数字式电液调速器的微机调节器
摘要：本文从速度、存储容量、编程语言、接口特性等各方面分析了数字式电液调速器微机调节器中控制器的选择原则并对微机调节器中较为常用的几类控制器做了分析比较。 关键词：数字式电液调速器 微机调节器 控制器 PLC PCC IPC
Abstract: The paper analyzes the choosing rule for the controller in micro computer-based regulator of digital electric-hydraulic governor and then describes and compares three kinds of controller which are PLC, PCC and IPC to be referenced.
Keyword: Digital Electric-hydraulic Governor Micro computer-based regulator Controller PLC PCC IPC
1.数字式电液调速器的发展及特点
随着1971年微电子技术的发展，调速器的发展也进入了数字式（微机）电液调速器阶段，数字式电液调速器习惯上也称作微机调速器。微机调速器又从最初的单片机、单板机微机调速器发展到现在的IPC（工业控制计算机）调速器， PLC（可编程控制器）调速器， PCC（可编程计算机控制器）调速器。所谓IPC，PLC，PCC调速器是指电液调速器的微机调节器分别以IPC，PLC，PCC为核心构成。构成框图见图1：
机频信号 网频信号
信号整形 控制器 IPC 或 PLC 或 PCC 电/机转换 电液随动 系统
现地开关、按钮操作 位移传感器
二次及监控系统开关量指令
人机对话
监控及AGC等数字量指令 单 元
图1 数字式（微机）电液调速器的构成框图
微机调速器由微机调节器及电液随动系统构成，微机调节器以高可靠性的控制器为核心，采集频率信号及控制信号，用计算机程序实现复杂的运算及控制功能，并以一定方式
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输出控制结果做为电液随动系统的输入。微机调速器具有可靠性高，外围电路少，编程方便，功能扩展性好等特点。
2.微机调节器中控制器的选择
从数字式（微机）电液调速器的构成框图—图1可见，微机调节器的核心在于控制 器，控制器完成调速器的信号采集，数据运算，控制规律实现，运行状态切换，其它附加功能及控制值输出功能，调速器的功能基本由控制器实现，电液随动系统主要是执行机构。因此在设计调速器微机调节器时，选择合适的控制器很重要。目前市场上的控制器种类很多，如单片机， 单板机， PLC， PCC， IPC等， 但由于调速器是应用于工业现场的设备， 对可靠性要求很高，因此，选择微机调节器的控制器的一条重要原则就是要选用适合于工业现场使用的抗干扰能力强，可靠性高，选择余地大，操作维护方便的控制器，目前满足此原则的主要是PLC， PCC， IPC等几类控制器，除此之外，还应从以下几方面考虑。
2.1控制器的速度
所谓控制器的速度，包含两层含义： a.控制器CPU的位数
b.控制器中用户程序的扫描周期
控制器CPU的位数反映到调速器中主要体现在控制精度上，按国标要求调速器转速死区小于0.02％，而在用最大差值法计算转速死区时，最大相对差值还要乘以bp，假设bp＝10％，则要求最大相对差值<0.1%；以16位机的控制器为例，假设整数运算中，以整数25000表示开度为100%，那么，开度分辨率为0.004%，其值远远小于0.1%，可见，16位机足以满足要求。况且，即使是16位机，由于双字算法的存在，也能实现32位运算，从这个意义上说，即使是8位机应用于调速器也是满足要求的，因为8位机中也有字节运算，字运算及双字运算。因此，32位机，16位机甚至8位机均可应用于调速器并满足性能要求。
P I D 调节 机组频率 电/机转换装置 机械液压系统 导叶开度
2 位移转换
图2 调速器系统结构框图
关于控制器中用户程序的扫描周期，从以下几个方面考虑： 1） 频率信号采样周期：
