嵌入式水輪機調速器研究

鄭小賀，程遠楚，張廣濤(武漢大學動力與機械學院，武漢 430072)

0 引 言

水輪機調速器作為水電廠的基本控制設備，其調節控制性能直接影響水電廠乃至所連接電網的電能質量。基于可編程控制器的水輪機調速器一般價格較高，現場接口復雜，且較難應用各種復雜控制算法[1]。基于單片機、DSP等微處理器的水輪機調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用[2]。ARM微處理器性能的不斷提升以及嵌入式技術的快速發展應用，為高性價比微機調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的嵌入式水輪機調速器。

1 CPU選擇

LPC1788是NXP公司生產的一款基于Cortex-M3內核，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120 MHz，運算性能優異，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，對傳統總線結構進行了內部集成，極大增強了抗干擾能力，保證了調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。與傳統單片機及高性能DSP調節器不同，LPC1788微處理器不僅具有較高的性能，而且內部封裝了豐富的資源。這樣一方面可以簡化系統結構，提高系統的穩定性與可靠性；另一方面，也為調節器功能擴展提供了硬件支持。該處理器內部集成有512 KB的Flash存儲器、96 KB的數據存儲器、4 KB的EEPROM存儲器、SDRAM和靜態存儲器訪問的外部存儲控制器，能夠出色地完成水輪機調速器技術性能要求。該控制器片上還具有數量充足的UART接口、高性能以太網控制器、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165路GPIO接口，接口之豐富極大地精簡了整個系統的電路設計，降低了設計成本，減少了開發周期，提高了調節器工作的穩定性與可靠性。基于以上情況，本文選用LPC1788芯片進行水輪機微機調速器裝置的開發與研制。

2 硬件系統設計

硬件系統主要由測頻模塊、模擬量采集模塊、開關量采集模塊、模擬量輸出模塊、開關量輸出模塊、PWM處理模塊、串口處理模塊及其他功能擴展模塊組成，見圖1。LPC1788擁有4個32位可編程定時器/計數器，均具有捕獲、比較匹配功能。系統利用片上集成的2個32位可編程定時器/計數器作為機頻與網頻的測量資源，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由調理模塊變為0～+3.3 V的信號直接送至LPC1788的ADC輸入引腳，進而高速轉為數字量。調速器設計了多達32路的開關量輸入通道及多達16路的開關量輸出通道。開關量輸入信號經由隔離電路直接送至LPC1788芯片引腳。開關量輸出信號由CPU引腳送至隔離放大電路后驅動后方電路。調速器內部集成有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經由高速SPI外擴專用DAC芯片8544獲得多達4路的模擬量輸出通道。調速器采用CPU內部集成的PWM控制器，并設有高速脈沖調理模塊，用以控制以高速脈沖作為輸入的各種步進電機或伺服電機(作為電/位移轉換元件)以驅動電液隨動系統。調速器CPU片上集成有高速MAC芯片，通過外擴KSZ8041RNL網絡芯片實現了與外部的網絡連接。本著充分利用片上資源的原則，該調速器設有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路標準RJ45網絡接口、1路USB設備接口以及1路USB主機接口。此外，本調速器還設有專用看門狗電路，并配有標準Jtag接口，以便于程序的調試與維護。

圖1 系統硬件結構Fig.1 Architecture of hardware system

3 軟件系統開發

系統軟件由Cortex-M3系列微處理器匯編語言及C語言混合開發。其中微處理器匯編語言用于完成微處理器內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、通訊控制等功能應用的開發與編寫。調速器軟件系統移植了嵌入式實時操作系統μc/OS-Ⅱ。μc/OS-Ⅱ是一個易于固化裁剪和移植的實時多任務操作系統內核[3,4]。與傳統單片機程序依靠無限循環和中斷服務相結合的方式進行程序控制的方式相比，引入微操作系統具有獨特的優越性。一方面，該微操作系統以多任務管理為基礎，復雜的任務管理和調度均由OS內核進行高效管理，能夠更好地提高調節系統的實時性能，進而保證了水輪機調節系統的穩定性和可靠性。另一方面，該微操作系統良好的系統結構屏蔽了底層開發的諸多細節，用戶可以專注于應用層的程序設計和算法改善，這極大地減少了開發的周期和研發成本。

