微機(jī)調(diào)速器由微機(jī)調(diào)節(jié)器及電液隨動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。微機(jī)調(diào)節(jié)器以高可靠性的控制器為核心,采集頻率信號(hào)及控制信號(hào),用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)算及控制功能,并以一定方式輸出控制結(jié)果作為電液隨動(dòng)系統(tǒng)的輸入。微機(jī)調(diào)速器具有可靠性高、外圍電路少、編程方便、功能擴(kuò)展性好等特點(diǎn)[1] 。

2 　微機(jī)調(diào)節(jié)器中控制器的選擇
         從圖1 可見,微機(jī)調(diào)節(jié)器的核心在于控制器,控制器完成調(diào)速器的信號(hào)采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算、控制規(guī)律實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行狀態(tài)切換、其他附加功能及控制值輸出等功能。調(diào)速器的功能基本由控制器實(shí)現(xiàn),電液隨動(dòng)系統(tǒng)主要是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此,在設(shè)計(jì)調(diào)速器微機(jī)調(diào)節(jié)器時(shí),選擇合適的控制器很重要。目前市場(chǎng)上的控制器種類很多,如單片機(jī)、單板機(jī)、PLC、PCC、IPC等,但由于調(diào)速器是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備,對(duì)可靠性要求很高。因此,選擇微機(jī)調(diào)節(jié)器的控制器的一條重要原則是,要選用適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、選擇余地大、操作維護(hù)方便的控制器。目前滿足此原則的主要是PLC , PCC ,IPC 等幾類控制器,此外,還應(yīng)從以下幾方面考慮。
2. 1 　控制器的速度
        所謂控制器的速度, 包含2 層含義: 控制器CPU 的位數(shù)和控制器中用戶程序的掃描周期。
        控制器CPU 的位數(shù)反映到調(diào)速器中主要體現(xiàn)在控制精度上,按國(guó)標(biāo)要求調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)小于0.02 % ,而在用最大差值法計(jì)算轉(zhuǎn)速死區(qū)時(shí),最大相對(duì)差值還要乘以bp；假設(shè)bp = 10 % ,則要求最大相對(duì)差值小于0. 1 %。以16 位機(jī)的控制器為例,假設(shè)整數(shù)運(yùn)算中,以整數(shù)25000 表示開度為100 % ,那么,開度分辨率為0.004 % ,其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.1 % ,可見,16 位機(jī)足以滿足要求。況且,即使是16 位機(jī),由于雙字算法的存在,也能實(shí)現(xiàn)32 位運(yùn)算,從這個(gè)意義上說,即使是8 位機(jī)應(yīng)用于調(diào)速器也是滿足要求的,因?yàn)? 位機(jī)中也有字節(jié)運(yùn)算、字運(yùn)算及雙字運(yùn)算。因此,32 位機(jī)、16 位機(jī)甚至8 位機(jī)均可應(yīng)用于調(diào)速器并滿足性能要求。

關(guān)于控制器中用戶程序的掃描周期,從以下幾個(gè)方面考慮:
         a. 頻率信號(hào)采樣周期。從調(diào)速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(見圖2) 可見,機(jī)組頻率信號(hào)是調(diào)速器系統(tǒng)的輸入；調(diào)速器根據(jù)采集到的頻率信號(hào),算出頻差,針對(duì)頻差進(jìn)行PID 運(yùn)算,運(yùn)算的結(jié)果即調(diào)節(jié)器的輸出；調(diào)節(jié)器的輸出再以一定的方式控制機(jī)械液壓系統(tǒng),機(jī)械液壓系統(tǒng)再去操作導(dǎo)水葉,控制其開度。因此,調(diào)節(jié)器的輸出是與頻率的變化密切相關(guān)的。目前,調(diào)速器普遍采用的測(cè)頻方法是測(cè)周期法[2] ,當(dāng)被測(cè)頻率為50Hz 時(shí),最小采樣周期為20ms ,即被測(cè)頻率信號(hào)的更新周期為20ms。由于頻率的采樣周期為20ms 左右,用戶程序的掃描周期一般應(yīng)比頻率信號(hào)采樣周期小,但小到一定程度后意義就不大了。

