ПРОГРАМИРУЕМ СПЕЦИАЛИЗИРАН КОНТРОЛЕР ЗА УПРАВЛЕНИЕ НА ГЕНЕРАТОР НА ТОК E. Петров Резюме: В настоящата работа са разгледани софтуерните аспекти на програмируем специализиран контролер за монофазен интелигентен генератор на променлив ток с регулируеми амплитуда и фаза. Накратко е описана хардуерната структура на системата и алгоритъма й на действие. Представени са функционалните изисквания към отделните програмни модули. Предложена е архитектура и организация на фърмуера, позволяваща надеждно и бързо изграждане и настройка на отделните програмни модули. Ключови думи: програмируем специализиран контролер, интелигентен генератор на променлив ток. 1. Въведение Монофазният интелигентен генератор на променлив ток служи за проверка на ампермери, електромери, ватмери на места, където в момента няма консумация на ел. енергия. Такива могат да бъдат подстанции, трафопостове, новостроящи се сгради, промишлени обекти и др. Уредът генерира ток, синхронизиран с мрежовото напрежение и изменяем по амплитуда и фаза, като по този начин симулира натоварване от консуматори с различен импеданс. Уредът се състои от два основни модула - същински генератор на ток (ГТ) управляващ силовите изходни вериги и програмируем специализиран контролер (ПСК) [1] реализиращ измерването и регулирането на амплитудата и фазата на генерирания ток. Изискванията към ПСК са да изчислява в реално време ефективната стойност на тока и да променя амплитудата и фазата на генерирания ток съобразно задание, подавано от горно ниво. ПСК трябва да реагира на аварийни събития в рамките на един период на мрежата (ПМ), да осигурява плавно изменение на подаваните към ГТ амплитуда и фаза и да осъществява регулиране с точност не по-лоша от 0.5%. 2. Хардуерна структура на ПСК ПСК е изграден на основата на микроконтролер PIC18F4455-I/PT [3]. Избраният микроконтролер притежава необходимите по вид и количество входно-изходни портове/изводи, както и бързодействие, което съчетано с разширения набор инструкции позволява изпълнение на потребителска програма в рамките на 10msec време напълно достатъчно за постигане на поставените изисквания. Входните сигнали, които микроконтролерът обработва са: Iamp аналогов вход, измерващ текущата амплитуда на тока; 294
Usync цифров вход, променящ състоянието си при преминаване на напрежението през 0 ; Isync цифров вход, променящ състоянието си при преминаване на тока през 0 ; Цифрови входове индициращи претоварване на отделни хардуерни модули; Допълнителни цифрови входове. Изходите на микроконтролера са дискретни и управляват: Цифрово-аналогов преобразувател AD 7849 [2], изработващ изходния токов сигнал; Програмируем усилвател с усилване 2 0 2 7 ; Реле, включващо ГТ към външна верига; Модул включващ ГТ на половин (0.5Pout) или цяла (Pout) мощност; Модул за нулиране на защитата от претоварване; Цифров изход, стартиращ генерирането на текущия период; Допълнителни цифрови изходи. За получаване на задание, калибрационни константи, както и за супервайзорно управление се използва горно ниво, което се свързва с ПСК по сериен канал. 3. Алгоритъм на изпълнение и функционални изисквания Началото на генериране на ток се задава по команда от горно ниво. Заедно с командата се подава задание за амплитудата на тока (Isp) и дефазирането (sp) му спрямо Usync. ПСК изпълнява еднократно следните дейности: Нулира защитата от претоварване; Подава 0.5Рout; Подава към AD 7849 малка стойност на амплитудата; Превключва усилването на програмируемия усилвател съобразно Isp; Изчислява коригиращ коефициент, ползван при пресмятането на ефективната стойност на измерения ток (Ipv). Цикълът на регулиране (ЦР) съдържа регулиране по амплитуда и регулиране по фаза и се състои от краен брой (над 15) ПМ, като във всеки от тях ПСК изпълнява определени действия, както следва: Измерва амплитудата на тока с честота 4кХц в продължение на 8 ПМ; Изчислява Ipv в следващия ПМ по формула (1); Ipv = n 2 Iampi 1 coeff *, (1) n 1000 i където coeff e коригиращ коефициент, зависещ от хардуерното изпълнение; 295
Подава управляващо въздействие по амплитуда (Ico) към AD 7849 - осъществява се след серия от сравнения и проверки на текущо изчислената Ipv, Isp и Ico издадено в предишни ЦР. Основно функционално изискване е да се избегнат резки скокове в амплитудата на генерирания ток. По тази причина, ако текущото Ico се различава значително от предишното, се използва постъпково намаление/увеличение. Регулирането се изпълнява по PID закон [4]; При продължително изчисляване (няколко ПМ) на Ico, близко до максимално възможното, ПСК подава към горно ниво сигнал за претоварване и спира ГТ; Изчислява усреднена стойност за текущо измерената фаза (Фmeas) на тока спрямо напрежението в предишни ПМ от текущия ЦР; Сравнява Фmeas с Фsp и проверява дали разликата е по-малка от 0.5; При Фmeas Фsp > 0.5 се проверява дали Фmeas Фsp > 8.0. Ако това условие е изпълнено управляващото въздействие по фаза (Фco) се актуализира с 8.0 (постъпково) и се подава