結合單任務程序的一般開發經驗，移植了微操作系統的調速器軟件設計將程序分為多個任務，由系統根據所設定的優先級對所有任務進行高效地管理。調速器軟件程序任務主要包括硬件初始化任務、控制命令讀取與機組狀態識別任務、機組狀態切換及控制任務、信號采集與處理任務、PID控制與保護任務、信號輸出任務、液晶屏通訊顯示任務、IAP監測與實施任務、系統故障檢測及記錄任務、GOOSE通訊控制任務、檢錯和容錯任務等。其中，硬件初始化任務負責對LPC1788的各個資源及關聯外設的初始化工作。控制命令讀取與機組狀態識別任務主要負責外部輸入的各種控制命令的讀取，并結合當前運行參數對機組的運行狀態進行識別與控制的任務。機組狀態切換及控制任務包括有開機、停機、事故停機、發電、調相、空載等子任務以及機組狀態切換控制子任務。信號采集與處理任務負責各模擬量、頻率量、開關量的采集與處理，將處理后的數據記入內存供其他任務使用。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將自動解析CAN口接收到的報文，并依照協議將測得的各數據量讀入內存。信號輸出任務負責各數字量、模擬量及頻率量的輸出。PID控制與保護任務是調速器功能實現的核心，主要負責各種PID控制算法的實現及極端工況下的保護控制，程序將根據算法選擇輸入狀態確定運行采用的控制算法。系統內部實現了多達四種控制策略，考慮到控制策略的發展及系統的可擴展性，選用三個開關量輸入作為控制算法選擇的判據。液晶屏通訊顯示任務負責液晶屏正常通訊及顯示。IAP監測任務負責檢測USB口是否插有USB設備，若有設備則判斷是否包含軟件更新文件，并根據結果進行Flash程序的更新與升級。系統故障檢測及記錄任務負責監測調速器關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，為工作人員的運行維護提供參考。GOOSE通訊任務負責與智能水電廠網絡的數據交互工作。此外，為了提高調速器控制的可靠性，避免由于錯誤信息的使用造成不正確的處理與動作，系統創建了檢錯和容錯任務。軟件系統的程序結構及簡單流程示意圖如圖2所示。

圖2 軟件流程及程序結構示意圖Fig.2 Procedure and structure of program

4 系統特點

基于高性能微處理器的嵌入式水輪機調速器不僅價格低廉、結構精簡，而且功能強大、接口豐富、性能優越，具有較強的系統兼容性與可擴展性。其功能特點主要體現在下面幾個方面。

4.1 CAN總線支持

CAN現場總線技術是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡技術。由于其具有通訊實時性強、效率高、開發周期短、接口簡單等特點，近年來被逐步應用于智能傳感器及步進電機的設計與應用領域。隨著工業測控及生產自動化技術的不斷發展，智能傳感器及智能執行機構將逐步成為同類產品的主流。為了適應現場總線技術在水電站測控及自動化領域的發展需要，本調速器實現了對基于CAN總線系統的智能傳感器及智能執行機構的接口支持。調速器不僅可以搭配常規傳感器對測控點數據進行模擬采樣和處理，而且可以直接接收由高精度智能傳感器發來的實時采樣數字量。此外，該調速器不僅可以驅動以模擬量或高速脈沖為輸入的執行器，而且可以驅動以數字量作為輸入的智能執行機構(遵循CAN通訊協議)。對CAN總線接口的功能支持，提高了本調速器對新型智能傳感器及智能執行機構的兼容性，增強了調節系統整體的可擴展性。

4.2 多種執行模式

與常規調速器不同，基于高性能微處理器LPC1788的嵌入式水輪機調速器同時支持以模擬量、高速脈沖及數字量作為輸入的電液執行器。對于以模擬量作為輸入的比例伺服閥等執行機構，調速器CPU自帶了一路10位高精度DA，同時外擴專用DA芯片DAC8544，提供了多達5路模擬量控制輸出通道，可以滿足雙調機組及多噴針沖擊式機組的控制要求。對于以高速脈沖為輸入的各種步進電機或伺服電機等執行機構，調速器提供了多達6路PWM輸出通道，可以同時控制6路執行機構，滿足一般機組的控制需求。對于以數字量為輸入的各種步進電機，調速器提供了兩路CAN通訊接口，可以根據工程需要靈活組建控制網絡。CAN總線網絡可以掛載上百個通訊節點，能夠很好地滿足多執行機構的同步準確控制，可以滿足多執行機構機組的高質量控制要求。此外，考慮到工程中可能遇到不同類型執行機構應用于同一場合的情況，該調速器能夠提供不同類型控制輸出的靈活組合，系統兼容好，可擴展性優越。

