（水利水电工程专业论文）水轮机调速器的控制软件在pcc上的实现.pdf

摘要 水轮机调速器作为水轮发电机组中的重要控制设备，历来受到国内外水力发 电行业的关注，其性能的好坏决定了发电机组是否能安全可靠的运行。近年来， 随着可编程计算机控制器( p c c ) 的广泛使用，其优越的控制性能得到了普遍认可。 不! 多公司和科研单位己陆续开始在p c c 上开发水轮机调速器。本文所做的研究 是在p c c 上开发水轮机调速器的控制软件。 文章主要研究了以f 两个问题： l ：在p c c 系列产品中的p p 4 1 上开发了水轮机调速器的控制软件。在该控 制软件中，根据水轮发电机组的不同运行1 况，编写了与之对应的控制程序。通 过p c c 提供的时间处理单元( t i m ep r o c e s s o ru n i t ，缩写1 1 p u ) ，很好地完成 了频率测量。利用p c c 提供的编程软件开发了与控制程序相对应的显示界面。通 过界丽可了解机组当前的运行情况，并可对有关参数进行修改。 2 ：针对p c c 浮点运算能力不够强的特点，通过对比多种协联插值方法，寻 找出适合在轴流转桨式水轮机协联运行中运用的插值方法，该方法在常规线性插 值的基础上进行了改进，做到了在提高插值精度的同时，又兼顾r 一个较快的运 算速度。 关! 踺词：p c c 水轮机调速器频率测蕈控制界面协联插值 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tc o n t r o le q u i p m e n t o f h y d r a u l i c t u r b i n eg e n e r a t o r , h y d r a u l i c t u r b i n eg o v e r n o rh a sa l w a y sb e e np a i dm u c hm o r ea t t e n t i o nt ob yt h ed o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lw a t e r p o w e rt r a d e w h e t h e rt h eg e n e r a t o ru n i t sc a nw o r ks a f e l yd e p e n d o nt h eh y d r a u l i ct u r b i n e g o v e r n o r sq u a l i t y i nr e c e n ty e a r s ，、v i mt h ew i d eu s eo fp c c i t se x c e l l e n tc o n t r o lc a p a b i l i t yh a sb e e n p o p u l a rr e c o g n i z e d m a n yc o m p a n i e sa n d r e s e a r c ho r g a n i z a t i o n sh a v ea l r e a d yb e g u nt od e v e l o pt h eh y d r a u l i ct u r b i n eg o v e r n o r o nt h eb a s i so f p c c t h i s p a p e rh a sp r o p o s e d ak i n do f c o n t r o ls o f t w a r eo f h y d r a u l i c t u r b i n eg o v e r n o r t w o q u e s t i o n sh a v e b e e nr e s o l v e di nt h i sp a p e r 1ak i n do fc o n t r o ls o f t w a r eh a sb e e n d e v e l o p e d w i t h p p 4 1 ( o n ep r o d u c t i o no f p c c s y s t e m ) i n t h i ss o f t w a r e ，a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t w o r k i n g s t a t eo f u n i t s ，t h e c o r r e s p o n d i n gp r o g r a m s a r ec o m p i l e d f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t sa r ec o m p l e t e dw i t h t p u as e r i e so f d i s p l a yi n t e r f a c e sa r ee x p l o i t e dw i t ht h eu s eo f p r o g r a n m a a b l e s o f t w a r es u p p o