从调速器系统结构框图（图2）可见，机组频率信号是调速器系统的输入，调速器根据采集到的频率信号，算出频差，针对频差进行PID运算，运算的结果即调节器的输出，调节器的输出再以一定的方式控制机械液压系统，机械液压系统再去操作导水叶，控制其开度。因此，调节器的输出是跟频率的变化密切相关的。目前调速器普遍采用的测频方法是测周法[6]，最小采样周期当被测频率为50Hz时为20ms，即被测频率信号的更新周期为20ms。由于频率的采样周期为20ms左右，用户程序的扫描周期一般应比频率信号采样周期小，但小到一定程度后意义也不大了。
2）电液转换器（或电、机转换装置）截止频率
调速器中电液转换器的截止频率一般来说为3—10 Hz[1]，根据控制理论的香农采样定理，“要从采样信号中完全复现出采样前的连续信号，必须满足采样频率大于或等于两倍的采样器输入连续信号频谱中的最高频率”，将此定理应用于调速器系统，若采用2倍于电液转换器截止频率的采样频率即6—20Hz就能满足香农采样定理，此时调节器采样周期为167—50ms。
3）调速器不动时间
国标要求，调速器的不动时间<.02s，在调速器系统中，不动时间主要由三部分组成，即2倍的调节器用户程序扫描周期（在最差的情况下），导叶位置反馈量的A/D转换时间，调速器机械液压系统主配压阀搭迭量、死区等。按照这种构成，程序扫描周期部分小于整个不动时间的1/4，是可行的，经计算，不动时间的指标要求程序扫描周期小于25ms。
综上所述，控制器用户程序扫描周期以5—15ms为宜。
2.2 I/O及存储容量
对应用于调速器系统的控制器而言，由于调速器基本功能固定，用户程序功能单一集中，并且水轮机调速器程序已经基本实现标准化，对于不同电站不同类型的调速器其程序的更改一般为10％左右。到目前为止，我们在水轮机数字式电液调速器中使用过的控制器有多达8种的不同国家不同公司不同系列的PLC产品。根据经验，对数字量的I/O点数，
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模拟量的I/O点数，程序存储容量，数据存储容量作出统计见表1（表中统计的数据已留有充分的裕量）：
表1 应用于调速器中PLC I/O点数及存储容量统计 调速器类数字量输型 入点数 大型调速32—48 器 中小型调16—32 速器 1)编程语言
数字量输模拟量输模拟量输程序存储数据存储出点数 入点数 出点数 容量 容量 32—48 4—6 2—4 5—20K8—K步 字节 16—32 2—4 1—2 3—10K4—16K步 字节 目前市场上比较通用的控制器中，其编程语言不外乎C、basic等高级语言，梯形图，功能块，语句表等几种，一般认为，高级语言功能强大，编程灵活，能实现较复杂的算法，但高级语言编制起来较复杂，对现场的工程技术人员来说，掌握起来有一定难度，不利于维护。因此在调速器领域，大概有80―90％的编程使用的是梯形图语言。
梯形图语言最初主要用于PLC，其后随着电子技术的发展，工控机，PCC等均有梯形图语言可供选择。而梯形图语言本身也已经不再仅仅是逻辑顺序控制，随着PLC 的发展，梯形图语言也有了逻辑运算，浮点数运算，比较运算，高速计数功能，PID运算功能块，PWM运算，变量寻址，指针运算，等等。梯形图语言简单明了，逻辑清晰，容易掌握，调试方便，而且功能强大，现在，有些PLC的梯形图编程系统已经实现了程序结构化、标准化，一些功能已由PLC操作系统集成为功能块，只需在梯形图程序中调用，如PID控制功能块。
而对调速器而言，由于其程序已经基本标准化，应用于某一具体用户的调速器程序基本是由90%的基本程序加10%的用户特定程序构成，可见，对每个调速器的程序工作量相对而言并不大。举个例子，用梯形图语言编制某调速器的用户特定程序，一个较熟练的技术人员大概只需要5—8小时即可完成。
因此，从应用角度讲，高级语言，梯形图语言，功能块语言，语句表语言均能较好地实现调速器的功能，但从实用角度讲，梯形图语言更利于用户技术人员阅读调速器程序。从而利于设备维护。
2)接口特性
在调速器系统中，其微机调节器的控制器的基本配置包括CPU模块，开关量输入/输
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出模块（也有的开关量输入/输出就集成在CPU模块上），模拟量输入/输出模块，除此之外，在有些调速器系统中还可能用到定位模块（高速脉冲输出模块）、高速计数模块、通讯模块（通讯模块根据通讯对象的不同，有可能要求串行的RS－232，RS－422或RS－485口；以太网通讯处理器；PROFIBUS通讯处理器等），中断模块，触摸式图形操作终端等。因此选择控制器时应在清楚调速器系统构成的基础上仔细考虑其可选扩展模块是否能满足调速器系统的要求。
