嵌入式水轮机调速器研究

郑小贺，程远楚，张广涛(武汉大学动力与机械学院，武汉 430072)

0 引 言

水轮机调速器作为水电厂的基本控制设备，其调节控制性能直接影响水电厂乃至所连接电网的电能质量。基于可编程控制器的水轮机调速器一般价格较高，现场接口复杂，且较难应用各种复杂控制算法[1]。基于单片机、DSP等微处理器的水轮机调速器由于其价格低廉，工作特性良好，近年来得到了一定的研究和应用[2]。ARM微处理器性能的不断提升以及嵌入式技术的快速发展应用，为高性价比微机调速器的研制提供了方向。基于以上情况，本文介绍了一款基于高性能微处理器LPC1788的嵌入式水轮机调速器。

1 CPU选择

LPC1788是NXP公司生产的一款基于Cortex-M3内核，面向低成本、低功耗、高度集成的高性能32位微处理器。通过外接晶振，该微处理器CPU主频高达120 MHz，运算性能优异，能够满足一般控制器的速度及其他性能需求。该芯片是一种高度集成的微处理芯片，对传统总线结构进行了内部集成，极大增强了抗干扰能力，保证了调速器能够在静电干扰、电磁辐射等不良工况下工作的可靠性。与传统单片机及高性能DSP调节器不同，LPC1788微处理器不仅具有较高的性能，而且内部封装了丰富的资源。这样一方面可以简化系统结构，提高系统的稳定性与可靠性；另一方面，也为调节器功能扩展提供了硬件支持。该处理器内部集成有512 KB的Flash存储器、96 KB的数据存储器、4 KB的EEPROM存储器、SDRAM和静态存储器访问的外部存储控制器，能够出色地完成水轮机调速器技术性能要求。该控制器片上还具有数量充足的UART接口、高性能以太网控制器、多通道12位ADC、单通道10位DAC、高速频率测量及脉冲输出接口、USB控制器、SD卡控制接口、音频视频接口以及多达165路GPIO接口，接口之丰富极大地精简了整个系统的电路设计，降低了设计成本，减少了开发周期，提高了调节器工作的稳定性与可靠性。基于以上情况，本文选用LPC1788芯片进行水轮机微机调速器装置的开发与研制。

2 硬件系统设计

硬件系统主要由测频模块、模拟量采集模块、开关量采集模块、模拟量输出模块、开关量输出模块、PWM处理模块、串口处理模块及其他功能扩展模块组成，见图1。LPC1788拥有4个32位可编程定时器/计数器，均具有捕获、比较匹配功能。系统利用片上集成的2个32位可编程定时器/计数器作为机频与网频的测量资源，另外两个作为备用。采用残压测频的方法，将滤波整形后的方波信号送至捕获输入CAP引脚。CPU内部集成了一个8路12位分辨率双极性ADC，能够直接将水压等模拟量信号经由调理模块变为0～+3.3 V的信号直接送至LPC1788的ADC输入引脚，进而高速转为数字量。调速器设计了多达32路的开关量输入通道及多达16路的开关量输出通道。开关量输入信号经由隔离电路直接送至LPC1788芯片引脚。开关量输出信号由CPU引脚送至隔离放大电路后驱动后方电路。调速器内部集成有1路10位分辨率DAC，作为备用。为满足多通道的模拟量控制输出，CPU经由高速SPI外扩专用DAC芯片8544获得多达4路的模拟量输出通道。调速器采用CPU内部集成的PWM控制器，并设有高速脉冲调理模块，用以控制以高速脉冲作为输入的各种步进电机或伺服电机(作为电/位移转换元件)以驱动电液随动系统。调速器CPU片上集成有高速MAC芯片，通过外扩KSZ8041RNL网络芯片实现了与外部的网络连接。本着充分利用片上资源的原则，该调速器设有2路CAN总线接口、1路RS232接口、1路RS485接口及1路串口触摸屏接口、1路SD卡接口、1路标准RJ45网络接口、1路USB设备接口以及1路USB主机接口。此外，本调速器还设有专用看门狗电路，并配有标准Jtag接口，以便于程序的调试与维护。

图1 系统硬件结构Fig.1 Architecture of hardware system

3 软件系统开发

系统软件由Cortex-M3系列微处理器汇编语言及C语言混合开发。其中微处理器汇编语言用于完成微处理器内核的启动及初始化程序编写，C语言用于信号采集与输出、PID算法实现、通讯控制等功能应用的开发与编写。调速器软件系统移植了嵌入式实时操作系统μc/OS-Ⅱ。μc/OS-Ⅱ是一个易于固化裁剪和移植的实时多任务操作系统内核[3,4]。与传统单片机程序依靠无限循环和中断服务相结合的方式进行程序控制的方式相比，引入微操作系统具有独特的优越性。一方面，该微操作系统以多任务管理为基础，复杂的任务管理和调度均由OS内核进行高效管理，能够更好地提高调节系统的实时性能，进而保证了水轮机调节系统的稳定性和可靠性。另一方面，该微操作系统良好的系统结构屏蔽了底层开发的诸多细节，用户可以专注于应用层的程序设计和算法改善，这极大地减少了开发的周期和研发成本。