4.3 高精度寬范圍測頻

機頻和網頻的測量是水輪機調節系統中的關鍵環節。在本系統中，主頻為120 MHz，在計數不分頻的情況下，在50 Hz處的測頻分辨率達2.08×10-5Hz。而且，由于測頻的計時器/計數器為32位，可測得的最低頻率為0.027 4 Hz，可見，該調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調速器測頻的技術指標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展，水輪機調速器內部的控制算法得到了不斷地完善和發展，高級或改進的控制算法也相繼涌現，但PID控制規律依然還是主流的控制算法[5,6]。在保證調速器控制效果的穩定性、科學性和可靠性的前提下，本調速器不僅實現了國內調速器應用較為廣泛的典型并聯控制算法，而且對變參數PID高級算法進行了實現。用戶可以對系統進行設定選擇調速器內部采用哪種控制算法。

4.5 GOOSE協議支持

水電廠智能化的發展趨勢是未來水電廠的發展方向[7,8]，將IEC61850標準應用于水輪機調速器,是對建設智能化水電廠的有益探索。水輪機調速器作為一種專用于控制機組轉速的具有自治性的控制設備，在智能水電廠標準中其需要與外部進行網絡交換的信息主要包括調節模式、開停機命令、機組運行狀態命令、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標準中對水輪機調速器邏輯節點的規定，結合目前電廠二次設備無法滿足智能化要求的實際情況，我們將水輪機調速器作為一個邏輯節點HGOV，控制模式、開停機命令、機組運行狀態命令及AGC投入等需要交換的數據作為該邏輯節點的數據對象，依照面向對象的變電站事件GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)協議與其他邏輯設備進行信息交互。GOOSE協議是一種實時性較高的通訊協議，其幀結構及本調速器對應的數據集結構如圖3所示。如圖所示，由應用層定義的協議數據單元PDU(Protocol Data Unit)經表示層編碼后直接映射到數據鏈路層，有效避免了通訊堆棧造成的通訊延遲，保證了報文傳輸的快速性。我們依照PDU規范將調速器數據集填入APDU, 并將生成的報文經高速以太網MAC芯片送入智能水電廠的GOOSE網絡。調速器也可以通過接收GOOSE子網中控制單元發來的對應報文，依照規約進行解析，并依照指示命令調整調速器設備的運行與動作。

圖3 GOOSE報文幀結構及調速器數據集結構示意圖Fig.3 Structure of governor data set with GOOSE frame

4.6 故障記錄與分析

水輪機調速器作為水電廠安全經濟運行的重要設備，其工作的穩定性可靠性尤為重要。基于高性能微處理器LPC1788的水輪機調速器內置故障檢測、記錄及分析功能，可以對測量節點異常(如水頭異常、傳感器故障等)、控制節點異常(如隨動系統動作異常等)、命令輸入異常、運行狀態異常等進行監測、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卡讀取運行故障日志為一段時間內的機組運行質量評價提供參考依據。一般運行中，用戶可以通過現地觸摸屏顯示出當前故障，方便運行人員進行維護。

此外，所有故障記錄采用磁存儲器進行存儲，掉電后數據不消失。

4.7 便捷的系統維護與升級

設備運行維護的便捷性是電廠工作人員比較關注的問題。基于高性能微處理器的水輪機調速器保留了傳統仿真器進行系統程序升級方式的同時，提供了基于USB設備的遠程離線更新方式。工作人員在進行系統的升級維護時，只需要將帶有程序文件的U盤插入調速器USB接口，重新上電后，系統會自動引導加載U盤，自動燒寫新的程序。這不僅提高了系統維護與升級的便捷性，同時也大大減少了設備的維護成本。

5 結 語

該水輪機調速器充分利用了LPC1788微處理器片上高度集成的豐富資源，簡化了外圍電路設計及系統結構，在減少開發周期的同時增強了系統的整體穩定性。信號采集方面，充分考慮了智能傳感器的應用潛力，提供了兩路CAN口用于可能的傳感器設備升級與擴展。軟件內部移植了實時微操作系統μc/OS-Ⅱ，提高開發效率的同時，大大增強控制的實時性與可靠性。程序內部實現了多達四種控制策略，用戶可以根據設備類型和具體工況選擇適合的控制算法。為了適應智能水電廠的發展，調速器實現了對GOOSE協議的接口支持。為了方便調速器程序的升級與維護，程序內部實現了基于USB設備的IAP功能，可以方便在現場更新程序。實際測試表明，該調速器的各項控制效果良好，能夠滿足水電機組的控制要求，且具有良好的可擴展性。綜上所述，該調速器具有價格低廉、性能優良、功能強大、可擴展性高等特點，具有較好的推廣前景與較高的應用價值。

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