r t e r b y p c c t h r o u g ht h e s ei n t e r f a c e s ，t h ec u r r e n ts i t u a t i o no fu n i t s c a r lb eg r a s p e d ，a n dt h er e l e v a n tp a r a m e t e r sc a l lb em o d i f i e d i m m e d i a t e l y 2 d u et ot h el u c k c a p a b i l i t yi nt h ef l o a t i n g p o i n to p e r a t i o no f p c c ，t h e i n t e r p o l a t i o nm e t h o d m o s t c o m p a t i b l ew i t l lt h ea x i a l f l o wa d j u s t a b l e b l a d ew a t e r t u r b i n ec o l l a b o r a t i o nc a nb ec o n f i r m e d ，c o m p a r e dw i t ht h eo t h e rc o l l a b o r a t i o n i n t e r p o l a t i o nm e t h o d t h em e t h o di si m p r o v e do nt h eb a s i so f r e g u l a rl i n e a r i t y i n t e r p o l a t i o n t ti n c r e a s e st h ep r e c i s i o no f i n t e r p o l a t i o na n d r a p i d i t yo f o p e r a t i o n k e yw o r d s ：p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r ；h y d r a u l i ct u r b i n eg o v e m o r f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t ；c o n t r o li n t e r f a c e ；c o l l a b o r a t i o ni n t e r p o l a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 】翌尘 虫 2 0 0 5 年3 月2 5 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密 期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： ! 翌垒苎蠹 2 0 0 5 年3 月2 5 日 河海大学硕士学位论文 水轮机调速器的控制软件在p c c 上的实现 1 1 引言卜2 3 1 第一章概论 水轮发电机组可以把水能转变成电能，通过输电线路供给用户使用。作为用 户除了要求供电的可靠性，还要求电能的频率和电压保持在额定值附近的某范 围内，如果电压和频率偏离额定值过大，就会影响用户的产品质量。我国电力系 统规定：频率应保持在5 0 h z ，其偏差不得超过0 2 h z ，电压廊保持在额定电压 的7 范围内。 电力系统频率的稳定取决于系统内有功的平衡。然而电力系统的负荷是在不 断变化的，存在着变化周期为几秒n j l 十分的负荷波动，其幅值可达系统总容量 的2 3 ，同时电力系统的负荷是不可预见的。因此，水轮机调节的基本任务就 是根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的有功功率输出，并维持机组转速在规 定的范围内。 水轮机调节系统是一个典型的高阶、时变、非最小相位、参数随工况点改变 而变化的非线性系统。随着科技的发展，水轮机调速器经历了从模拟电路到集成 电路再到计算机控制的过程。作为水电站的重要控制设备，水轮机调速器受到了 普遍的重视和关注。利用测速元件直接操作水轮机执行机构的直接作用式调速器 是水轮机调速器早期的形态。随着技术的发展，1 9 世纪末出现了用液捱元件进 j 功率放大的液压调速器，至2 0 世纪3 0 年代，机械液压型调速器已经相当完善 了。到了2 0 世纪4 0 年代，电气液压型调速器又以新的形态出现。随着计算机技 术的飞速发展，2 0 世纪8 0 年代以来，一些先进国家开始研究微机调速器，目前 已投入使用了大批的微机调速器。在调节规律方面，从常规p i d 调节、有级变参 数p i d 发展到连续变参数适应式p i d 、智能控制、自适应控制、最优p i d 控制以 及预测控制和基因控制等新型控制规律。目前市场上主要有基于工业控制计算 机、单片机、可编程控制器等三种类型的微机调速器。其中基于工控机的微机调 速器，存在装置访问时间较长，体积大，成本高，仅适合大型机组的不足之处。 