за изпълнение; Ако 0.5 < Фmeas Фsp < 8.0, Фco се изработва по PID закон; При Фmeas Фsp < 0.5 се счита, че регулирането по фаза, а оттам и ЦР са завършени. Както при регулирането по амплитуда и тук основно функционално изискване е да се избегнат резки скокове на Фco. 4. Организация на изчислителния процес и основни програмни модули Както бе споменато по-горе, всеки ЦР се състои от краен брой ПМ, през част от чието времетраене (~0.2 10msec) се извършват определени действия. Организацията на изчислителния процес би могла да се сравни с работата на краен автомат, графично представен на фиг.1, чиито възли са отделни ПМ, а дъгите са еднопосочни от възел с по-малък номер към възел с по-голям номер или затварящи се в същия възел при необходимост от стъпково изменение на Ico/Фco. При завършване на ЦР дъгата е от последния към нулевия възел. Условието за спиране на генерациите (команда от горно ниво) също се проверява в нулевия възел, като при наличие на такова се предприема необходимата последователност от действия. Idle Continue Step control ampl. Step control phase Begin Stop Start S0 S1 S2 S3 Sn-2 Sn-1 Sn End of control cycle Фиг.1. Организация на изчислителния процес 296
В този смисъл (фиг.1.) S0 е началното състояние на ЦР, в което се очакват команди от горно ниво за започване или спиране на регулиране, S1 се изпълнява еднократно при започване на регулиране, а S2 и S3 осъществяват измерването и регулирането по амплитуда. Sn-2 и Sn-1 реализират измерването и регулирането по фаза, а Sn е крайното състояние, в което един ЦР завършва. Преходът от едно състояние в друго (или в същото състояние при многократно измерване и стъпково регулиране) се осъществява в началото на всеки ПМ при наличието на необходимите условия. Програмните модули, които изпълняват задачите, поставени пред ПСК са: Първоначално установяване инициализира портовете на микроконтролера и серийния канал, нулира работните клетки, зарежда необходимите за изчисленията хардуерно зависими коефициенти, организира системата от прекъсвания и инциализира таймерите, с които се измерват различните параметри на напрежението и тока; Високоприоритетно прекъсване за начало на ПМ сработва при всеки Usync и измерва периода на мрежата в микросекунди; Високоприоритетно прекъсване за начало на синусоидата на тока (Isync) измерва отместването на тока спрямо напрежението; Високоприоритетно прекъсване за подаване на сигнал за начало на генериране на изходен ток; Нископриоритетно прекъсване по таймер на всеки 250sec, в което се измерва текущата амплитуда на тока; Главна (фонова програма), в която с помощта на език от високо ниво [1] се извършват изчисленията и регулирането съобразно текущия ПМ. В нея могат да се обособят следните модули: - Изпълнение на контролни дейности, свързани с текущите състояния на ЦР, описан графично на фиг.1; - Комуникация с горно ниво (предмет на следваща работа); - Изчисляване на Ipv на измерения ток; - Изчисляване на Ico и Фco съобразно заданието от горно ниво; - Подаване на управляващите въздействия към изпълнителните звена на ГТ; - Интерпретатор на езика от високо ниво, позволяващ технологично описание на процеса [1]; - Подпрограми за: настройка на програмируемия усилвател, стъпково нулиране на аналоговия изход към ГТ, аритметични действия с плаваща и фиксирана запетая и др. Гореизброените програмни модули (процеси) работят синхронизирано в реално време, като комуникацията между тях се осъществява чрез семафори. По този начин са избегнати колизиите, дължащи се на еднопроцесорното им обслужване. 297
5. Заключение Гореописаният софтуер за ПСК управляващ ГТ позволява да се изчислява в реално време ефективна стойност и да се променят амплитудата и фазата на генерирания ток, да се осигурява плавно изменение на подаваните към ГТ амплитуда и фаза, и като цяло да се осъществява регулиране с точност не полоша от 0.5%. Литература: 1. Петров Е. Програмируеми специализирани контролери като вградени системи с разширени възможности. Дисертация, София, 2014г., ISBN 978-954-322-738-9 2. http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/datasheets/ad7849.pdf Цифрово-аналогов преобразувател 3. http://www.microchip.com/wwwproducts/en/pic18f4455 Микроконтролер 4. http://www.ni.com/white-paper/3782/en/pid закон за регулиране PROGRAMMABLE SPECIALIZED CONTROLLER FOR AN INTELLIGENT AC GENERATOR E. Petrov Abstract: The paper features some software aspects of programmable specialized controller for an intelligent monophase AC generator. The hardware structure and the principal control algorithm are described. The proposed structure and organization of software allow reliable and easy way of its building and debugging. Данни за авторa: Eмил Симеонов Петров, гл. асистент, д-р, инж. в секция Биотехнологични и уникални уреди, компоненти и системи при Институт по Системно Инженерство и Роботика БАН, Р. България, 1113 София, ул. Акад. Г. Бончев, бл.2, тел.: (+359 2) 979 6686, е-mail: epetroff@abv.bg 298