结合单任务程序的一般开发经验，移植了微操作系统的调速器软件设计将程序分为多个任务，由系统根据所设定的优先级对所有任务进行高效地管理。调速器软件程序任务主要包括硬件初始化任务、控制命令读取与机组状态识别任务、机组状态切换及控制任务、信号采集与处理任务、PID控制与保护任务、信号输出任务、液晶屏通讯显示任务、IAP监测与实施任务、系统故障检测及记录任务、GOOSE通讯控制任务、检错和容错任务等。其中，硬件初始化任务负责对LPC1788的各个资源及关联外设的初始化工作。控制命令读取与机组状态识别任务主要负责外部输入的各种控制命令的读取，并结合当前运行参数对机组的运行状态进行识别与控制的任务。机组状态切换及控制任务包括有开机、停机、事故停机、发电、调相、空载等子任务以及机组状态切换控制子任务。信号采集与处理任务负责各模拟量、频率量、开关量的采集与处理，将处理后的数据记入内存供其他任务使用。若电站使用基于CAN总线的智能传感器，信号采集与处理任务将自动解析CAN口接收到的报文，并依照协议将测得的各数据量读入内存。信号输出任务负责各数字量、模拟量及频率量的输出。PID控制与保护任务是调速器功能实现的核心，主要负责各种PID控制算法的实现及极端工况下的保护控制，程序将根据算法选择输入状态确定运行采用的控制算法。系统内部实现了多达四种控制策略，考虑到控制策略的发展及系统的可扩展性，选用三个开关量输入作为控制算法选择的判据。液晶屏通讯显示任务负责液晶屏正常通讯及显示。IAP监测任务负责检测USB口是否插有USB设备，若有设备则判断是否包含软件更新文件，并根据结果进行Flash程序的更新与升级。系统故障检测及记录任务负责监测调速器关键部分的故障及各种报警信息，并将其依照一定格式存储于SD卡上，为工作人员的运行维护提供参考。GOOSE通讯任务负责与智能水电厂网络的数据交互工作。此外，为了提高调速器控制的可靠性，避免由于错误信息的使用造成不正确的处理与动作，系统创建了检错和容错任务。软件系统的程序结构及简单流程示意图如图2所示。

图2 软件流程及程序结构示意图Fig.2 Procedure and structure of program

4 系统特点

基于高性能微处理器的嵌入式水轮机调速器不仅价格低廉、结构精简，而且功能强大、接口丰富、性能优越，具有较强的系统兼容性与可扩展性。其功能特点主要体现在下面几个方面。

4.1 CAN总线支持

CAN现场总线技术是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络技术。由于其具有通讯实时性强、效率高、开发周期短、接口简单等特点，近年来被逐步应用于智能传感器及步进电机的设计与应用领域。随着工业测控及生产自动化技术的不断发展，智能传感器及智能执行机构将逐步成为同类产品的主流。为了适应现场总线技术在水电站测控及自动化领域的发展需要，本调速器实现了对基于CAN总线系统的智能传感器及智能执行机构的接口支持。调速器不仅可以搭配常规传感器对测控点数据进行模拟采样和处理，而且可以直接接收由高精度智能传感器发来的实时采样数字量。此外，该调速器不仅可以驱动以模拟量或高速脉冲为输入的执行器，而且可以驱动以数字量作为输入的智能执行机构(遵循CAN通讯协议)。对CAN总线接口的功能支持，提高了本调速器对新型智能传感器及智能执行机构的兼容性，增强了调节系统整体的可扩展性。

4.2 多种执行模式

与常规调速器不同，基于高性能微处理器LPC1788的嵌入式水轮机调速器同时支持以模拟量、高速脉冲及数字量作为输入的电液执行器。对于以模拟量作为输入的比例伺服阀等执行机构，调速器CPU自带了一路10位高精度DA，同时外扩专用DA芯片DAC8544，提供了多达5路模拟量控制输出通道，可以满足双调机组及多喷针冲击式机组的控制要求。对于以高速脉冲为输入的各种步进电机或伺服电机等执行机构，调速器提供了多达6路PWM输出通道，可以同时控制6路执行机构，满足一般机组的控制需求。对于以数字量为输入的各种步进电机，调速器提供了两路CAN通讯接口，可以根据工程需要灵活组建控制网络。CAN总线网络可以挂载上百个通讯节点，能够很好地满足多执行机构的同步准确控制，可以满足多执行机构机组的高质量控制要求。此外，考虑到工程中可能遇到不同类型执行机构应用于同一场合的情况，该调速器能够提供不同类型控制输出的灵活组合，系统兼容好，可扩展性优越。