基于单片机的微机调速器一般均采用单片机实现，由于硬件多为自行设计制造， 所以受到元件检测、筛选、老化处理、焊接及生产工艺等的限制，从而造成调速 第一章概论 器可靠性较低。基于可编程逻辑控制器的微机调速器，尽管可编程逻辑控制器本 身的可靠性很高，但就测频装置来说一般还是通过单片机实现，因而同样存在可 靠性较低的问题。目前，新出现了p l c 的升级产品可编程计算机控制器( 简称 p c c ) 。p c c 的实质是在p l c 中加入了某些工业控制机( i p c ) 的思想，是p 【j c 与 i p c 及计算机集散控制系统相互融合的产物。p c c 具有较强的分析运算能力智 能分布式控制思想，具有耪于标准化的兼容性和丌放性，通用性好。其独特的时 间处理单元( t i m e p r o c e s s o ru n i t ，缩写t p u ) ，能够对与时间相关的程序进行 及时处理并且不影响主c p u 地运行，从而可以很好地担任测量频率的任务，解决 了以往p l c 测频中的不足，保证了调速器的高可靠性。基于p c c 技术的水轮机调 速器已经投入了实际运行，并取得了良好的效果。因此，随着p c c 的发展以及性 能价格比的提高，高町靠性，高性能指标的p c c 微机调速器将是今后调速器发展 的方向。 1 2 国内外微机调速器发展现状”1 3 3 近年来，世界各国先后都在水轮机调节中引入了微机控制技术，很多科研 单位和公司开始研究和开发水轮发电机组的微机调速器，并且取得了卓越的成 果，也形成了一系列产品。 日本是首先研制微机凋速器的国家之一。2 0 世纪8 0 年代初期，只立公司已 将所研制的微机调速器的样机应用j ：抽水蓄能机组。同时东芝公司也较早开始了 研制微机涮速器。作为电站微机控制设备方面起步较早、发展较快的企业之的 瑞典a b b 公司，已有数十台产品在不同国家的电站运行。1 9 8 4 年法国奈尔皮克 ( n e y r p i c ) 公司推出了以6 8 0 9 c p u 为基础的数字调速器d i g i p i d 。德意志联邦 共和国和奥地利的西门子( s i e m e n s ) 、伏依特( v o l t i ) 等公司的微机调速器问 世相对较晚，但目前均已有正式产品。美国伍德华德( w 0 0 d w a r d ) 公司在较晚时 候推出了- - - - t o t 容错式微机调速器产品，同时该公司还开发了应用于水轮发电机 组、柴油发电机组、汽轮发电机组的系列产品。另外，比利时a c e c 公司，瑞 ， 埃舍尔维斯( e s c h e r w y s s ) 公司，挪威k b b 公司等也均推出了各自的微机调速器 产品。 我国调速行业从事微机调速器的研制与开发的步伐与国外大体一致。1 9 8 1 年 河海大学硕士学位论文水轮机调速器的控制软件在p c c 上的实现 底华中理工大学开始微机调速器的研制，并从1 9 8 2 年起，和天津水电控制设备 厂协作，于1 9 8 4 年1 1 月成功研制了我国第一台微机调速器，它所采用的控制算 法是适应式变参数p i d 调节规律，设有口r 实现机旁实时监控和远方控制的监控软 件，设置了诊断、防错和保持措施；而且对频率实现随时跟踪，可完成快速并网。 该调速器已在湖南欧阳海水电站投入运行，并予1 9 8 5 年4 月通过部级鉴定。 1 9 8 9 年，长江控制设备研究所推出了采用双微机系统，具有容错功能的w d s t g 型双微机调速器，该调速器采用s t d 总线，便于扩展和标准化，同时采用 频率一相角复合控制技术，从而可实现快速自动准同期。 1 9 9 0 年，电力部南京自动化研究所推出双微机调速器s j 一7 2 1 a ，该产品获 1 9 9 2 年部级科技进步应用成果一等奖；同时在1 9 9 3 年度被国家科娄评定为国家 重点新产品，认为已经达到国际先进水平。 t 9 9 3 年，华中理工大学和能达公司联合推出h p c - - 8 0 1 可编程微机调速器。 首次存国内将可编程控制器运用到水轮机调速器中。该调速器实现了频率调节、 开度凋节和功率调节等多调节模式的控制策略。 另外，还有河海大学的h c l 型微机调速器，武汉洪山电工研究所的h w t 型 微机调速器。2 0 世纪9 0 年代初，西安理工大学成功开发了基于p c c 的微机调速 器，通过特有的时间处理单元实现了p c c 的直接测频，并配以步进式随动系统， 使得调速器整机具有更加良好的性能。 1 3 可编程控制器的特点和发展趋势乜4 侧 町编程控制器( p c ) 作为一种优良的控制设备已广泛应用于工业控制当中。它 所具有的可靠、安全、灵活、方便、经济的优点越来越被广大的用户所认可。p c 的主要特点是： 1 可靠性高、抗干扰能力强 p c 最突出的特点就是高可靠性，p c 的平均无故障时间可达几十万小时。，p c 针对工业生产环境恶劣，会受到各种电磁干扰，同时需要长时间运行的特点采取 了一系列措趣，主要是在所有输入输出( i 0 ) 接口电路中采用光电隔离，从而 可以屏蔽外界电磁的干扰。 2 编程简单易学 第一章概论 p c 编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图。