1 概述
水輪機組現地控制單元( LCU) 作為水電站監控系統基礎層的主要組成部分, 其性能對整個監控系統影響巨大。隨著人們對監控系統自動化程度要求的日益提高, 以中小型PLC為控制核心的LCU在高速數據處理以及通訊等方面的能力已經捉襟見肘。而可編程計算機控制器( Programmable Computer Controller, 簡稱PCC)不僅擁有PLC穩定可靠的優點, 同時也具備了強大的數據處理及通訊能力。本系統即基于B&R2005系列PCC, 采用ANSI C 語言編制控制程序, 同時以最小二乘法對機組模擬量進行濾波, 并基于幀驅動器( Frame Driver) 實現了控制系統同外部智能設備的通訊。
2 系統結構
本系統采用B&R2005系列中型PCC。該PCC系統由一系列獨立封裝的盒式模塊組成, 基本模塊包括電源模塊和CPU模塊, 擴展模塊包括IO模塊、通訊模塊等。
在該系統中, 調速器、電量儀以及溫度巡檢儀等智能設備能夠穩定地同PCC通訊并將數據送入PCC,而PCC將處理后的數據通過以太網送至上位機監控終端, 同時也將數據送至LCU上的人機界面進行顯示。這種模式彌補了設備分散帶來的不足, 使運行人員可以在上位機或人機界面上監控機組運行狀態, 實現真正的集散式監控系統。
該系統結構如圖1 所示。
3 水輪機組現地控制系統設計
3.1 硬件配置
模塊式結構使PCC系統的配置靈活方便, 該系統主要配置模塊如下:
1）開關量輸入模塊(DI486)。該模塊用于采集機組各種開關量,如機組斷路器開關。
2)開關量輸出模塊(DO650)。該模塊用于輸出機組操作、保護命令,如水輪機開停機。
3)模擬量輸入模塊(AI775)。該模塊以10~20ms的模數轉換時間采集機組模擬量,如壓油罐油壓、集油槽油位等。
4)通訊模塊(IFO60)。該模塊可為系統提供各種通訊接口支持,包括RS232等。
該PCC系統除了上述模塊以外還有溫度量模塊等,同時該LCU系統還有其他智能設備，如電量儀、溫度巡檢儀以及轉速繼電器等，其功能分別為：采集發電機的電量參數、采集定子及轉子溫度以及采集機組轉速、頻率等。
3.2 軟件系統設計
3.2.1 任務層設計
PCC的操作系統是一個分時多任務操作系統,這種操作系統可使控制系統得以優化,擁有更好的穩定性和實時性.在該控制程序中,各個任務程序模塊依據其自身的重要性、實時性要求，分別位于優先級不同的任務層下，完成不同的功能。例如，事故故障處理直接影響水輪機組的安全運行，因此該模塊被置于任務層Cycllic #1(20ms)中；而對實時性要求相對不高的模塊如通訊程序模塊，則被置于任務層Cycllic #4(20ms)中。 圖2為控制程序各個任務程序模塊的任務層分布。
3.2.2 模擬量處理程序的設計
機組模擬量如壓力、溫度等對整個水輪機組的正常運行起著至關重要的作用，因此需要對模擬量進行濾波以保證數據的準確性。以PCC為核心的控制系統對模擬量值的濾波一般是通過將模數轉換器得到的數值進行平均N次得以實現，存在著可靠性差等缺點。該程序則基于最小二乘法對模擬量數據進行擬合處理，并可根據傳感器特性的變化調整參數，大大提高了數據的可靠性。最小二乘法即:
選擇適當的a,b,使得式(1)中的ε最小。
式(4)中Yi即為第i個模擬量通道的數據處理結果，其中Xi為從傳感器讀取的第i個模擬量通道的初始值；ai，bi為對應該通道的參數)；n為平均次數，程序中一般取20次。
模擬量處理模塊部分程序如下:
Int AnalogueFilter(unsigned int No,int AValue)
{IValue=Avalue* AcoefficientA[No]+AcoefficientB[No];／＊ 最小二乘法濾波
IValue=FiatFilter(No, Ivalue,1);／＊ 平均值濾波
If((Ivalue >= AValueMin[No])&&( Ivalue <=AValueMax[No]))
{Evalue= EValue+Alog[No][i];
Fvalue=( EValue+IValue)/20;}
3.2.3 通訊程序設計
該LCU與外部設備如電量儀等的通訊基于幀驅動器。幀驅動器(Frame Driver)是一種介于應用程序和硬件接口之間的軟件工具箱，它使幀以字節流的形式進行發送與接受，無需驅動器來對這些幀進行操作。
1)初始化。通訊開始時，通過幀命令FRM_xopen(device,mode)初始化端口，其參數定義了接口設備、接口參數以及數據傳輸狀態等。
2)數據發送與接收。
函數FRM_xopen（）初始化完成后返回緩沖區的地址及其長度，然后調用memcpy()將數據寫入緩沖區，并將數據發送出去。數據接收的過程與發送基本相反，幀驅動器首先調用FRM_read讀取一幀數據并把它放在緩沖區中，然后由memcpy()讀出該緩沖區的內容。
通訊模塊部分程序如下:
Void OpenComPortProc(void)／＊ 端口初始化/{strcpy(StringMode,“RS485,9600,N,8,1”:/ * 通訊參數*/
FrameXOpenStruct.device=(UDINT)StringDevice；
FrameXOpenStruct.mode=(UDINT)StringMode；
FRM_xopen (&FrameXOpenStruct)；
Ident=&FrameXOpenStruct.ident；}
4 結束語
本文結合發展迅速的可編程計算機控制器技術,介紹了一種新型高效的水電站現地控制系統。該系統基于B&R2005系列PCC, 在以最小二乘法對機組模擬量進行濾波的基礎上, 實現了機組的各種控制與保護功能, 并基于幀驅動器實現了控制系統同外部智能設備的通訊, 組成了一個適用于中小型水電站的分層分布式監控系統。自現場安裝調試完畢至今, 該監控系統已安全可靠地穩定運行了將近一年, 得到了廣西宜州水電廠廣大職工領導的好評。相信在不久的將來,PCC將會依靠其強大的性能逐漸取代PLC, 成為水電廠自動化改造中不可或缺的一部分。
參考文獻
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[2]貝加萊工業自動化軟件及硬件技術手冊.2003
[3]歐元賢, 劉旺玉. 基于三菱運動控制單元的碾鉚機數控系統[J] .微計算機信息, 2005,2:17- 19
作者簡介: 徐惠攀, 男, 1982 年生, 漢族, 碩士研究生,主要研究方向為: 自動控制理論及自動化技術。email:huipan.xu@gmail.com 王典洪, 男, 1957 年生, 漢族, 教授, 博士生導師, 主要研究方向為: 計算機圖像處理以及計算機應用等。孔令彬, 男, 1962 年生, 漢族,教授, 主要研究方向為: 微光學及紅外熱成像技術。章璐, 男, 1962 年生, 漢族, 武漢東興自動控制技術有限
公司經理, 高級工程師。
(430074 湖北武漢中國地質大學機電學院) 徐惠攀 王典洪 孔令彬
( 430077 湖北武漢武漢東興自動控制技術有限公司) 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