4.3 高精度宽范围测频

机频和网频的测量是水轮机调节系统中的关键环节。在本系统中，主频为120 MHz，在计数不分频的情况下，在50 Hz处的测频分辨率达2.08×10-5Hz。而且，由于测频的计时器/计数器为32位，可测得的最低频率为0.027 4 Hz，可见，该调速器测频单元分辨率高，测量范围宽，能够出色地满足水轮机调速器测频的技术指标要求和测频范围要求。

4.4 多种控制策略

随着控制理论的不断发展，水轮机调速器内部的控制算法得到了不断地完善和发展，高级或改进的控制算法也相继涌现，但PID控制规律依然还是主流的控制算法[5,6]。在保证调速器控制效果的稳定性、科学性和可靠性的前提下，本调速器不仅实现了国内调速器应用较为广泛的典型并联控制算法，而且对变参数PID高级算法进行了实现。用户可以对系统进行设定选择调速器内部采用哪种控制算法。

4.5 GOOSE协议支持

水电厂智能化的发展趋势是未来水电厂的发展方向[7,8]，将IEC61850标准应用于水轮机调速器,是对建设智能化水电厂的有益探索。水轮机调速器作为一种专用于控制机组转速的具有自治性的控制设备，在智能水电厂标准中其需要与外部进行网络交换的信息主要包括调节模式、开停机命令、机组运行状态命令、功率给定、频率给定、开度给定、开度限制、AGC指令等。依照IEC 61850-7-410标准中对水轮机调速器逻辑节点的规定，结合目前电厂二次设备无法满足智能化要求的实际情况，我们将水轮机调速器作为一个逻辑节点HGOV，控制模式、开停机命令、机组运行状态命令及AGC投入等需要交换的数据作为该逻辑节点的数据对象，依照面向对象的变电站事件GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)协议与其他逻辑设备进行信息交互。GOOSE协议是一种实时性较高的通讯协议，其帧结构及本调速器对应的数据集结构如图3所示。如图所示，由应用层定义的协议数据单元PDU(Protocol Data Unit)经表示层编码后直接映射到数据链路层，有效避免了通讯堆栈造成的通讯延迟，保证了报文传输的快速性。我们依照PDU规范将调速器数据集填入APDU, 并将生成的报文经高速以太网MAC芯片送入智能水电厂的GOOSE网络。调速器也可以通过接收GOOSE子网中控制单元发来的对应报文，依照规约进行解析，并依照指示命令调整调速器设备的运行与动作。

图3 GOOSE报文帧结构及调速器数据集结构示意图Fig.3 Structure of governor data set with GOOSE frame

4.6 故障记录与分析

水轮机调速器作为水电厂安全经济运行的重要设备，其工作的稳定性可靠性尤为重要。基于高性能微处理器LPC1788的水轮机调速器内置故障检测、记录及分析功能，可以对测量节点异常(如水头异常、传感器故障等)、控制节点异常(如随动系统动作异常等)、命令输入异常、运行状态异常等进行监测、记录与分析，并可将其离线存储于SD卡中，用户可以定期取出SD卡读取运行故障日志为一段时间内的机组运行质量评价提供参考依据。一般运行中，用户可以通过现地触摸屏显示出当前故障，方便运行人员进行维护。

此外，所有故障记录采用磁存储器进行存储，掉电后数据不消失。

4.7 便捷的系统维护与升级

设备运行维护的便捷性是电厂工作人员比较关注的问题。基于高性能微处理器的水轮机调速器保留了传统仿真器进行系统程序升级方式的同时，提供了基于USB设备的远程离线更新方式。工作人员在进行系统的升级维护时，只需要将带有程序文件的U盘插入调速器USB接口，重新上电后，系统会自动引导加载U盘，自动烧写新的程序。这不仅提高了系统维护与升级的便捷性，同时也大大减少了设备的维护成本。

5 结 语

该水轮机调速器充分利用了LPC1788微处理器片上高度集成的丰富资源，简化了外围电路设计及系统结构，在减少开发周期的同时增强了系统的整体稳定性。信号采集方面，充分考虑了智能传感器的应用潜力，提供了两路CAN口用于可能的传感器设备升级与扩展。软件内部移植了实时微操作系统μc/OS-Ⅱ，提高开发效率的同时，大大增强控制的实时性与可靠性。程序内部实现了多达四种控制策略，用户可以根据设备类型和具体工况选择适合的控制算法。为了适应智能水电厂的发展，调速器实现了对GOOSE协议的接口支持。为了方便调速器程序的升级与维护，程序内部实现了基于USB设备的IAP功能，可以方便在现场更新程序。实际测试表明，该调速器的各项控制效果良好，能够满足水电机组的控制要求，且具有良好的可扩展性。综上所述，该调速器具有价格低廉、性能优良、功能强大、可扩展性高等特点，具有较好的推广前景与较高的应用价值。

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[1] 黄业华, 潘 熙,蔡维由. DSP水轮机微机调速器的研究[J]. 长江科学院院报, 2006,(6):92-94.

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