这种直观形象的编程语言 容易被电气工作人员所接受。对于现代的p c 也提供高级的编程语言，这样复杂 程序的编写将成为可能，从而使得p c 可担任更加复杂的控制仟务。 3 设计、安装容易，调试周期短，维护简单 经过产品的逐步完善，p c 已实现了产品的系列化、标准化、通用化。设计者 【= | j 根据具体要求在众多的p c 产品中选用高性价比的产品。在软件功能卜p c 取代 了以往继电器控制系统中所需要的大量中间继电器、时闻继电器、计数器等，从 而不仪方便了控制柜的设计，同时也减少了布线的工作量。用户可以在试验室罩 模拟程序的运行，调试好后再将p c 控制系统放到生产现场联机调试，这样既方 便又快速，大大缩减了设计和调试周期。同时多数p c 采用模块式结构，因此 旦某模块发生故障，用户可通过更换模块的办法，使系统迅速恢复运行。有些 p c 如贝加莱的产品还允许带电插拔i o 模块。 4 模块品种丰富、通用性好、功能强大 除了荦，式小型p c 外，多数p c 均采用模块式结构，并形成大、中、小系列 产品。根据具体的功能p c 将模块分成各类电源模块、c p u 模块、交流i o 模块、 直流i o 模块、数字量混合模块、模拟量混合模块、网络模块、温度模块、接口 模块、p d 模块、高速计数模块、定位模块、空模块、鼓序列发生器模块等。现 代的p 【：既町控制单台设备，又呵控制一条生产线或全部生产f 艺工程，具有工 业控制所要求的各种控制功能。同时p c 具有通讯联网功能，不仅可与上位机通 信构成分布式控制系统，还可与不同一家的p c 联网。 5 体积小、能耗低 大部分p c 机的体积都很小，所需要电能也较少。由于其体积小，罩量轻， 很容易装入机械设备内部，是实现机电+ 体化的理想控制设备。 p c 已有3 0 多年的历史，其广阔的运用空间被越来越多的人所认识。r j 1 d i 莱 公司已于1 9 9 4 年首次提出了“可编程计算机控制器一一p c c ( p r o g r a m m a b l e c o m p u t e rc o n t r o l l e r ) ”的概念，s i e m e n s 公司提出了“过程控制系统p c s ( p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ) ”概念。今后，p c 主要将朝以下几个方面发展。 1 大型化网络化 为了适应网络时代的要求，p c 的一个重要发展趋势足网络化和强化通信功 河海大学硕上学位沦文水轮机调速器的控制软件在p c c 上的实现 能。p c 构成的网络将由多个p c ，多个i o 模块相连，并可与工业计算机、以太网 等相连构成整个工厂的自动控制系统。在工业控制中将会广泛应用现场总线技术 ( 如：p r o f b u s ) 。 2 模块种类将丰富多彩 随着生产的发展，针对更加复杂的控制要求，开发种类齐全的智能模块将成 为- 种趋势。智能模块是以微处理器为基础的功能部件，他们的c p u 与p c 的c p u 并行工作，占用主机的c p u 时间很少，有利于提高p c 的扫描速度和完成特殊的 控制要求。 3 高可靠性 为了提高自动化系统的可靠性，在一些特定的环境和条件，需要采用自诊断 技术、冗余技术、容错技术，以保证p c 的高可靠性。 4 良好的兼容性 作为。辛 广泛使用的控制发备，p c 产品不仅需要做到本公司产品的兼容，还 要进一步做到与不同公司p c 产品的相互兼容。 5 小型化、低成本 价格低，简单可靠的小型p c ，适用于回路或设备的单机控制，便于机电一体 化。同时小型p c 有灵活的组态特性，能与其它机型连用。 6 编程语言的高级化 除了拥有面向电气工作人员的梯形图，语句表，流程图等编程语言外，些 p c 中增加了b a s i c ，c 等编程语言。这样，编写高级的控制程序将成为可能。 1 4 本论文研究的实际意义 在p c c 上开发水轮机调速器的控制软件，首先是出于水轮机调节系统足一个 多任务的控制系统，可以利用p c c 提供的多任务操作系统，合理分配各个控制任 务，从而很好完成对各任务的并行控制。其次利用p c c 提供的时间处理单兀( t m e p r o c e s s o ru n i t ，缩写t p u ) ，对与时间相关的程序进行及时的处理并且不影响主 c p u 的运行，可以解决以往水轮机调速器在频率测量方面中的问题，迸一步提高 机组运行的可靠性。同时p c c 不但支持梯形图、c 语言等高级编程语言，而且还 具有号门为工业控制开发的高级语言，它比通用的高级语言更适合工业控制的特 第一章概论 点，更易于编程，同时使得p c c 担任辅助任务成为可能，为开发更高级的调速器 挖制锋法提供了便利。综上所述，p c c 不是简单的对p l c 和其它以往控制设备的 更新换代，它在很多方面突破了传统做法。能够更好地担任水轮机调速器。同时 针对p c c 浮点运算能力不够强，在轴流转桨式水轮机的协联运行中寻求一种高效 的插值方法也显得很有必要。 1 5 本论文研究的内容 1 ，5 。