1. 引言
目前，水輪機(jī)調(diào)速器測頻環(huán)節(jié)一般均采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，其硬件為自制件，且各廠家均為小批量生產(chǎn)，故元件檢測、篩選、老化處理、焊接及生產(chǎn)工藝等都受到限制，造成測頻裝置可靠性較低，甚至運(yùn)行中還可能出現(xiàn)單片機(jī)死機(jī)，使測頻裝置失靈，從而使調(diào)速器整機(jī)的可靠性大大降低，嚴(yán)重影響調(diào)速器的安全可靠運(yùn)行.專利CN1209551A中提出一種采用可編程邏輯控制器PLC為硬件的測頻裝置，雖然提高了測頻裝置的可靠性，但其以周期為0.1ms的脈沖作為計數(shù)器的計數(shù)脈沖，且測量當(dāng)前頻率信號周期前連續(xù)50個周期的平均頻率，因此當(dāng)信號頻率發(fā)生階躍變化時，經(jīng)過1s的過渡過程才能準(zhǔn)確反映被測信號的頻率，而過渡過程內(nèi)存在較大誤差( 綜上所述，單片機(jī)測頻裝置可靠性較低，而PLC 測頻裝置雖然提高了可靠性，但頻率信號動態(tài)變化時測頻精度低且階躍響應(yīng)時間常數(shù)大，嚴(yán)重影響了水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，甚至當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時造成調(diào)速器反應(yīng)遲鈍.
本文提出一種基于可編程計算機(jī)控制器（PCC）的水輪機(jī)調(diào)速器測頻裝置，克服了上述影響調(diào)速器安全可靠運(yùn)行和影響水輪機(jī)調(diào)節(jié)品質(zhì)的缺點(diǎn)與不足.
2.PCC測頻原理及系統(tǒng)組成
PCC測頻裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.CPU模塊CP474內(nèi)部具有時間處理單元TPU，該處理單元利用其內(nèi)部4MHz的計數(shù)時鐘測量輸入脈沖的頻率，而DI135 的作用就是將整形后的機(jī)組或電網(wǎng)頻率信號傳至TPU.PCC測頻的基本思路是：先將機(jī)組或電網(wǎng)頻率信號整形為同頻率的方波信號， 該方波信號經(jīng)DI135 送入CP474的YPC輸入通道，TPU讀取方波信號兩相鄰上升沿之間的計數(shù)值N，則所測頻率為式中，fe為PCC 內(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)頻率.
2.1 PCC 基本單元
本測頻裝置采用奧地利B&R 公司可編程計算機(jī)控制器2003系列的CP474模塊作為基本單元，它選用32位Motorola M68300微處理器作為其CPU.該微處理器具有一個時間處理單元（TPU)，主要用于外部處理事件計數(shù)、門電平時間測量、頻率測量、脈寬調(diào)制等與時間有關(guān)的任務(wù)（timing tasks），減少CPU模塊為處理這些任務(wù)調(diào)用中斷服務(wù)程序所占用的時間.時間處理單元的結(jié)構(gòu)如圖2 所示.TPU由處理器、中斷寄存器、接口寄存器（RAM）、定時器（TCR1與TCR2）及輸入輸出通道等組成.TPU由接口寄存器組通過1MB的內(nèi)部總線與CPU通訊，接口寄存器組包括系統(tǒng)配置寄存器、系統(tǒng)保留與測試寄存器、通道控制寄存器及通道參數(shù)寄存器，它們分別用于系統(tǒng)配置、系統(tǒng)保留與測試、通道切換控制及通道參數(shù)傳遞.當(dāng)有外部事件發(fā)生時，首先由輸入輸出通道向中斷寄存器發(fā)出請求信號，再中斷寄存器通知處理器并進(jìn)行相應(yīng)處理.定時器TCR1 及TCR2的分頻系數(shù)確定TPU的時鐘頻率，對CP474來說，分頻系數(shù)為8，而TPC 的時鐘頻率為4MHz.
2.2 數(shù)字量輸入模塊
數(shù)字量輸入模塊的作用就是把頻率整形電路輸出的與被測信號同頻率的方波信號送入TPU 的輸入輸出通道.本裝置選用DI135模塊，該模塊具有4路高速數(shù)字量輸入，且采用光電隔離，其輸入過濾器滯后為3us.DI135本身還能進(jìn)行故障診斷，并通過主機(jī)將故障類型讀出，這些故障包括24V電源掉電、硬件錯誤、反向及短路保護(hù)等.