例如，目前有调速器采用交流伺服电机位置环实现电/机转换，则需要考虑所选控制器是否有合适的高速脉冲输出模块，也就是常说的定位模块可供选择。又如，弄清楚调速器与监控系统等的通讯接口后，则需要配置相应的通讯模块。
在调速器中，测频环节极其重要，在确定测频方式时，即要考虑是否有相应的接口模块可供选择。目前在调速器中，测频的实现有主要有两类，一类是用单片机测出频率再送至控制器，若是采用并行的方式送频率，就要考虑控制器中被占用的I/O点数，若是用串行的方式送频率，则要考虑串行通讯口的扩展；另一类是PLC内测频，PLC内测频也有两种方式，一是采用扩展的高速计数模块，此时要考虑高速计数模块的计数频率是否满足测频精度的要求，还有一种方式是不采用扩展的高速计数模块，而利用控制器内部的高速计数功能及中断功能，采用静态频率及动态频率的概念[5] 将速动性与高精度较好地结合在一起，此时要考虑的是控制器CPU的高速计数功能的计数频率。
2.3选择空间
水轮机调速器是水电站中非常重要的辅机设备，它直接控制水轮发电机组的运行，因此对可靠性要求很高，其微机调节器的控制器应是大批量生产的可靠性高、技术先进的成熟产品。
现代的水电站中，自动控制装置已被广泛使用，如闸门，水车，油压装置，高低压气机，励磁，集水井自动控制装置，这些控制装置中，也要用控制器。同一个电站中，用户往往希望选择相同系列的控制器构成自动控制装置，以便于培训、维护及备品备件。因此，应用于调速器中的控制器应能考虑与电站其它设备的匹配，才能满足不同用户的要求。这就要求应用于调速器中的控制器种类有很广泛的选择空间，应该是在各领域中应用广泛，性能成熟的产品。
3.关于分时多任务处理
所谓的分时多任务处理是计算机采取按照时间片的轮换对多个任务串行执行的方式，
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其本质是分时串行。
如果确实有必要对多个的任务进行处理，此时采用多个CPU分别处理的方式，无论从成本上、可靠性、可维护性、模块化程度上都更加适合工程应用。如果这多个任务的执行过程需要通讯，那么，在CPU之间的通讯（以太网、现场总线等）也可以完全达到这一目的。如日本三菱的Q系列PLC，可以实现将多个CPU安装在同一主基板上，控制系统中的各个I/O、智能模块有各自的CPU分别管理的多CPU系统，CPU间的通讯可以分别通过自动刷新、定期执行其通信功能的循环通信和通过专用命令随机进行的瞬时通信，多CPU系统将原CPU单独执行的顺序控制、数据处理等分散到多台专用的CPU中，使整个系统更高速化和高性能化。
对于调速器而言，控制过程已经非常成熟、规范，不存在需要将控制任务分成若干小任务并行处理的需求。实时多任务机制的采用应该说对改善调速器性能并无明显益处。
4.主要控制器简介
前文已提到，应用于微机调节器中的控制器主要是IPC，PLC，PCC等三类。 IPC即工控机，它由计算机和过程输入/输出通道两大部分组成。IPC功能强大，界面友好，但利用IPC构成控制系统开发周期较长、现场布线不够灵活、安装体积大和扩展性差，而且IPC模式主要是通过接口板转换各种信号，干扰也是一个很大的问题。由于这些问题的存在，IPC在调速器这一控制领域应用并不十分广泛，目前已投入现场运行的IPC调速器（包括企业自行设计的IPC）近似200台。IPC在电力系统的一些别的场合应用还是很广泛，如电厂计算机监控系统，变电站计算机监控系统，调度中心工作站等。目前在自动控制领域应用比较广泛的工控机品牌有研华，美国Intel，德国西门子，研祥等。
PLC由于其初期在功能上只能进行逻辑控制，因此被称为可编程逻辑控制器，随着微电子技术的发展，PLC的功能也不断发展，具有逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术运算、中断、比较等操作指令，几乎能实现所有控制领域的控制功能。因此PLC发展到现在，实际上已成为功能完善的控制器，NEMA在1980年将其正式命名为可编程控制器，即PC，不过由于习惯，很多场合下还沿用PLC的叫法。PLC的编程语言为类似于继电器控制线路的梯形图，易于被电气技术人员接受[4]。至20世纪70年代，全世界有200 多个厂家生产400多个品种的PLC 产品，及其网络产品，在全世界的自动化控制装置中，PLC 的产量 、销量、用量位居榜首[1]，主要品牌及系列有日本三菱FX系列，AnS系列，Q系列等；日本Omron；德国西门子S7系列，S5系列；德国GE；美国AB，法国Modicon TSX