1 在p c c 上实现水轮机调速器的控制软件 由微机调速器所建立的水轮机调节系统，足个计算机闭环控制系统。它由 作为被控对象的水轮发电机组和作为微机调速器的智能控制器、检测单元、执行 单元等组成”“，其结构如图1 所示。本文中智能控制器采用奥地利贝加莱公司提 供的可编程计算机控制器。其核心硬件包括p p 4 1 控制机( 控制器和操作显示丽 板一体化) 、自带的1 0 路开关量输入接口x 2 和8 路晶体管输出接口x 3 。以及附 加的旋式模块：a 1 3 5 4 、a 0 3 5 2 、d 1 1 3 5 等。执行单元可以是常规电液随动系统， 也可以是用步进电机取代电液转换器的数液随动系统。人机联系设备通常按照功 能分为输入设备和输出设备。在微机调速器中主要的输入设备是键盘，键盘主要 是用来输入外部命令及对参数进行整定和修改，本文中所研究的调速器的输入设 各是p p 4 1 面板所带的键盘。其输出设备是p p 4l 所带的显示屏幕。另外，微机调 速器中通常配置通信接口，他们可以是r s 2 3 2 、r s 4 8 5 及c a n 等。 | | | | | 产检每量删2 慷p 4 爿两卜龇 蓑jjj 羹 ! 机i | 一一一、| ”【一 组h1 执尊警一一卜恒，卜| _ 二t 塑_ 二骗 水轮机调速的主要任务是：通过不断调整水轮发电机组的有功功率的输出， 并维持机组转速( 频率) 在规定的范围内，来满足发电机正常发电及电力系统安 全运行的需要。本调速器的控制软件主要分为：频率的测量、各工况控制参数的 6 河海大学硕士学位论文 水轮机调速器的控制软件在p c c 上的实现 计算、模拟量输入输出、各参数的显示界面。 1 5 2 在p c o 上对轴流转桨式水轮机的多种插值方法进行比较， 寻找适合在p c c 上运算的插值方法 由于p c c 的浮点运算能力不够强，因此在轴流转桨式水轮机的协联运行中选 择一种高效的插值方法显得很有必要。对于一种好的插值方法，在提高运算能力 的同时也能保证一个较高的插值精度。 本论文将对以下几种插值方法进行比较： 1 线性插值，其优点是运算速度比较快，但其不足之处是精度比较低。 2 二次插值，针对线性插值精度比较低的不足，考虑进行二次插值。但与 此同时，将会增加运算时间，影响调速器的实时性。 3 改进线性插值，针对线性插值精度小高、运算速度快，二次插值精度虽 然有所提高，但运算速度慢的特点。本文中提出一种在线性插值的基础进行修正 的改进线性插值。 7 河海大学硕士学位论文 水轮机调速器的拉制软件在p c c 上的实现 第二章可编程计算机控制器的简介 可编程计算机控制器( p r o g r a r m n a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r ，缩写为p c c ) ， 作为新一代控制设备，较以往的呵编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r , 缩写为p l c ) 有了很大的改进。p c c 改变了以往p l c 采用的单任务操 作系统，取而代之的是多任务操作系统。在编程语言上，p c c 不仅拥有传统p l c 提供的梯形图、指令表。同时还开发了高级语言，如b & ra u t o m a t i o nb a s i c 和 标准c 语言，这样更适合工业控制的特点，更易于编程。还育p c c 可以支持多 个丰c p u 同时】：作，改变了传统的p l c 只支持一个主c p u 的工作方式。同时 p c c 还具有智能处理器，如专门的时问处理单元( t p u ) 。因此，p c c 不是简单 的对p l c 的更新换代，它在多方面突破了传统做法，在可编程控制器中引入新 的控制思想和编程思想，更易于现实现在越来越复杂的控制要求。本论文所论述 的水轮机调速器的控制软件f 是在p c c 上开发的。2 “。 2 1p o e 的基本组成 从广义上来说，p c c 也是一种计算机控制系统，和通常的计算机相比，其具 有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。所以 p c c 与计算机控制系统的组成十分相似，在组成上同样具有中央处理器( c p t j ) 、 输k 输出( i 0 ) 接口、电源等。“。如图2 - 1 所示： l 墅刻 。中央赢l 中央处理器l 制l 一 编程器l t 一i ，编程器1 图2lp c c 的基本组成 l 输 出 部 件 至里立没备 0输入部件 “目i 竖 用自来 第二章可编程计算机控制器的简介 2 2p c c 的硬件介绍 2 2 1 概述”3 硝 1 模块式结构 p c c 的硬件都是模块式结构。以b & r 2 0 0 3 为例，系统模块可分为4 大组： 控制器模块，c p u 模块，i o 模块和旋入式模块。其各组模块义可进一步细分， 例如i o 模块，分别提供了数字量输入输出模块和模拟量输入输出模块。并且各 模块又有多种型号可供选择。用户可以根据需要选择适合的模块组合，以达到理 想的控制效果。 