          b. 水輪發(fā)電機(jī)組和電液轉(zhuǎn)換器(或電/ 機(jī)轉(zhuǎn)換裝置) 的截止頻率。水輪發(fā)電機(jī)組的截止頻率一般為0.1 Hz～1.0 Hz ,調(diào)速器中電液轉(zhuǎn)換器的截止頻率一般為3Hz～10Hz[1] 。根據(jù)控制理論的香農(nóng)采樣定理,“要從采樣信號(hào)中完全復(fù)現(xiàn)出采樣前的連續(xù)信號(hào),必須滿足采樣頻率大于或等于2 倍的采樣器輸入連續(xù)信號(hào)頻譜中的最高頻率”,將此定理應(yīng)用于調(diào)速器系統(tǒng),若采用2 倍于水輪發(fā)電機(jī)組和電液轉(zhuǎn)換器截止頻率的采樣頻率,即6 Hz～20 Hz ,就能滿足香農(nóng)采樣定理,此時(shí)調(diào)節(jié)器采樣周期為167 ms～50 ms。
          c. 調(diào)速器不動(dòng)時(shí)間。國(guó)標(biāo)要求調(diào)速器的不動(dòng)時(shí)間小于0.2 s。在調(diào)速器系統(tǒng)中,不動(dòng)時(shí)間主要由3 部分組成:2 倍的調(diào)節(jié)器用戶程序掃描周期(在最差的情況下) ,導(dǎo)葉位置輸出D/ A 轉(zhuǎn)換時(shí)間,調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)主配壓閥搭迭量、死區(qū)等。按照這種構(gòu)成,程序掃描周期部分小于整個(gè)不動(dòng)時(shí)間的1/ 4是可行的,經(jīng)計(jì)算,不動(dòng)時(shí)間的指標(biāo)要求程序掃描周期小于25ms。
綜上所述,控制器用戶程序掃描周期以5ms～15ms 為宜。

2. 2 　I/ O 及存儲(chǔ)容量
         對(duì)應(yīng)用于調(diào)速器系統(tǒng)的控制器而言,由于調(diào)速器基本功能固定,用戶程序功能單一集中,并且水輪機(jī)調(diào)速器程序已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,對(duì)于不同電站不同類型的調(diào)速器其程序的更改一般為10 %左右。到目前為止,我們?cè)谒啓C(jī)數(shù)字式電液調(diào)速器中使用過的控制器有不同國(guó)家、不同公司、不同系列的多達(dá)8 種PLC 產(chǎn)品。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)數(shù)字量的I/ O 點(diǎn)數(shù)、模擬量的I/ O 點(diǎn)數(shù)、程序存儲(chǔ)容量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表1 所示(表中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)已留有充分的裕量) 。

