摘要: 本文基于新型的B&R2005系列可編程計(jì)算機(jī)控制器---PCC( Programmable Computer Controller) , 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種功能豐富、穩(wěn)定可靠的水輪機(jī)組現(xiàn)地控制系統(tǒng), 并且基于PCC 強(qiáng)大的通訊功能實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控。PCC 基于分時(shí)多任務(wù)系統(tǒng), 在擁有可編程邏輯控制器---PLC( Programmable Logic Controller) 的高穩(wěn)定性的同時(shí), 也擁有計(jì)算機(jī)的快速、高效以及編程功能強(qiáng)大等特點(diǎn), 能夠勝任實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性要求較高的控制任務(wù)。
關(guān)鍵詞: 可編程計(jì)算機(jī)控制器；分時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)；開(kāi)關(guān)量輸入模塊；模擬量輸入模塊；幀驅(qū)動(dòng)器
Abstract: This article developed on the basis of one new-type Programmable Computer Controller(PCC) of B&R 2005 and it designed and realized a local controlling system of generator which provided with abundant function. In addition, this system realized
far-distance monitoring based on the powerful communication ability of PCC. The Programmable Computer Controller(PCC), which based on time- sharing and multitask system, provided with high stability, high- speed, high efficiency and powerful programmable ability of computer, can be competent for controlling task which requires high veracity and real- time response.
Key words: Progr ammable Computer Controller ；Time- shar ing and Multitask system；Digital Input Modules；Analog Input Modules；Frame Driver
1 概述
水輪機(jī)組現(xiàn)地控制單元( LCU) 作為水電站監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)層的主要組成部分, 其性能對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)影響巨大。隨著人們對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)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(shù)據(jù)處理以及通訊等方面的能力已經(jīng)捉襟見(jiàn)肘。而可編程計(jì)算機(jī)控制器( Programmable Computer Controller, 簡(jiǎn)稱PCC)不僅擁有PLC穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn), 同時(shí)也具備了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理及通訊能力。本系統(tǒng)即基于B&R2005系列PCC, 采用ANSI C 語(yǔ)言編制控制程序, 同時(shí)以最小二乘法對(duì)機(jī)組模擬量進(jìn)行濾波, 并基于幀驅(qū)動(dòng)器( Frame Driver) 實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)同外部智能設(shè)備的通訊。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)采用B&R2005系列中型PCC。該P(yáng)CC系統(tǒng)由一系列獨(dú)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(kuò)展模塊包括IO模塊、通訊模塊等。
在該系統(tǒng)中, 調(diào)速器、電量?jī)x以及溫度巡檢儀等智能設(shè)備能夠穩(wěn)定地同PCC通訊并將數(shù)據(jù)送入PCC,而PCC將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)送至上位機(jī)監(jiān)控終端, 同時(shí)也將數(shù)據(jù)送至LCU上的人機(jī)界面進(jìn)行顯示。這種模式彌補(bǔ)了設(shè)備分散帶來(lái)的不足, 使運(yùn)行人員可以在上位機(jī)或人機(jī)界面上監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行狀態(tài), 實(shí)現(xiàn)真正的集散式監(jiān)控系統(tǒng)。
該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
3 水輪機(jī)組現(xiàn)地控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 硬件配置
模塊式結(jié)構(gòu)使PCC系統(tǒng)的配置靈活方便, 該系統(tǒng)主要配置模塊如下:
1）開(kāi)關(guān)量輸入模塊(DI486)。該模塊用于采集機(jī)組各種開(kāi)關(guān)量,如機(jī)組斷路器開(kāi)關(guān)。
2)開(kāi)關(guān)量輸出模塊(DO650)。該模塊用于輸出機(jī)組操作、保護(hù)命令,如水輪機(jī)開(kāi)停機(jī)。
3)模擬量輸入模塊(AI775)。該模塊以10~20ms的模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間采集機(jī)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(tǒng)提供各種通訊接口支持,包括RS232等。
該P(yáng)CC系統(tǒng)除了上述模塊以外還有溫度量模塊等,同時(shí)該LCU系統(tǒng)還有其他智能設(shè)備，如電量?jī)x、溫度巡檢儀以及轉(zhuǎn)速繼電器等，其功能分別為：采集發(fā)電機(jī)的電量參數(shù)、采集定子及轉(zhuǎn)子溫度以及采集機(jī)組轉(zhuǎn)速、頻率等。
3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.2.1 任務(wù)層設(shè)計(jì)