2 p c c 的内存区 在一个p c c 系统中，有两个不同的内存区，一个存在于应用程序模块 ( a p p l i c a t i o nm e m o r ym o d u l e ，a p m ) 中；另一个存在于c p u 模块中。应用程序的 数据与操作系统存储在a p m 中。这样便最小化了在b & r 2 0 0 0 中操作系统与应用程 序之间存在的版本冲突问题。p c c 的内存区由系统r a m 、双口r a m ( d u a p o r t e d p & m ，d p r ) 、系统r o m 、用户r o m 和用户r a m 组成。 各存储器简要介绍如下： 1 ) 系统r o m 用于存储c p u 的操作系统，不能被用户编程或擦除。 ( 2 ) 用户r o m 带有缓冲区的用户r0m ( epr 0m 或f l a s h - - p r o m ) 用于存储各应用程序( 循环和非循环任务，数据模块等) 。 ( 3 ) 系统r a m 首先为操作系统使用，同时也可以保持所有参数。用户 根据需要使用系统r a m 的空闲空间。通过设置将其分为暂存区和模块区。暂存 区用于用户在各任务中快速地访问无缓冲区的内存。模块区用于存储操作系统下 载的b & r 模块。 ( 4 ) 双口r a m ( d p r )用于保存应用程序中使用的所有变量( 内部变量 与i o 数据) 它可以被c p u 和i 0 处理器访问。 ( 5 ) 用户r a m用于存储应用程序。 3 采用多处理器结构 p c c 硬件的另一个特点是采用多处理器结构。除了主c p u 外，系统还提供 了输入输出处理器( i o p r o c e s s o r ) ，主要负责独立于c p u 的数据的输入输出。 9 河海大学硕上学位论文水轮机调速器的控制软件在p c c 上的实现 双向f l 控制器( d p r - - c o n t r o l l e r ) ，作为中间控制器，是联系c p u 与输入输出处 理器的中间桥梁，主要担任系统管理和网络联系。正是这种多处珲器结构，减轻 了c p u 的负担，提高了系统的运行速度。它们之问的相h 关系如图2 - 2 所示。 r 一 i l c p u i 一1 搿；t l l ri 一而r ，- - - i r l _ t 处叫憎w i 翌 lj i _ i “! ”_ 图2 - 2c p u 模块结构 4 刚络j f 发性 由于p c c 的硬件采用模块式结构，从而为进一步扩展提供了可能，使其具有 较强的网络开放性。以b & r 的2 0 0 5 和2 0 1 0 系列为例，其不仅具有本地扩展，同 时还具备远程扩展的功能。通过标准的r s 4 8 5 总线，可以将1 个主站与1 2 1 个 从站联系起来，最远距离可以达到4 8 0 0 m ，点数可达十万多点。 2 2 2 本研究所用p c c 硬件的介绍 1 p p 4 1 的介绍”4 ，2 5 。” 本文所作的研究是在2 0 0 3 系列中的p p 4 i 上进行的。以f 是对p p 4 1 的介绍。 l ) p p 4 l 简介 p p 4 1 具有5 7 英寸q v g a 的黑自液晶显示屏，面板上有8 个软件功能键和3 2 个函数功能键，系统兼容b & r 2 0 0 0 系列的小型机2 0 0 3 系列，内存有7 0 0 k bg r a m ， 1 4 m bf l a s h p r o m ，具有1 个p c m c i a 插槽，1 个r s 2 3 2 接口，1 个c a n 接门，并 且足电气隔离的，p p 4 1 同时具有网络通信功能，6 个口，以插入旋入式模块的插槽， 配备有1 0 个数字量输入通道和8 个数字量输出通道。p p 4 1 的全景图如图23 。 2 ) 显示模块 p p 4 1 人机界面系统对显示技术有一个很大范围的选择，用户的各种数据、配 o 第二章 可编程计算机控制器的简介 置方案、仿真、监控、报警、操作、中断都能以图像或文字形式在显示画面上生 成。p p 4 1 面板还可以显示不同大小的文字、线形和动态条形图。 ( 1 ) 按键块模块 p p 4 1 按键块模块允许用户直接输入数据和控制命令，操作温度能达到5 0 。c 。 按键块模块共有4 0 个按键可定义，其中有1 6 个按键带有i 。f d 。 ( 2 ) v i s u a lc o m p o n e n t 使用b & ra u t o m a t i o ns t u d i o 编程软件中的v i s u a lc o m p o n e n t ，人机界面 部分町以和控制程序部分同编写、测试，可以减少项目所花费的时间。所有任 务被存储在一个项目中，v i s u mc o m p o n e n t 以完全图形化的方式来生成可视化 界面，定义硬件，画图，插入位图，配置输入和输出。 ( 3 ) 界面图像编辑 在a u t o m a t i o ns t u d i o 中，可以使用图像编辑器建立或编辑一个p a n e l 对象， 图像编辑器与所选硬件的特性是对应的。图像编辑器能显示3 2 0 * 2 4 0 个像素点。 2 输入输出模块 图2 - 3p p 4 1 全景图 p p 4 1 作为水轮机微机调节器的硬件主体，仅仅能够满足内部控制程序的需 要，要想与外部水轮机进行对接，还必须依靠输入输出模块作为中介。