嵌入式水輪機(jī)調(diào)速器研究

鄭小賀，程遠(yuǎn)楚，張廣濤(武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430072)

0 引 言

水輪機(jī)調(diào)速器作為水電廠的基本控制設(shè)備，其調(diào)節(jié)控制性能直接影響水電廠乃至所連接電網(wǎng)的電能質(zhì)量。基于可編程控制器的水輪機(jī)調(diào)速器一般價格較高，現(xiàn)場接口復(fù)雜，且較難應(yīng)用各種復(fù)雜控制算法[1]。基于單片機(jī)、DSP等微處理器的水輪機(jī)調(diào)速器由于其價格低廉，工作特性良好，近年來得到了一定的研究和應(yīng)用[2]。ARM微處理器性能的不斷提升以及嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展應(yīng)用，為高性價比微機(jī)調(diào)速器的研制提供了方向。基于以上情況，本文介紹了一款基于高性能微處理器LPC1788的嵌入式水輪機(jī)調(diào)速器。

1 CPU選擇

LPC1788是NXP公司生產(chǎn)的一款基于Cortex-M3內(nèi)核，面向低成本、低功耗、高度集成的高性能32位微處理器。通過外接晶振，該微處理器CPU主頻高達(dá)120 MHz，運(yùn)算性能優(yōu)異，能夠滿足一般控制器的速度及其他性能需求。該芯片是一種高度集成的微處理芯片，對傳統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了內(nèi)部集成，極大增強(qiáng)了抗干擾能力，保證了調(diào)速器能夠在靜電干擾、電磁輻射等不良工況下工作的可靠性。與傳統(tǒng)單片機(jī)及高性能DSP調(diào)節(jié)器不同，LPC1788微處理器不僅具有較高的性能，而且內(nèi)部封裝了豐富的資源。這樣一方面可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性；另一方面，也為調(diào)節(jié)器功能擴(kuò)展提供了硬件支持。該處理器內(nèi)部集成有512 KB的Flash存儲器、96 KB的數(shù)據(jù)存儲器、4 KB的EEPROM存儲器、SDRAM和靜態(tài)存儲器訪問的外部存儲控制器，能夠出色地完成水輪機(jī)調(diào)速器技術(shù)性能要求。該控制器片上還具有數(shù)量充足的UART接口、高性能以太網(wǎng)控制器、多通道12位ADC、單通道10位DAC、高速頻率測量及脈沖輸出接口、USB控制器、SD卡控制接口、音頻視頻接口以及多達(dá)165路GPIO接口，接口之豐富極大地精簡了整個系統(tǒng)的電路設(shè)計，降低了設(shè)計成本，減少了開發(fā)周期，提高了調(diào)節(jié)器工作的穩(wěn)定性與可靠性。基于以上情況，本文選用LPC1788芯片進(jìn)行水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器裝置的開發(fā)與研制。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要由測頻模塊、模擬量采集模塊、開關(guān)量采集模塊、模擬量輸出模塊、開關(guān)量輸出模塊、PWM處理模塊、串口處理模塊及其他功能擴(kuò)展模塊組成，見圖1。LPC1788擁有4個32位可編程定時器/計數(shù)器，均具有捕獲、比較匹配功能。系統(tǒng)利用片上集成的2個32位可編程定時器/計數(shù)器作為機(jī)頻與網(wǎng)頻的測量資源，另外兩個作為備用。采用殘壓測頻的方法，將濾波整形后的方波信號送至捕獲輸入CAP引腳。CPU內(nèi)部集成了一個8路12位分辨率雙極性ADC，能夠直接將水壓等模擬量信號經(jīng)由調(diào)理模塊變?yōu)?～+3.3 V的信號直接送至LPC1788的ADC輸入引腳，進(jìn)而高速轉(zhuǎn)為數(shù)字量。調(diào)速器設(shè)計了多達(dá)32路的開關(guān)量輸入通道及多達(dá)16路的開關(guān)量輸出通道。開關(guān)量輸入信號經(jīng)由隔離電路直接送至LPC1788芯片引腳。開關(guān)量輸出信號由CPU引腳送至隔離放大電路后驅(qū)動后方電路。調(diào)速器內(nèi)部集成有1路10位分辨率DAC，作為備用。為滿足多通道的模擬量控制輸出，CPU經(jīng)由高速SPI外擴(kuò)專用DAC芯片8544獲得多達(dá)4路的模擬量輸出通道。調(diào)速器采用CPU內(nèi)部集成的PWM控制器，并設(shè)有高速脈沖調(diào)理模塊，用以控制以高速脈沖作為輸入的各種步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)(作為電/位移轉(zhuǎn)換元件)以驅(qū)動電液隨動系統(tǒng)。調(diào)速器CPU片上集成有高速M(fèi)AC芯片，通過外擴(kuò)KSZ8041RNL網(wǎng)絡(luò)芯片實現(xiàn)了與外部的網(wǎng)絡(luò)連接。本著充分利用片上資源的原則，該調(diào)速器設(shè)有2路CAN總線接口、1路RS232接口、1路RS485接口及1路串口觸摸屏接口、1路SD卡接口、1路標(biāo)準(zhǔn)RJ45網(wǎng)絡(luò)接口、1路USB設(shè)備接口以及1路USB主機(jī)接口。此外，本調(diào)速器還設(shè)有專用看門狗電路，并配有標(biāo)準(zhǔn)Jtag接口，以便于程序的調(diào)試與維護(hù)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of hardware system