2. 3 　編程語(yǔ)言
           目前市場(chǎng)上比較通用的控制器,其編程語(yǔ)言不外乎C、BASIC 等高級(jí)語(yǔ)言,以及梯形圖、功能塊、語(yǔ)句表等幾種語(yǔ)言。一般認(rèn)為,高級(jí)語(yǔ)言功能強(qiáng)大,編程靈活,能實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法,但高級(jí)語(yǔ)言編制起來較復(fù)雜,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的工程技術(shù)人員來說,掌握起來有一定難度,不利于維護(hù)。因此在調(diào)速器領(lǐng)域,大概有80 %～90 %的編程使用的是梯形圖語(yǔ)言。
           梯形圖語(yǔ)言最初主要用于PLC ,其后隨著電子技術(shù)的發(fā)展, IPC、PCC 等均有梯形圖語(yǔ)言可供選擇。而梯形圖語(yǔ)言本身也已經(jīng)不再僅僅是邏輯順序控制,隨著PLC 的發(fā)展,梯形圖語(yǔ)言也有了邏輯運(yùn)算、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、比較運(yùn)算,高速計(jì)數(shù)功能、PID 運(yùn)算功能塊、PWM 運(yùn)算、變量尋址、指針運(yùn)算等。梯形圖語(yǔ)言簡(jiǎn)單明了,邏輯清晰,容易掌握,調(diào)試方便,而且功能強(qiáng)大,現(xiàn)在,有些PLC 的梯形圖編程系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了程序結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化,一些功能已由PLC操作系統(tǒng)集成為功能塊,只需在梯形圖程序中調(diào)用,如PID 控制功能塊。而對(duì)調(diào)速器而言,由于其程序已經(jīng)基本標(biāo)準(zhǔn)化,應(yīng)用于某一具體用戶的調(diào)速器程序基本是由90%的基本程序加10 %的用戶特定程序構(gòu)成,可見,對(duì)每個(gè)調(diào)速器的程序工作量相對(duì)而言并不大。例如,用梯形圖語(yǔ)言編制某調(diào)速器的用戶特定程序,一個(gè)較熟練的技術(shù)人員大概只需5h～8h 即可完成。因此,從應(yīng)用角度講,高級(jí)語(yǔ)言、梯形圖語(yǔ)言、功能塊語(yǔ)言、語(yǔ)句表語(yǔ)言均能較好地實(shí)現(xiàn)調(diào)速器的功能,但從實(shí)用角度講,梯形圖語(yǔ)言更利于用戶技術(shù)人員閱讀調(diào)速器程序,從而有利于設(shè)備維護(hù)。
2. 4 　接口特性
           在調(diào)速器系統(tǒng)中,其微機(jī)調(diào)節(jié)器的控制器的基本配置包括CPU 模塊、開關(guān)量輸入/ 輸出模塊(也有的開關(guān)量輸入/ 輸出就集成在CPU 模塊上) 、模擬量輸入/ 輸出模塊。除此之外,在有些調(diào)速器系統(tǒng)中還可能用到定位模塊(高速脈沖輸出模塊) 、高速計(jì)數(shù)模塊、通信模塊(根據(jù)通信對(duì)象的不同,有可能要求串行的RS-232 ,RS-422 或RS-485 口,以及以太網(wǎng)通信處理器、PROFIBUS 通信處理器等) 、中斷模塊、觸摸式圖形操作終端等。因此,選擇控制器時(shí)應(yīng)在弄清楚調(diào)速器系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)上仔細(xì)考慮其可選擴(kuò)展模塊是否能滿足調(diào)速器系統(tǒng)的要求。例如,目前有的調(diào)速器采用交流伺服電機(jī)位置環(huán)實(shí)現(xiàn)電/ 機(jī)轉(zhuǎn)換,則需要考慮所選控制器是否有合適的高速脈沖輸出模塊(就是常說的定位模塊) 可供選擇;又如,弄清楚調(diào)速器與監(jiān)控系統(tǒng)等的通信接口后,則需要配置相應(yīng)的通信模塊。
          在調(diào)速器中,測(cè)頻環(huán)節(jié)極其重要,在確定測(cè)頻方式時(shí),要考慮是否有相應(yīng)的接口模塊可供選擇。目前在調(diào)速器中,測(cè)頻的實(shí)現(xiàn)主要有2 類: ①用單片機(jī)測(cè)出頻率再送至控制器,若是采用并行方式發(fā)送頻率,就要考慮控制器中被占用的I/ O 點(diǎn)數(shù);若是用串行方式發(fā)送頻率,則要考慮串行通信口的擴(kuò)展。②PLC 內(nèi)測(cè)頻,包括2 種方式:一種是采用擴(kuò)展的高速計(jì)數(shù)模塊,此時(shí)要考慮高速計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)頻率是否滿足測(cè)頻精度的要求;另一種是不采用擴(kuò)展的高速計(jì)數(shù)模塊,而利用控制器內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)功能及中斷功能,采用靜態(tài)頻率及動(dòng)態(tài)頻率的概念[3]將速動(dòng)性與高精度較好地結(jié)合在一起,此時(shí)要考慮的是控制器CPU 的高速計(jì)數(shù)功能的計(jì)數(shù)頻率。
2. 5 　控制器選擇空間
          水輪機(jī)調(diào)速器是水電站中非常重要的輔機(jī)設(shè)備,它<