2.3 整形電路
頻率整形電路如圖3所示.經(jīng)隔離變壓器隔離的頻率信號送入T型濾波器（R1、R2、C1）濾波，再經(jīng)嵌位二極管電路（D1、D2）限幅，然后經(jīng)RC(R3、C2）再次濾波送入滯環(huán)比較器U1，其輸出的與所測信號同頻率的方波信號再送至數(shù)字量輸入模塊DI135.為保證可靠性，整形電路的元件全部選用軍品級材料.
圖3 頻率整形電路原理
3.PCC測頻裝置軟件設(shè)計
3.1 PCC多任務(wù)分時操作系統(tǒng)
PCC將整個操作界面分成數(shù)個具有不同優(yōu)先權(quán)的任務(wù)等級（task class），其中優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)等級有著較短的巡回掃描周期，而且每個任務(wù)等級可包括多個具體任務(wù)，在這些任務(wù)中間可再細(xì)分其優(yōu)先權(quán)的高低.在這種操作系統(tǒng)的管理下， 任務(wù)總是按其優(yōu)先權(quán)等級的高低依次執(zhí)行.這樣，可以將比較重要的任務(wù)所定義的任務(wù)等級高一些， 如調(diào)節(jié)任務(wù)，中斷任務(wù)（由硬件產(chǎn)生的中斷觸發(fā)）；而將一些較一般的任務(wù)所定義的任務(wù)等級低一些，如人機(jī)接口任務(wù)等. 這樣整個控制系統(tǒng)便得到優(yōu)化，具有更好的實(shí)時性.
B&R2003系列可編程計算機(jī)控制器為用戶提供兩種不同的任務(wù)層：標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)層和高速任務(wù)層.
標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)層的任務(wù)切換由系統(tǒng)管理器來完成，2003 系統(tǒng)的CPU 模塊提供了4個任務(wù)層，按其優(yōu)先級依次為TC#1、TC#2、TC#3及TC#4.用戶可通過編程系統(tǒng)設(shè)置這些任務(wù)等級的循環(huán)時間（掃描周期），循環(huán)時間可以從10ms 到500ms（以10m為步長）.
高速任務(wù)層是由硬件定時器來觸發(fā)，2003系統(tǒng)的CPU模塊僅有1 個任務(wù)層（HS#1）.高速任務(wù)層的優(yōu)先級系統(tǒng)管理器和標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)層，可以在一個確切的時刻中斷其他任務(wù). 用戶同樣可通過編程系統(tǒng)設(shè)置該任務(wù)等級的循環(huán)時間，循環(huán)時間可以從1ms到20ms（以0.5ms為步長）.
3.2 PCC 測頻軟件
測頻軟件分為TPU功能模塊和測頻程序兩部分.TPU功能模塊. TPU功能模塊包含TPU操作系統(tǒng)、TPU 配置、完成特定功能的TPU程序模塊等，應(yīng)用程序通過它與TPU通訊傳遞參數(shù)和數(shù)據(jù). 該功能模塊由B&R 公司專門研制的TPU編碼連接器產(chǎn)生，并在CPU熱啟動時將自己傳入TPU的RAM中，并從此接管TPU讓它完成用戶特定的功能. 本裝置中選用以內(nèi)部時鐘為基準(zhǔn)的門時間測量模塊TPXciX（），將DI135配置在SLOT1，機(jī)頻信號從DI135 的第一通道輸入，網(wǎng)頻信號從DI135 第二通道輸入.
測頻程序.測頻程序完成TPU 功能模塊TPXciX（）的調(diào)用、測頻計算、濾波及軟件容錯等功能，它用PCC 獨(dú)有的高級語言PL20000編制, TPU 硬件計數(shù)器為16 位，功能模塊TPXciX（）的調(diào)用周期必須小于8.2ms以處理計數(shù)器溢出，故測頻程序分兩個模塊：一個置于高速任務(wù)層，用于調(diào)用TPXciX，其循環(huán)時間設(shè)置為5ms；另一個置于普通任務(wù)層TC#2，進(jìn)行TPXciX）初始化、測頻計算、濾波及冗余處理，其循環(huán)時間設(shè)置為20ms，以節(jié)省CPU資源.