PCC的操作系統(tǒng)是一個(gè)分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng),這種操作系統(tǒng)可使控制系統(tǒng)得以優(yōu)化,擁有更好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性.在該控制程序中,各個(gè)任務(wù)程序模塊依據(jù)其自身的重要性、實(shí)時(shí)性要求，分別位于優(yōu)先級(jí)不同的任務(wù)層下，完成不同的功能。例如，事故故障處理直接影響水輪機(jī)組的安全運(yùn)行，因此該模塊被置于任務(wù)層Cycllic #1(20ms)中；而對(duì)實(shí)時(shí)性要求相對(duì)不高的模塊如通訊程序模塊，則被置于任務(wù)層Cycllic #4(20ms)中。 圖2為控制程序各個(gè)任務(wù)程序模塊的任務(wù)層分布。
圖2程序模塊的任務(wù)層分布
3.2.2 模擬量處理程序的設(shè)計(jì)
機(jī)組模擬量如壓力、溫度等對(duì)整個(gè)水輪機(jī)組的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，因此需要對(duì)模擬量進(jìn)行濾波以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。以PCC為核心的控制系統(tǒng)對(duì)模擬量值的濾波一般是通過(guò)將模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)值進(jìn)行平均N次得以實(shí)現(xiàn)，存在著可靠性差等缺點(diǎn)。該程序則基于最小二乘法對(duì)模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，并可根據(jù)傳感器特性的變化調(diào)整參數(shù)，大大提高了數(shù)據(jù)的可靠性。最小二乘法即:
選擇適當(dāng)?shù)腶,b,使得式(1)中的ε最小。
（1）
因?yàn)棣攀莂,b的函數(shù),所以,用求極值的方法可知應(yīng)滿足:
(2)
解出a,b:
(3)
則:
(4)
式(4)中Yi即為第i個(gè)模擬量通道的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，其中Xi為從傳感器讀取的第i個(gè)模擬量通道的初始值；ai，bi為對(duì)應(yīng)該通道的參數(shù))；n為平均次數(shù)，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(shè)計(jì)
該LCU與外部設(shè)備如電量?jī)x等的通訊基于幀驅(qū)動(dòng)器。幀驅(qū)動(dòng)器(Frame Driver)是一種介于應(yīng)用程序和硬件接口之間的軟件工具箱，它使幀以字節(jié)流的形式進(jìn)行發(fā)送與接受，無(wú)需驅(qū)動(dòng)器來(lái)對(duì)這些幀進(jìn)行操作。
1)初始化。通訊開(kāi)始時(shí)，通過(guò)幀命令FRM_xopen(device,mode)初始化端口，其參數(shù)定義了接口設(shè)備、接口參數(shù)以及數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)等。
2)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。
函數(shù)FRM_xopen（）初始化完成后返回緩沖區(qū)的地址及其長(zhǎng)度，然后調(diào)用memcpy()將數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖區(qū)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)接收的過(guò)程與發(fā)送基本相反，幀驅(qū)動(dòng)器首先調(diào)用FRM_read讀取一幀數(shù)據(jù)并把它放在緩沖區(qū)中，然后由memcpy()讀出該緩沖區(qū)的內(nèi)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(shù)*/
FrameXOpenStruct.device=(UDINT)StringDevice；
FrameXOpenStruct.mode=(UDINT)StringMode；
FRM_xopen (&FrameXOpenStruct)；
Ident=&FrameXOpenStruct.ident；}
4 結(jié)束語(yǔ)
本文結(jié)合發(fā)展迅速的可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù),介紹了一種新型高效的水電站現(xiàn)地控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于B&R2005系列PCC, 在以最小二乘法對(duì)機(jī)組模擬量進(jìn)行濾波的基礎(chǔ)上, 實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的各種控制與保護(hù)功能, 并基于幀驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)同外部智能設(shè)備的通訊, 組成了一個(gè)適用于中小型水電站的分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)。自現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試完畢至今, 該監(jiān)控系統(tǒng)已安全可靠地穩(wěn)定運(yùn)行了將近一年, 得到了廣西宜州水電廠廣大職工領(lǐng)導(dǎo)的好評(píng)。相信在不久的將來(lái),PCC將會(huì)依靠其強(qiáng)大的性能逐漸取代PLC, 成為水電廠自動(dòng)化改造中不可或缺的一部分。
參考文獻(xiàn)
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作者: 徐惠攀（ 男, 1982 年生, 漢族, 碩士研究生,主要研究方向?yàn)? 自動(dòng)控制理論及自動(dòng)化技術(shù)。email:huipan.xu@gmail.com ）王典洪（男, 1957 年生, 漢族, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要研究方向?yàn)? 計(jì)算機(jī)圖像處理以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用等。）孔令彬（男, 1962 年生, 漢族,教授, 主要研究方向?yàn)? 微光學(xué)及紅外熱成像技術(shù)）章璐（男, 1962 年生, 漢族, 武漢東興自動(dòng)控制技術(shù)有限公司經(jīng)理, 高級(jí)工程師。）
(430074 湖北武漢中國(guó)地質(zhì)大學(xué)機(jī)電學(xué)院) 徐惠攀 王典洪 孔令彬
( 430077 湖北武漢武漢東興自動(dòng)控制技術(shù)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