水轮机调速器PCC测频装置的研究

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1、水轮机调速器PCC测频装置的研究南海鹏，王德意，王涛（西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048）摘要:本文提出了一种用于水轮机调速器的可编程计算机控制器PCC型测频装置，与可编程逻辑控制器测频装置相比，具有更高的测量精度和响应速度；与传统的单片机测频装置相比，硬件电路大大简化，且极大地提高了测频装置的可靠性关键词:水轮机；调速器；频率测量；可编程计算机控制器中图分类号：TV734.4文献标识码：B文章编号：1000-0860(2001)07-0015-031.引言目前，水轮机调速器测频环节一般均采用单片机实现，其硬件为自制件，且各厂家均为小批量生产，故元件检测、筛选、老化处理、焊

2、接及生产工艺等都受到限制，造成测频装置可靠性较低，甚至运行中还可能出现单片机死机，使测频装置失灵，从而使调速器整机的可靠性大大降低，严重影响调速器的安全可靠运行.专利CN1209551A中提出一种采用可编程逻辑控制器PLC为硬件的测频装置，虽然提高了测频装置的可靠性，但其以周期为0.1ms的脉冲作为计数器的计数脉冲，且测量当前频率信号周期前连续50个周期的平均频率，因此当信号频率发生阶跃变化时，经过1s的过渡过程才能准确反映被测信号的频率，而过渡过程内存在较大误差(综上所述，单片机测频装置可靠性较低，而PLC测频装置虽然提高了可靠性，但频率信号动态变化时测频精度低且阶跃响应时间常数大，

3、严重影响了水轮机调节系统的动态品质，甚至当电网频率变化时造成调速器反应迟钝.本文提出一种基于可编程计算机控制器（PCC）的水轮机调速器测频装置，克服了上述影响调速器安全可靠运行和影响水轮机调节品质的缺点与不足.2.PCC测频原理及系统组成PCC测频装置系统结构如图1所示.CPU模块CP474内部具有时间处理单元TPU，该处理单元利用其内部4MHz的计数时钟测量输入脉冲的频率，而DI135的作用就是将整形后的机组或电网频率信号传至TPU.PCC测频的基本思路是：先将机组或电网频率信号整形为同频率的方波信号，该方波信号经DI135送入CP474的YPC输入通道，TPU读取方波信号两相邻上升

4、沿之间的计数值N，则所测频率为式中，fe为PCC内部计数器的计数频率.2.1PCC基本单元本测频装置采用奥地利B&R公司可编程计算机控制器2003系列的CP474模块作为基本单元，它选用32位MotorolaM68300微处理器作为其CPU.该微处理器具有一个时间处理单元（TPU)，主要用于外部处理事件计数、门电平时间测量、频率测量、脉宽调制等与时间有关的任务（timingtasks），减少CPU模块为处理这些任务调用中断服务程序所占用的时间.时间处理单元的结构如图2所示.TPU由处理器、中断寄存器、接口寄存器（RAM）、定时器（TCR1与TCR2）及输入输出通道等组成.TPU由接口寄

5、存器组通过1MB的内部总线与CPU通讯，接口寄存器组包括系统配置寄存器、系统保留与测试寄存器、通道控制寄存器及通道参数寄存器，它们分别用于系统配置、系统保留与测试、通道切换控制及通道参数传递.当有外部事件发生时，首先由输入输出通道向中断寄存器发出请求信号，再中断寄存器通知处理器并进行相应处理.定时器TCR1及TCR2的分频系数确定TPU的时钟频率，对CP474来说，分频系数为8，而TPC的时钟频率为4MHz.图1PCC测频系统结构示意图2TPU结构示意2.2数字量输入模块数字量输入模块的作用就是把频率整形电路输出的与被测信号同频率的方波信号送入TPU的输入输出通道.本装置选用DI135

6、模块，该模块具有4路高速数字量输入，且采用光电隔离，其输入过滤器滞后为3us.DI135本身还能进行故障诊断，并通过主机将故障类型读出，这些故障包括24V电源掉电、硬件错误、反向及短路保护等.2.3整形电路频率整形电路如图3所示.经隔离变压器隔离的频率信号送入T型滤波器（R1、R2、C1）滤波，再经嵌位二极管电路（D1、D2）限幅，然后经RC(R3、C2）再次滤波送入滞环比较器U1，其输出的与所测信号同频率的方波信号再送至数字量输入模块DI135.为保证可靠性，整形电路的元件全部选用军品级材料.图3频率整形电路原理3.PCC测频装置软件设计3.1PCC多任务分时操作系统PCC将整个操作

7、界面分成数个具有不同优先权的任务等级（taskclass），其中优先权高的任务等级有着较短的巡回扫描周期，而且每个任务等级可包括多个具体任务，在这些任务中间可再细分其优先权的高低.在这种操作系统的管理下，任务总是按其优先权等级的高低依次执行.这样，可以将比较重要的任务所定义的任务等级高一些，如调节任务，中断任务（由硬件产生的中断触发）；而将一些较一般的任务所定义的任务等级低一些，如人机接口任务等.这样整个控制系统便得到优化，具有更好的实时性.B