3 軟件系統(tǒng)開發(fā)

系統(tǒng)軟件由Cortex-M3系列微處理器匯編語言及C語言混合開發(fā)。其中微處理器匯編語言用于完成微處理器內(nèi)核的啟動及初始化程序編寫，C語言用于信號采集與輸出、PID算法實現(xiàn)、通訊控制等功能應(yīng)用的開發(fā)與編寫。調(diào)速器軟件系統(tǒng)移植了嵌入式實時操作系統(tǒng)μc/OS-Ⅱ。μc/OS-Ⅱ是一個易于固化裁剪和移植的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核[3,4]。與傳統(tǒng)單片機(jī)程序依靠無限循環(huán)和中斷服務(wù)相結(jié)合的方式進(jìn)行程序控制的方式相比，引入微操作系統(tǒng)具有獨特的優(yōu)越性。一方面，該微操作系統(tǒng)以多任務(wù)管理為基礎(chǔ)，復(fù)雜的任務(wù)管理和調(diào)度均由OS內(nèi)核進(jìn)行高效管理，能夠更好地提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實時性能，進(jìn)而保證了水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。另一方面，該微操作系統(tǒng)良好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)屏蔽了底層開發(fā)的諸多細(xì)節(jié)，用戶可以專注于應(yīng)用層的程序設(shè)計和算法改善，這極大地減少了開發(fā)的周期和研發(fā)成本。