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系列，昆腾系列；美国施奈德等。
由于PLC具有可靠、安全、灵活、方便、经济等许多优点，华中科技大学在1993年率先提出并完成了PLC调速器的开发和生产，PLC调速器应用于现场后，因其安全、可靠、操作方便而得到用户好评，并迅速推广。目前，以PLC为核心构成微机调节器的微机调速器已成为我国当前水轮机微机调速器的主导产品，目前已应用于现场的大概有900余台。
PCC是94年由贝加莱提出的工业控制的一种新概念[3]，其实质是一种在软、硬件技术方面进一步发展的新一代可编程控制器产品，与常规PLC相比，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的设计。PCC与PLC一样能处理开关量、模拟量并进行回路调节，PCC可以用梯形图、语句表编程，也可以用高级语言编程，具备大型机的分析运算能力[2]。PCC 目前在世界范围内只有贝加莱一家公司生产，有大型的2010系列，小型的2003系列及中型的2005系列。目前，已有二、三家调速器生产厂家研制成功以PCC为核心构成微机调速器的微机调节器，且有近似50台运行于现场。PCC目前主要应用于中小型调速器。
可见，IPC，PLC，PCC其实质均是工业控制机计算，三者之间互相渗透，取长补短，有进一步融合的趋势。如研华新近推出ADAM－5510 PC－based PLC就是一种融入PC技术的PLC；又如现在许多工控机都提供梯形图编程语言。
表2分别列出几种IPC，PLC，PCC的某些数据比较。
表2 IPC，PLC，PCC数据比较 控制器 速度 程序程序容量 容量可扩至 基本指令：0.08us/8kP 日本FX2N 16k步 指令 L 三菱 步 应用指令：1.52us C AnS系列 0.2us/步处14k44k步 A2ASCPU 步 理时间 Q系列顺控指令252k32M Q25HCPU 102ns/指令 步 48k4M 德国S7－300 位操作0.3us 字操作1us 西门314IFM 整数运算：2us 步 子 浮点运算:50us 法国TSX 每Kinst执20k84k步 ModTSX372行时间：步 icon 2 0.15ms
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数据编程扩展模块/板 容量 语言 调速器已运行台数 近 似 900 台 8k字 8k字 150k字 48k字 16k字 梯 形 图 、 功 能 块 I/O模块 A/D模块 D/A模块 高速脉冲输出模块 高速计数模块 中断模块 各类通讯模块
P 德国2003系C 贝加列 C 莱 CP470 2005系列 CP260 I P 研华 C PCA-6359 指令周期100k无 字节 1.6us 指令周期850k16M 字节 0.2us 256k梯形字节 图，PL200512k0 字节 模拟量接口模块 数字量I/O模块 电机模块 混合模块（含模拟量及数字量I/O，计数器，增量式编码器） 通讯接口模块 近似50台 266M CPU 66M 总线 256M 无 512k高级二级语言，缓存 梯形图 模拟量及数字量I/O模块，通讯控制模块，计数器/频率模块，高速多功能卡，步进/伺服电机控制卡 近似200台（含企业自行设计的工控机） 4.1结论
①微机调节器中控制器的选择应从满足调速器的性能、功能出发，选择可靠性高，生产批量大，可供选择产品多，以及能满足某些特殊要求的成熟产品。
②IPC，PLC，PCC从广义上看都是工业控制计算机，用做微机调节器中控制器都是可以满足调速器的性能及功能要求的，PCC实际上就是一种PLC，但PCC和IPC更适合于用做数据采集和小型监控系统。
③随着微机技术，通讯技术及大规模集成电路技术的发展，将会有性能优良、可靠性高、性价比更高的控制器出现于市场中，从事调速器工作的技术人员应紧跟技术发展，研制出品质更好的调速器产品。
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