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

2 　微機調(diào)節(jié)器中控制器的選擇
         從圖1 可見,微機調(diào)節(jié)器的核心在于控制器,控制器完成調(diào)速器的信號采集、數(shù)據(jù)運算、控制規(guī)律實現(xiàn)、運行狀態(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現(xiàn),電液隨動系統(tǒng)主要是執(zhí)行機構(gòu)。因此,在設計調(diào)速器微機調(diào)節(jié)器時,選擇合適的控制器很重要。目前市場上的控制器種類很多,如單片機、單板機、PLC、PCC、IPC等,但由于調(diào)速器是應用于工業(yè)現(xiàn)場的設備,對可靠性要求很高。因此,選擇微機調(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)場使用的抗干擾能力強、可靠性高、選擇余地大、操作維護方便的控制器。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,按國標要求調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)小于0.02 % ,而在用最大差值法計算轉(zhuǎn)速死區(qū)時,最大相對差值還要乘以bp；假設bp = 10 % ,則要求最大相對差值小于0. 1 %。以16 位機的控制器為例,假設整數(shù)運算中,以整數(shù)25000 表示開度為100 % ,那么,開度分辨率為0.004 % ,其值遠遠小于0.1 % ,可見,16 位機足以滿足要求。況且,即使是16 位機,由于雙字算法的存在,也能實現(xiàn)32 位運算,從這個意義上說,即使是8 位機應用于調(diào)速器也是滿足要求的,因為8 位機中也有字節(jié)運算、字運算及雙字運算。因此,32 位機、16 位機甚至8 位機均可應用于調(diào)速器并滿足性能要求。

關于控制器中用戶程序的掃描周期,從以下幾個方面考慮:
         a. 頻率信號采樣周期。從調(diào)速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(見圖2) 可見,機組頻率信號是調(diào)速器系統(tǒng)的輸入；調(diào)速器根據(jù)采集到的頻率信號,算出頻差,針對頻差進行PID 運算,運算的結(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械液壓系統(tǒng),機械液壓系統(tǒng)再去操作導水葉,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的。目前,調(diào)速器普遍采用的測頻方法是測周期法[2] ,當被測頻率為50Hz 時,最小采樣周期為20ms ,即被測頻率信號的更新周期為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比頻率信號采樣周期小,但小到一定程度后意義就不大了。

          b. 水輪發(fā)電機組和電液轉(zhuǎn)換器(或電/ 機轉(zhuǎn)換裝置) 的截止頻率。水輪發(fā)電機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,“要從采樣信號中完全復現(xiàn)出采樣前的連續(xù)信號,必須滿足采樣頻率大于或等于2 倍的采樣器輸入連續(xù)信號頻譜中的最高頻率”,將此定理應用于調(diào)速器系統(tǒng),若采用2 倍于水輪發(fā)電機組和電液轉(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,此時調(diào)節(jié)器采樣周期為167 ms～50 ms。
          c. 調(diào)速器不動時間。國標要求調(diào)速器的不動時間小于0.2 s。在調(diào)速器系統(tǒng)中,不動時間主要由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) ,導葉位置輸出D/ A 轉(zhuǎn)換時間,調(diào)速器機械液壓系統(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不動時間的1/ 4是可行的,經(jīng)計算,不動時間的指標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 及存儲容量
         對應用于調(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,并且水輪機調(diào)速器程序已經(jīng)基本實現(xiàn)標準化,對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,我們在水輪機數(shù)字式電液調(diào)速器中使用過的控制器有不同國家、不同公司、不同系列的多達8 種PLC 產(chǎn)品。根據(jù)經(jīng)驗,對數(shù)字量的I/ O 點數(shù)、模擬量的I/ O 點數(shù)、程序存儲容量、數(shù)據(jù)存儲容量進行統(tǒng)計,如表1 所示(表中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)已留有充分的裕量) 。

2. 3 　編程語言
           目前市場上比較通用的控制器,其編程語言不外乎C、BASIC 等高級語言,以及梯形圖、功能塊、語句表等幾種語言。一般認為,高級語言功能強大,編程靈活,能實現(xiàn)較復雜的算法,但高級語言編制起來較復雜,對現(xiàn)場的工程技術人員來說,掌握起來有一定難度,不利于維護。因此在調(diào)速器領域,大概有80 %～90 %的編程使用的是梯形圖語言。
           梯形圖語言最初主要用于PLC ,其后隨著電子技術的發(fā)展, IPC、PCC 等均有梯形圖語言可供選擇。而梯形圖語言本身也已經(jīng)不再僅僅是邏輯順序控制,隨著PLC 的發(fā)展,梯形圖語言也有了邏輯運算、浮點數(shù)運算、比較運算,高速計數(shù)功能、PID 運算功能塊、PWM 運算、變量尋址、指針運算等。梯形圖語言簡單明了,邏輯清晰,容易掌握,調(diào)試方便,而且功能強大,現(xiàn)在,有些PLC 的梯形圖編程系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了程序結(jié)構(gòu)化、標準化,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。而對調(diào)速器而言,由于其程序已經(jīng)基本標準化,應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,對每個調(diào)速器的程序工作量相對而言并不大。例如,用梯形圖語言編制某調(diào)速器的用戶特定程序,一個較熟練的技術人員大概只需5h～8h 即可完成。因此,從應用角度講,高級語言、梯形圖語言、功能塊語言、語句表語言均能較好地實現(xiàn)調(diào)速器的功能,但從實用角度講,梯形圖語言更利于用戶技術人員閱讀調(diào)速器程序,從而有利于設備維護。
2. 4 　接口特性
           在調(diào)速器系統(tǒng)中,其微機調(diào)節(jié)器的控制器的基本配置包括CPU 模塊、開關量輸入/ 輸出模塊(也有的開關量輸入/ 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) 、高速計數(shù)模塊、通信模塊(根據(jù)通信對象的不同,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,選擇控制器時應在弄清楚調(diào)速器系統(tǒng)構(gòu)成的基礎上仔細考慮其可選擴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位置環(huán)實現(xiàn)電/ 機轉(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,則需要配置相應的通信模塊。
          在調(diào)速器中,測頻環(huán)節(jié)極其重要,在確定測頻方式時,要考慮是否有相應的接口模塊可供選擇。目前在調(diào)速器中,測頻的實現(xiàn)主要有2 類: ①用單片機測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展。②PLC 內(nèi)測頻,包括2 種方式:一種是采用擴展的高速計數(shù)模塊,此時要考慮高速計數(shù)模塊的計數(shù)頻率是否滿足測頻精度的要求;另一種是不采用擴展的高速計數(shù)模塊,而利用控制器內(nèi)部的高速計數(shù)功能及中斷功能,采用靜態(tài)頻率及動態(tài)頻率的概念[3]將速動性與高精度較好地結(jié)合在一起,此時要考慮的是控制器CPU 的高速計數(shù)功能的計數(shù)頻率。
2. 5 　控制器選擇空間
          水輪機調(diào)速器是水電站中非常重要的輔機設備,它<