結(jié)合單任務(wù)程序的一般開發(fā)經(jīng)驗，移植了微操作系統(tǒng)的調(diào)速器軟件設(shè)計將程序分為多個任務(wù)，由系統(tǒng)根據(jù)所設(shè)定的優(yōu)先級對所有任務(wù)進(jìn)行高效地管理。調(diào)速器軟件程序任務(wù)主要包括硬件初始化任務(wù)、控制命令讀取與機(jī)組狀態(tài)識別任務(wù)、機(jī)組狀態(tài)切換及控制任務(wù)、信號采集與處理任務(wù)、PID控制與保護(hù)任務(wù)、信號輸出任務(wù)、液晶屏通訊顯示任務(wù)、IAP監(jiān)測與實施任務(wù)、系統(tǒng)故障檢測及記錄任務(wù)、GOOSE通訊控制任務(wù)、檢錯和容錯任務(wù)等。其中，硬件初始化任務(wù)負(fù)責(zé)對LPC1788的各個資源及關(guān)聯(lián)外設(shè)的初始化工作。控制命令讀取與機(jī)組狀態(tài)識別任務(wù)主要負(fù)責(zé)外部輸入的各種控制命令的讀取，并結(jié)合當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)對機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行識別與控制的任務(wù)。機(jī)組狀態(tài)切換及控制任務(wù)包括有開機(jī)、停機(jī)、事故停機(jī)、發(fā)電、調(diào)相、空載等子任務(wù)以及機(jī)組狀態(tài)切換控制子任務(wù)。信號采集與處理任務(wù)負(fù)責(zé)各模擬量、頻率量、開關(guān)量的采集與處理，將處理后的數(shù)據(jù)記入內(nèi)存供其他任務(wù)使用。若電站使用基于CAN總線的智能傳感器，信號采集與處理任務(wù)將自動解析CAN口接收到的報文，并依照協(xié)議將測得的各數(shù)據(jù)量讀入內(nèi)存。信號輸出任務(wù)負(fù)責(zé)各數(shù)字量、模擬量及頻率量的輸出。PID控制與保護(hù)任務(wù)是調(diào)速器功能實現(xiàn)的核心，主要負(fù)責(zé)各種PID控制算法的實現(xiàn)及極端工況下的保護(hù)控制，程序?qū)⒏鶕?jù)算法選擇輸入狀態(tài)確定運(yùn)行采用的控制算法。系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)了多達(dá)四種控制策略，考慮到控制策略的發(fā)展及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，選用三個開關(guān)量輸入作為控制算法選擇的判據(jù)。液晶屏通訊顯示任務(wù)負(fù)責(zé)液晶屏正常通訊及顯示。IAP監(jiān)測任務(wù)負(fù)責(zé)檢測USB口是否插有USB設(shè)備，若有設(shè)備則判斷是否包含軟件更新文件，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行Flash程序的更新與升級。系統(tǒng)故障檢測及記錄任務(wù)負(fù)責(zé)監(jiān)測調(diào)速器關(guān)鍵部分的故障及各種報警信息，并將其依照一定格式存儲于SD卡上，為工作人員的運(yùn)行維護(hù)提供參考。GOOSE通訊任務(wù)負(fù)責(zé)與智能水電廠網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互工作。此外，為了提高調(diào)速器控制的可靠性，避免由于錯誤信息的使用造成不正確的處理與動作，系統(tǒng)創(chuàng)建了檢錯和容錯任務(wù)。軟件系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)及簡單流程示意圖如圖2所示。

圖2 軟件流程及程序結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Procedure and structure of program

4 系統(tǒng)特點

基于高性能微處理器的嵌入式水輪機(jī)調(diào)速器不僅價格低廉、結(jié)構(gòu)精簡，而且功能強(qiáng)大、接口豐富、性能優(yōu)越，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)兼容性與可擴(kuò)展性。其功能特點主要體現(xiàn)在下面幾個方面。

4.1 CAN總線支持

CAN現(xiàn)場總線技術(shù)是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。由于其具有通訊實時性強(qiáng)、效率高、開發(fā)周期短、接口簡單等特點，近年來被逐步應(yīng)用于智能傳感器及步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計與應(yīng)用領(lǐng)域。隨著工業(yè)測控及生產(chǎn)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，智能傳感器及智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)將逐步成為同類產(chǎn)品的主流。為了適應(yīng)現(xiàn)場總線技術(shù)在水電站測控及自動化領(lǐng)域的發(fā)展需要，本調(diào)速器實現(xiàn)了對基于CAN總線系統(tǒng)的智能傳感器及智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)的接口支持。調(diào)速器不僅可以搭配常規(guī)傳感器對測控點數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬采樣和處理，而且可以直接接收由高精度智能傳感器發(fā)來的實時采樣數(shù)字量。此外，該調(diào)速器不僅可以驅(qū)動以模擬量或高速脈沖為輸入的執(zhí)行器，而且可以驅(qū)動以數(shù)字量作為輸入的智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)(遵循CAN通訊協(xié)議)。對CAN總線接口的功能支持，提高了本調(diào)速器對新型智能傳感器及智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)的兼容性，增強(qiáng)了調(diào)節(jié)系統(tǒng)整體的可擴(kuò)展性。

