水輪機(jī)調(diào)速器PCC測頻裝置的研究

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1、水輪機(jī)調(diào)速器PCC測頻裝置的研究南海鵬，王德意，王濤（西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安710048）摘要:本文提出了一種用于水輪機(jī)調(diào)速器的可編程計算機(jī)控制器PCC型測頻裝置，與可編程邏輯控制器測頻裝置相比，具有更高的測量精度和響應(yīng)速度；與傳統(tǒng)的單片機(jī)測頻裝置相比，硬件電路大大簡化，且極大地提高了測頻裝置的可靠性關(guān)鍵詞:水輪機(jī)；調(diào)速器；頻率測量；可編程計算機(jī)控制器中圖分類號：TV734.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1000-0860(2001)07-0015-031.引言目前，水輪機(jī)調(diào)速器測頻環(huán)節(jié)一般均采用單片機(jī)實現(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、篩選、老化處理、焊

2、接及生產(chǎn)工藝等都受到限制，造成測頻裝置可靠性較低，甚至運行中還可能出現(xiàn)單片機(jī)死機(jī)，使測頻裝置失靈，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)速器的安全可靠運行.專利CN1209551A中提出一種采用可編程邏輯控制器PLC為硬件的測頻裝置，雖然提高了測頻裝置的可靠性，但其以周期為0.1ms的脈沖作為計數(shù)器的計數(shù)脈沖，且測量當(dāng)前頻率信號周期前連續(xù)50個周期的平均頻率，因此當(dāng)信號頻率發(fā)生階躍變化時，經(jīng)過1s的過渡過程才能準(zhǔn)確反映被測信號的頻率，而過渡過程內(nèi)存在較大誤差(綜上所述，單片機(jī)測頻裝置可靠性較低，而PLC測頻裝置雖然提高了可靠性，但頻率信號動態(tài)變化時測頻精度低且階躍響應(yīng)時間常數(shù)大，

3、嚴(yán)重影響了水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，甚至當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時造成調(diào)速器反應(yīng)遲鈍.本文提出一種基于可編程計算機(jī)控制器（PCC）的水輪機(jī)調(diào)速器測頻裝置，克服了上述影響調(diào)速器安全可靠運行和影響水輪機(jī)調(diào)節(jié)品質(zhì)的缺點與不足.2.PCC測頻原理及系統(tǒng)組成PCC測頻裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.CPU模塊CP474內(nèi)部具有時間處理單元TPU，該處理單元利用其內(nèi)部4MHz的計數(shù)時鐘測量輸入脈沖的頻率，而DI135的作用就是將整形后的機(jī)組或電網(wǎng)頻率信號傳至TPU.PCC測頻的基本思路是：先將機(jī)組或電網(wǎng)頻率信號整形為同頻率的方波信號，該方波信號經(jīng)DI135送入CP474的YPC輸入通道，TPU讀取方波信號兩相鄰上升

4、沿之間的計數(shù)值N，則所測頻率為式中，fe為PCC內(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)頻率.2.1PCC基本單元本測頻裝置采用奧地利B&R公司可編程計算機(jī)控制器2003系列的CP474模塊作為基本單元，它選用32位MotorolaM68300微處理器作為其CPU.該微處理器具有一個時間處理單元（TPU)，主要用于外部處理事件計數(shù)、門電平時間測量、頻率測量、脈寬調(diào)制等與時間有關(guān)的任務(wù)（timingtasks），減少CPU模塊為處理這些任務(wù)調(diào)用中斷服務(wù)程序所占用的時間.時間處理單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示.TPU由處理器、中斷寄存器、接口寄存器（RAM）、定時器（TCR1與TCR2）及輸入輸出通道等組成.TPU由接口寄

5、存器組通過1MB的內(nèi)部總線與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，首先由輸入輸出通道向中斷寄存器發(fā)出請求信號，再中斷寄存器通知處理器并進(jìn)行相應(yīng)處理.定時器TCR1及TCR2的分頻系數(shù)確定TPU的時鐘頻率，對CP474來說，分頻系數(shù)為8，而TPC的時鐘頻率為4MHz.圖1PCC測頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2TPU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信號同頻率的方波信號送入TPU的輸入輸出通道.本裝置選用DI135

6、模塊，該模塊具有4路高速數(shù)字量輸入，且采用光電隔離，其輸入過濾器滯后為3us.DI135本身還能進(jìn)行故障診斷，并通過主機(jī)將故障類型讀出，這些故障包括24V電源掉電、硬件錯誤、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，其輸出的與所測信號同頻率的方波信號再送至數(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材料.圖3頻率整形電路原理3.PCC測頻裝置軟件設(shè)計3.1PCC多任務(wù)分時操作系統(tǒng)PCC將整個操作

7、界面分成數(shù)個具有不同優(yōu)先權(quán)的任務(wù)等級（taskclass），其中優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)等級有著較短的巡回掃描周期，而且每個任務(wù)等級可包括多個具體任務(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)等級低一些，如人機(jī)接口任務(wù)等.這樣整個控制系統(tǒng)便得到優(yōu)化，具有更好的實時性.B