下面对 p p 4 1 作为水轮机微机调节器所使用的输入输出模块进行介绍。使用数字量d 【1 3 5 河海大学硕七学位论文 水轮机调速器的控制软件在p c ci ：的实现 的目的是为了利用它具有的t p u 功能来进行频率的测量，且t p u 功能是由硬件触 发的；使用模拟量输出模块a 0 3 5 2 的目的是为了输出导叶开度的控制信号y ，对 于轴流转桨式机组还用于输出桨叶开度的控制信号z ；使用a 1 3 5 4 的目的是测量 水头h 、导叶开度的反馈y ，以及在轴流转桨式机组中测量浆叶开度的反馈z 。 1 ) 数字量输入模块dt 1 3 5 ” d 1 1 3 5 模块是一具有4 个高速数字量输入和1 个比较器输出的特殊的旋入式 模块。其用途为： ( 1 ) 计数或测量数字信号的周期、频率。 ( 2 ) 事件计数，对事件的响应速度高达微秒级。 d i1 3 5 模块的对事件的输入频率测量高达l o o k h z ，作为编码器时频率高达 5 0 k h z 。其技术参数见表2 一l ，原理图见图2 4 。 表2 1d 1 1 3 5 技术参数表 输入个数电气隔离开关电压vd c 开关电流a延时4s 总数组数输出与p c c正常最小最大每路 模块正常最大 4 1 有 2 41 83 0 最大0 10 422 4 模块具有8 个连接端子，端子排列和使用见表2 2 表2 2d 1 1 3 5 端了说明表 端子号端子标记 说明 l o u t p u t 输出端口 2g n d 公用端口 3s h i e l d 屏蔽层 4 t n p u o l输入端口1 5 i n d u t 2 输入端口2 6 s h l e l d 屏蔽层 7 i n d t j t 3 输入端口3 8 1 n p u l 4输入端口4 9 s h i e l d 屏蔽层 1 0 + 2 4 v ( d c ) 2 4 v 电源 1 1 + 2 4 v ( d c ) 2 4 v 电源 1 2 + 2 4 v ( o c ) 2 4 v 电源 第二章n f 编程计算机丰卒制器的简介 ! o ： + _ t i 一：一：j t e m 1 2 f 当l ) ：。k 比较器输出 一毪k 峨k 。 妞 吐k - j i ，f f - k 瓢k、jt ii e n r 罔2 4d 1 1 3 5 输入原理图 2 ) 模拟量输入模块a i3 5 4 。1 “_ ” 【t p u 迥道o i p i 通】酋i j p u 通道2 t p u 通道3 a 1 3 5 4 是一个具有4 个模拟量输入通道的旋入式模块。在2 5 。c 时测量误差不 超过2 5 m v 。 ( 1 ) 技术参数如表23 所不： 表2 3a 1 3 5 4 技术参数表 输入个数输入信号电气隔离 转换精度 4一l o v l l o v 输入与p c c 输入与输入1 2 位 ( 2 ) 输入电路原理图如图25 。 3 ) 模拟量输出模块a 0 3 5 2 “6 ” a 0 3 5 2 是。个具有2 个模拟量输出通道的旋入式模块。在2 5 。c 时输出精度对 对电脎为5 1 5m v 0 ，8 ，电流为5 1 6m4 - 2 4 。 “砉= 】： ；h = 耄_ ( 2 4 i ， 喘器 理 处地奉 崎 辑聘篷鞋 ， 一 一“ 河海人学坝十学位沦史 水轮机调速器的控制软件存p c c 卜的实现 ( i ) 输出电路原理酬如图26 。 ( 2 ) 技术参数如表2 4 所示： 表2 - - 4a 0 3 5 2 技术参数表 l 输出个数输出信号电气隔离 i 2 1 0 v t l o v 输出与p c c 输出与输出 或o 2 0 m a ( 3 ) 町以选择电压或电流作为输出。选择开关位于模块的后部。把开关拨到 自已希渗输：j l 的信号j ：而，i 一电流输出，u 一电压输出。 图2 - 5a 1 3 5 4 原理网 图2 - 6a 0 3 5 2 原理图 端口 第一章 可编程计算机控制器的简介 2 3p o g 的软件介绍 2 3 1 分时多任务操作系统瞳4 ” 分时多任务操作系统来自大型训算机，它呵以将整个操作界面分成数个具自 吖：m 优先权的任务等级( t a s kc l a s s ) ，0 i | - j 的任务等级具有不同循环扫描周期， 并 i 该循环时问可以由用户定义，一般情况下优先权高的任务等级应没定较短的 循王 、时间。在每个任务等级中可包括多个具体任务，针对不同任务的重要程度， 以及对时间的要求，可有选择的将不同任务放入不同的任务等级当中。在多种任 务等级的执行过程当中，其中优先权高的任务等级先被执行，剩余的时间早执行 优先权较低的任务等级。这样可以很好地实现多种任务的并行运行。 b & rp c c 系统的分时多任务操作系统( p c c s w ) 由操作系统内核和p c c 的专用软 件包组成。 1 操作系统内核：本操作系统内核是个具有多任务处理能力的标准操作 系统，它能完成应用程序管理和多任务问的处理等最基本的功能。 2 p c c 专用软件包：使用p c c 的专用软件包，在控制技术中便可运用具有多 任务处理能力的操作系统。