4.2 多種執(zhí)行模式

與常規(guī)調(diào)速器不同，基于高性能微處理器LPC1788的嵌入式水輪機(jī)調(diào)速器同時支持以模擬量、高速脈沖及數(shù)字量作為輸入的電液執(zhí)行器。對于以模擬量作為輸入的比例伺服閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)速器CPU自帶了一路10位高精度DA，同時外擴(kuò)專用DA芯片DAC8544，提供了多達(dá)5路模擬量控制輸出通道，可以滿足雙調(diào)機(jī)組及多噴針沖擊式機(jī)組的控制要求。對于以高速脈沖為輸入的各種步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)速器提供了多達(dá)6路PWM輸出通道，可以同時控制6路執(zhí)行機(jī)構(gòu)，滿足一般機(jī)組的控制需求。對于以數(shù)字量為輸入的各種步進(jìn)電機(jī)，調(diào)速器提供了兩路CAN通訊接口，可以根據(jù)工程需要靈活組建控制網(wǎng)絡(luò)。CAN總線網(wǎng)絡(luò)可以掛載上百個通訊節(jié)點，能夠很好地滿足多執(zhí)行機(jī)構(gòu)的同步準(zhǔn)確控制，可以滿足多執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)組的高質(zhì)量控制要求。此外，考慮到工程中可能遇到不同類型執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用于同一場合的情況，該調(diào)速器能夠提供不同類型控制輸出的靈活組合，系統(tǒng)兼容好，可擴(kuò)展性優(yōu)越。

4.3 高精度寬范圍測頻

機(jī)頻和網(wǎng)頻的測量是水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在本系統(tǒng)中，主頻為120 MHz，在計數(shù)不分頻的情況下，在50 Hz處的測頻分辨率達(dá)2.08×10-5Hz。而且，由于測頻的計時器/計數(shù)器為32位，可測得的最低頻率為0.027 4 Hz，可見，該調(diào)速器測頻單元分辨率高，測量范圍寬，能夠出色地滿足水輪機(jī)調(diào)速器測頻的技術(shù)指標(biāo)要求和測頻范圍要求。

4.4 多種控制策略

隨著控制理論的不斷發(fā)展，水輪機(jī)調(diào)速器內(nèi)部的控制算法得到了不斷地完善和發(fā)展，高級或改進(jìn)的控制算法也相繼涌現(xiàn)，但PID控制規(guī)律依然還是主流的控制算法[5,6]。在保證調(diào)速器控制效果的穩(wěn)定性、科學(xué)性和可靠性的前提下，本調(diào)速器不僅實現(xiàn)了國內(nèi)調(diào)速器應(yīng)用較為廣泛的典型并聯(lián)控制算法，而且對變參數(shù)PID高級算法進(jìn)行了實現(xiàn)。用戶可以對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定選擇調(diào)速器內(nèi)部采用哪種控制算法。

4.5 GOOSE協(xié)議支持

水電廠智能化的發(fā)展趨勢是未來水電廠的發(fā)展方向[7,8]，將IEC61850標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于水輪機(jī)調(diào)速器,是對建設(shè)智能化水電廠的有益探索。水輪機(jī)調(diào)速器作為一種專用于控制機(jī)組轉(zhuǎn)速的具有自治性的控制設(shè)備，在智能水電廠標(biāo)準(zhǔn)中其需要與外部進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)交換的信息主要包括調(diào)節(jié)模式、開停機(jī)命令、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)命令、功率給定、頻率給定、開度給定、開度限制、AGC指令等。依照IEC 61850-7-410標(biāo)準(zhǔn)中對水輪機(jī)調(diào)速器邏輯節(jié)點的規(guī)定，結(jié)合目前電廠二次設(shè)備無法滿足智能化要求的實際情況，我們將水輪機(jī)調(diào)速器作為一個邏輯節(jié)點HGOV，控制模式、開停機(jī)命令、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)命令及AGC投入等需要交換的數(shù)據(jù)作為該邏輯節(jié)點的數(shù)據(jù)對象，依照面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录礼OOSE(Generic Object Oriented Substation Event)協(xié)議與其他邏輯設(shè)備進(jìn)行信息交互。GOOSE協(xié)議是一種實時性較高的通訊協(xié)議，其幀結(jié)構(gòu)及本調(diào)速器對應(yīng)的數(shù)據(jù)集結(jié)構(gòu)如圖3所示。如圖所示，由應(yīng)用層定義的協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU(Protocol Data Unit)經(jīng)表示層編碼后直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層，有效避免了通訊堆棧造成的通訊延遲，保證了報文傳輸?shù)目焖傩浴Ｎ覀円勒誔DU規(guī)范將調(diào)速器數(shù)據(jù)集填入APDU, 并將生成的報文經(jīng)高速以太網(wǎng)MAC芯片送入智能水電廠的GOOSE網(wǎng)絡(luò)。調(diào)速器也可以通過接收GOOSE子網(wǎng)中控制單元發(fā)來的對應(yīng)報文，依照規(guī)約進(jìn)行解析，并依照指示命令調(diào)整調(diào)速器設(shè)備的運(yùn)行與動作。