3.3 測頻范圍及精度
前面提到TPU 采用16 位計數(shù)器，但TPXciX（）模塊通過軟件方式將其擴(kuò)充為32位，在5ms（小于8ms）調(diào)用周期下，TPXciX（）模塊可保證正確的32 位計數(shù)器輸出，因此理論上計數(shù)器的計數(shù)范圍為0~4294967295，在4MHz 時鐘頻率時，測頻下限小于0,001Hz. 但由于電壓互感器及隔離變壓器等因素的限制，并考慮到實(shí)際應(yīng)用的需要，取測頻下限為2Hz，且2Hz 以下時認(rèn)為頻率為0.DI135 的輸入響應(yīng)為事件微米級，其最大輸入頻率為100KHz，可見該測頻方式的上限可以很高，考慮到水輪機(jī)調(diào)速器的實(shí)際需要I取其測頻上限為100Hz.
下面計算此測頻方式的分辨率. 在時鐘頻率4MHz 的情況下，由上述公式可知，在50Hz時，計數(shù)值N為80000，而N的分辨率為1，由此可得，f的分辨率為
可見，采用這種測頻方式，當(dāng)頻率在50Hz附近時的分辨率為6.25×10-4Hz時，完全滿足水輪機(jī)調(diào)速器對測頻精度的要求.
3.4 測頻裝置軟件容錯及故障診斷
頻率測量是影響調(diào)速器可靠性的關(guān)鍵因素之一，軟件開發(fā)時應(yīng)特別重視軟件的容錯及故障自診斷能力.
在軟件設(shè)計時按以下原則考慮：（1）發(fā)電機(jī)可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速范圍為零到飛逸轉(zhuǎn)速；(2）連續(xù)2個采樣時刻頻率差值應(yīng)小于 ，其中額定頻率為50Hz，T 為采樣周期， 為機(jī)組慣
性時間常數(shù)，若本次頻率值與上次頻率值之差的絕對值大于∆ ，則對機(jī)頻錯誤計數(shù)器加1，若錯誤計數(shù)小于一定值，則用上次頻率值作為本次頻率值，如果錯誤計數(shù)連續(xù)大于一定值，則承認(rèn)本次頻率值；（3）對網(wǎng)頻或機(jī)組并入大電網(wǎng)時的機(jī)頻，若頻率值不在一定的頻率范圍內(nèi)，且達(dá)到一定次數(shù)，則認(rèn)為測頻出錯；
（4) 如果連續(xù)一段時間內(nèi)沒有機(jī)頻網(wǎng)頻信號，則認(rèn)為機(jī)頻網(wǎng)頻消失，且發(fā)生相應(yīng)的報警信號.
4. 應(yīng)用實(shí)例
采用這種測頻方式的PCC調(diào)速器，2000 年4月安裝于陜西省石泉鵝項(xiàng)頸水電站1號機(jī)上，并對該調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了全面試驗(yàn)，試驗(yàn)表明其性能指標(biāo)滿足或優(yōu)于國標(biāo)（GB/T9652.1－－1997）的要求, 其中，主要特性試驗(yàn)結(jié)果如下：甩25%額定負(fù)荷，接力器不動時間為0.18s；甩100%額定負(fù)荷時，轉(zhuǎn)速最大上升為額定轉(zhuǎn)速的132%，調(diào)節(jié)時間為36s,試驗(yàn)后的調(diào)速器即投入運(yùn)行，運(yùn)行狀況良好, 此后，又有數(shù)臺先后在四川省飛羅水電站、張掖龍渠三級水電站、陜西省石泉鵝項(xiàng)頸水電站2號和3號機(jī)投入運(yùn)行，均運(yùn)行穩(wěn)定，且具有較高的可靠性.
由測頻整形電路和可編程計算機(jī)控制器PCC配以適當(dāng)軟件完成測頻功能，并取代單片機(jī)及PLC測頻裝置，使測頻電路大大簡化.
采用可編程計算機(jī)控制器PCC作為測頻裝置的硬件，其平均無故障率達(dá)50萬h，提高了系統(tǒng)的可靠性.可編程計算機(jī)控制器內(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)脈沖頻率為4MHz（周期為0.25×1