p c c 常用专用软件包的组成如下： 系统管理器：系统管理器根据操作系统时钟每t o m s 执行一次。 标准任务层：标准任务层的任务e b 系统管理器来协调运行。 高速任务层：高速任务层的任务由硬件定时器来激发。 通信软件：通信软件由系统管理器或通信中断激发。 功能库：功能库可以被系统或应用程序调用。 系统任务：系统任务由系统或应用程序设置。它是固件扩展，必须由用 户自己卜载到p c c 中。 中断任务例外处理任务。 为了使各个p c c 任务具有不同的优先级，用户可以将任务设置在不问的任务 级别中。用户也可以给每个任务等级设置不同的循环时间。在设置的循环时间内， 相应的任务被执行一次。为了避免因过多的任务放在同个任务层中所引起的系 统过载，应将各任务放在相应的任务层中，并上上为各任务层设置恰当的循环时间。 用户可以使用两种不同的任务层：高速任务层( h s ) 和标准任务层( t c ) 。高速任务 河诲夫学颀。l 学位论文水轮机调速器的控制软件托p c cj 二的实现 屡的任务是由硬件定时器来激发，而标准仟务层的任务由系统管理器( 操作系统) 柬触发。 1 高速任务层( t 【m e t 、t l s ) 高速任务层由各自的硬件定时器( 中断) 来触发。它只能被优先级更高的中断 ( 例如更高优先级别的t i m e r 任务层或来自i 0 模块的中断) 中止它的执行过程。 用，。同样可以通过a s 编程系统设置高速任务层的循环时| r j 。循环时间j 以从lm s 到2 0 0i l l s ( 以0 5 m s 为步长) 。f j r2 0 0 5 的c p u 和b & r2 0 0 3 的c p u 模块只提供 个高速任务层，b & r2 0 1 0 的c p u 模块提供4 个高速任务层。备高速任务层的 循环时间缺省值如表2 5 所小。 表2 5 高速任务层的循环时删缺省值表 任务层缩写循环时问( 缺省值) 脚处理器 i 向】墨仕务层l 1 1 i m er _ # 13 0 0 08 & r2 0 1 0 2 0 0 5 ，2 0 0 3 l 尚理仕务层2t i m e t # 2 5 0 0 0 l 尚愿仕务层3 1 、i m e ri t 37 0 0 0 b & r2 0 l o 高速任务层4 t i m e tt t 49 0 0 0 2 标准任务层( t c ) ： b & r 2 0 0 0 系统的c p u 模块提供了四个任务层。标准任务层的优先级低于t i m e r 层的优先级。用户可以通过a l j t o m a t i o f is t u d i o 编程系统设置这些任务等级的循 蚪时问。循环时间可以从l o m s 到5 0 0 0 m s ( 以i o m s 为步长) 。各标准侄务层的循 环时目j 缺省值如表2 6 所示： 表2 6 标准仟务层的循环时间缺省值表 一 f f 务层缩写循环时| 1 e l j ( 缺省值) i l l s处理器 标准任务层lc y c ii ( # l 1 0 b & r2 ( ) l o 标准任务层2c y c lic t t 25 0 b & r2 0 0 5 标准任务层3c y c l ic t t 3t 0 0 【姬r2 0 0 3 丰，j i 准仟务层4c y c l i c # 41 0 3 任务优先级： 为r 让各任务能合理地共享处理器功能，用户必须设定任务的优先级。任务 层的优先级不决定于任务层的循环时间，而是按t o r t 4 、t c # 3 、t c # 2 、t c # t l 、h s # 1 、 t l s # 2 、h s # 3 、h s # 4 由低到高= | 列。 6 第二章可编程计算机控制器的简介 所示。 卜面以个例子来说明：现有四个任务，各任务等级和运行日、j 问如表2 7 表2 7 各标准任务层的循环时间表 任务任务等级任务循环时间( m s )运行时间( m s ) l c y c l i c # 1 1 0l 2 c y c l i c # 2 5 01 5 3c y c l i c # 3 1 0 02 0 4 c y c l i c # 4 1 02 各任务的具体运行情况如图2 7 所，下 o ! o 掣3 0 4 0 j 。6 0 一! o 8 ，0 ，9 0 。l o o 1 1 0 ! ：l 1 3 0 吼- l 刚l l c v c l1 【、# 2 c y c l - c # 3 ：壶j 口 目自目目嚣目舅自 il m s 任务i1 5 m s 任务 圈2 0 m s 任务目2 m s 任务 图2 7 各任务循环运行图 2 3 2 提供高级的编程语言口2 1 口j 州m 8 p c c 在软件 ：的另个特点是为用户提供了多种编程语盍。其中既有商向 一股技术人员的梯形图( l a d ) ，结构文本( st ) ，指令表( i l ) ，顺序功能图， s f c 等编程语言，又有b & r a u t o m a t i o nb a s i c 和标准c 语言两种高级语占。使 得更加复杂的任务在编程语言上得以实现。用j 、呵以根据任务的需要和自己编程 习惯选择适合的编程语者