圖3 GOOSE報文幀結(jié)構(gòu)及調(diào)速器數(shù)據(jù)集結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of governor data set with GOOSE frame

4.6 故障記錄與分析

水輪機(jī)調(diào)速器作為水電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要設(shè)備，其工作的穩(wěn)定性可靠性尤為重要。基于高性能微處理器LPC1788的水輪機(jī)調(diào)速器內(nèi)置故障檢測、記錄及分析功能，可以對測量節(jié)點異常(如水頭異常、傳感器故障等)、控制節(jié)點異常(如隨動系統(tǒng)動作異常等)、命令輸入異常、運(yùn)行狀態(tài)異常等進(jìn)行監(jiān)測、記錄與分析，并可將其離線存儲于SD卡中，用戶可以定期取出SD卡讀取運(yùn)行故障日志為一段時間內(nèi)的機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量評價提供參考依據(jù)。一般運(yùn)行中，用戶可以通過現(xiàn)地觸摸屏顯示出當(dāng)前故障，方便運(yùn)行人員進(jìn)行維護(hù)。

此外，所有故障記錄采用磁存儲器進(jìn)行存儲，掉電后數(shù)據(jù)不消失。

4.7 便捷的系統(tǒng)維護(hù)與升級

設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的便捷性是電廠工作人員比較關(guān)注的問題。基于高性能微處理器的水輪機(jī)調(diào)速器保留了傳統(tǒng)仿真器進(jìn)行系統(tǒng)程序升級方式的同時，提供了基于USB設(shè)備的遠(yuǎn)程離線更新方式。工作人員在進(jìn)行系統(tǒng)的升級維護(hù)時，只需要將帶有程序文件的U盤插入調(diào)速器USB接口，重新上電后，系統(tǒng)會自動引導(dǎo)加載U盤，自動燒寫新的程序。這不僅提高了系統(tǒng)維護(hù)與升級的便捷性，同時也大大減少了設(shè)備的維護(hù)成本。

5 結(jié) 語

該水輪機(jī)調(diào)速器充分利用了LPC1788微處理器片上高度集成的豐富資源，簡化了外圍電路設(shè)計及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在減少開發(fā)周期的同時增強(qiáng)了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。信號采集方面，充分考慮了智能傳感器的應(yīng)用潛力，提供了兩路CAN口用于可能的傳感器設(shè)備升級與擴(kuò)展。軟件內(nèi)部移植了實時微操作系統(tǒng)μc/OS-Ⅱ，提高開發(fā)效率的同時，大大增強(qiáng)控制的實時性與可靠性。程序內(nèi)部實現(xiàn)了多達(dá)四種控制策略，用戶可以根據(jù)設(shè)備類型和具體工況選擇適合的控制算法。為了適應(yīng)智能水電廠的發(fā)展，調(diào)速器實現(xiàn)了對GOOSE協(xié)議的接口支持。為了方便調(diào)速器程序的升級與維護(hù)，程序內(nèi)部實現(xiàn)了基于USB設(shè)備的IAP功能，可以方便在現(xiàn)場更新程序。實際測試表明，該調(diào)速器的各項控制效果良好，能夠滿足水電機(jī)組的控制要求，且具有良好的可擴(kuò)展性。綜上所述，該調(diào)速器具有價格低廉、性能優(yōu)良、功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展性高等特點，具有較好的推廣前景與較高的應(yīng)用價值。

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