯(lián)關(guān)系分析[3]
　　對于軸流轉(zhuǎn)槳式機組,其微機調(diào)節(jié)器內(nèi)槳葉接力器行程(Z) 由當前的運行水頭(H) 和導(dǎo)葉接力器行程(Y) 所確定。其依據(jù)是效率試驗標繪的協(xié)聯(lián)曲線。如圖3 所示。
　　3. 2 　微機調(diào)節(jié)器內(nèi)槳葉接力器行程的確定[3]
　　由于導(dǎo)葉接力器行程( Y) 是由PID 調(diào)節(jié)求取出來的,根據(jù)其值與運行的水頭(H) ,由圖3 所提供的協(xié)聯(lián)曲線可以求得與之對應(yīng)的槳葉接力器行程(Z) 。由于電站根據(jù)其運行特點所提供的水頭節(jié)點和導(dǎo)葉接力器行程節(jié)點有限(即提供的是一個插值節(jié)點表) 。在不少情況下是不能直接從插值節(jié)點表查出所對應(yīng)的槳葉接力器行程Z ,需要插值確定。考慮到協(xié)聯(lián)曲線較為平坦,并且在變化急劇的區(qū)段采用縮短節(jié)點間距的方法,故采用二元線性插值方法,其具體插值過程如下:
　　(1) 根據(jù)計算所得的導(dǎo)葉接力器行程Y和運行水頭H 確定其范圍:Yj ≤Y≤Yj + 1 ,Hi ≤H ≤Hi + 1 。
　　(2) 根據(jù)Yj ,Yj + 1 ,Hi ,Hi + 1找到對應(yīng)的接力器行程:Zi ,j ,Zi ,j + 1 ,Zi +1 ,j ,Zi + 1 ,j + 1 ,如圖3 所示。

　　(3) 對水頭插值,可以求得:

　　(4) 對微機調(diào)節(jié)器槳葉接力器行程插值:

　　3. 3 　程序?qū)崿F(xiàn)
　　本程序采用PCC 提供的高級編程語言---C 語言編寫。以給定10 個水頭節(jié)點和10 個導(dǎo)葉接力器行程節(jié)點為例。
　　(1) 定義變量:
　　- GLOBAL 　int 　i , j ;
　　- GLOBAL 　REAL 　H ,Y,Z ,Z1 ,Z2 ,M;
　　- GLOBAL 　REAL 　h[10 ] ,y[10 ] ;
　　static 　　REAL 　z[10 ] [10 ] ;
　　(2) 初始化。
　　在初始化程序中,實現(xiàn)將插值表中的值輸入到對應(yīng)的數(shù)組中, (其中h[10 ] ,y[10 ]分別用于存放運行水頭和導(dǎo)葉接力器行程的節(jié)點值,z [ 10 ] [ 10 ]用于存放與之對應(yīng)的槳葉接力器行程的節(jié)點值) 。同時建立變量i 和h[ i ] ;j 和y[ j ] ;i ,j 和z[ i ] [ j ]的對應(yīng)關(guān)系。例如:i = 2 ,j = 3 對應(yīng)于h[2 ] ,y[3 ]和z[2 ] [3 ] 。
　　(3) 循環(huán)程序。
　　在循環(huán)程序中通過定義和運行水頭同類型的變量M 用于存放上次循環(huán)的水頭值。在循環(huán)程序開始時首先判別前后兩次水頭差值是否小于規(guī)定的值,若小于則將上次循環(huán)的水頭值賦給當前的水頭值。從而可以消除水頭波動對插值計算的影響。具體程序如圖4所示。

　　3. 4 　運行結(jié)果簡述
　　根據(jù)水輪機協(xié)聯(lián)運行實時性的要求設(shè)置了合適的循環(huán)時間。通過可編程計算機控制器( PCC) 和微型計算機連接后的在線觀測,其運行結(jié)果完全滿足要求,所占有系統(tǒng)的時間也在允許的范圍
　　內(nèi)。最后將其嵌入調(diào)節(jié)器的主控程序,能夠做到相互協(xié)同運行,能夠承擔微機調(diào)節(jié)器協(xié)聯(lián)運行的任務(wù)。
　　4 　結(jié)束語
　　可編程計算機控制器作為一種自動化和可靠性較高的控制裝置,適應(yīng)了工業(yè)生產(chǎn)對控制技術(shù)的更高要求。代表了現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)的一種發(fā)展趨勢,其優(yōu)良的控制效果將會被越來越多的工控行業(yè)所采用。
　　參考文獻:
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　　作者:田少強(1977) ,男,四川成都人,河海大學碩士研究生,研究方向:水電站自動化;
　　         廖忠(1962) ,男,湖南加禾人,副教授,河海大學博士研究生,研究方向:水電機組智能控制;
　　         沈祖詒(1936) ,男,浙江湖州人,河海大學教授,研究方向:水力發(fā)電教學和科研;
　　         鄧磊(1977) ,男,江西奉新人,河海大學碩士研究生,研究方向:水力機組控制與仿真。