專(zhuān)利名稱(chēng)：一種新型多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及汽輪機(jī)保安系統(tǒng)領(lǐng)域，尤指汽輪機(jī)保安系統(tǒng)中的測(cè)速及超速保護(hù)組 件， 一種新型多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板。
背景技術(shù)：
汽輪機(jī)超速事故是汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備破壞性最大的事故，超速事故的發(fā)生往往會(huì)產(chǎn) 生毀滅性的后果，為此所有的汽輪機(jī)均設(shè)置了超速保護(hù)裝置，在經(jīng)歷了傳統(tǒng)機(jī)械式危急 遮斷裝置、機(jī)械式危急遮斷裝置與采用DEH高壓抗燃油技術(shù)的電氣超速保護(hù)裝置并存 以及完全采用電氣超速保護(hù)三個(gè)階段后，目前的汽輪機(jī)超速保護(hù)系統(tǒng)基本都采用電氣與 機(jī)械超速保護(hù)并存。在電氣超速保護(hù)裝置中，汽輪機(jī)超速保護(hù)模板就是控制的核心部件。 目前常見(jiàn)的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板功能均比較單一，且有的模板在低速測(cè)量時(shí)并不準(zhǔn) 確，而低轉(zhuǎn)速測(cè)量性能是衡量其性能的重要指標(biāo)之一，同時(shí)由于目前市面上的汽輪機(jī)超 速保護(hù)模板多是國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格昂貴，售后維修困難。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是在保證和同類(lèi)汽輪機(jī)超速保護(hù)模板相比，可以可靠實(shí)現(xiàn)防止汽 輪機(jī)發(fā)生超速事故的前提下提高模板的性能指標(biāo)，增強(qiáng)功能、提高集成度同時(shí)降低成本。 本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下
一種新型多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板，包括信號(hào)處理系統(tǒng)和電 源子系統(tǒng)，其特征在于所述信號(hào)處理系統(tǒng)包括速度信號(hào)調(diào)理模塊、電流信號(hào)調(diào)理模塊、 ADC模塊、DAC模塊、MCU模塊、CPLD模塊、繼電器控制模塊、數(shù)碼顯示模塊；所述速 度信號(hào)調(diào)理模塊中設(shè)置有磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號(hào)采集處理電路，并 與ADC模塊連接；所述DAC模塊、繼電器控制模塊與用于控制ADC模塊采樣頻率的CPLD 模塊連接；所述CPLD模塊與MCU模塊通過(guò)SPI連接；所述數(shù)碼顯示模塊與MCU模塊通 過(guò)UART相連。
所述ADC模塊是模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，DAC模塊是數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，MCU模塊是單片機(jī),CPLD 模塊是編程邏輯控制模塊，SPI就i全雙工同步通信接口， UART就是異步串行通信接口。 所述MCU模塊包括傳輸信號(hào)的MCU硬件模塊和處理信號(hào)的MCU軟件模塊。 所述速度信號(hào)調(diào)理模塊包括頻率信號(hào)整波電路、精密放大電路、鎖相環(huán)電路，所述
鎖相環(huán)電路和磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號(hào)采集處理電路連接。 所述電流信號(hào)調(diào)理模塊由采用隔離放大處理的四個(gè)模塊組成。 所述繼電器控制模塊包括四個(gè)繼電器。
所述MCU硬件模塊包括用于MCU軟件模塊計(jì)算時(shí)擴(kuò)展數(shù)據(jù)空間的電可擦除可編程只 讀存儲(chǔ)器EEROM電路和用于靜態(tài)保存必需工作參數(shù)的非易失性鐵電存儲(chǔ)器FRAM電路。 由MCU軟件模塊對(duì)MCU硬件模塊經(jīng)CPLD模塊采集到的速度信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行計(jì)算并 判斷速度是否超限、加速度是否超限、功率、負(fù)荷的平衡情況，再控制DAC模塊輸出和 繼電器控制模塊的繼電器動(dòng)作。
所述磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器為跳線選擇配置。速度信號(hào)調(diào)理模塊中 同時(shí)配置的磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號(hào)采集處理電路，將采集到的速度 信號(hào)經(jīng)整波、放大處理后同時(shí)送入ADC模塊和鎖相環(huán)電路，經(jīng)電流信號(hào)調(diào)理模塊調(diào)理過(guò) 的電流信號(hào)直接送入ADC模塊，再把經(jīng)ADC模塊和鎖相環(huán)電路處理后的信號(hào)送入CPLD 模塊。
所述模板為兩路24VDC電源供電，所述電源子系統(tǒng)由兩個(gè)直流變直流(不同直流電 源值的轉(zhuǎn)換)的DC-DC總電源變換模塊和六個(gè)隔離DC-DC電源模塊組成。 本發(fā)明的有益效果如下
本實(shí)用新型整個(gè)模板采用的是模塊化設(shè)計(jì)，提高了模板的集成度及抗干擾性，能可 靠實(shí)現(xiàn)防止汽輪機(jī)發(fā)生超速事故的前提下提高模板的性能指標(biāo)，增強(qiáng)功能、提高集成度， 同時(shí)還可降低生產(chǎn)成本；保證了外接不同種類(lèi)速度傳感器的需求，提高了模板的信號(hào)處 理能力；模板采用兩路24VDC電源供電，任意一路電源故障，不影響模板正常工作，電 源子系統(tǒng)由兩個(gè)DC-DC總電源變換模塊和六個(gè)隔離DC-DC電源模塊組成，保證了電流信 號(hào)調(diào)理模塊、DAC模塊、繼電器控制模塊與模板模擬、數(shù)字通道之間的工作獨(dú)立性，提 高了模板的工作安全性。

圖1為本實(shí)用新型汽輪機(jī)超速保護(hù)模板的結(jié)構(gòu)框圖 圖2為本實(shí)用新型汽輪機(jī)超速保護(hù)模板的硬件結(jié)構(gòu)圖 圖3為本實(shí)用新型渦流速度傳感器信號(hào)處理具體電路圖 圖4為本實(shí)用新型轉(zhuǎn)速信號(hào)整波放大處理具體電路圖 圖5為本實(shí)用新型鎖相環(huán)分頻鎖相處理具體電路圖 圖6為本實(shí)用新型電流信號(hào)采集隔離處理具體電路圖
圖7為本實(shí)用新型AD轉(zhuǎn)換處理具體電路圖
圖8為本實(shí)用新型MUC、 CPLD、擴(kuò)展EEROM及擴(kuò)展SRAM連接具體電路圖
圖9為本實(shí)用新型DA轉(zhuǎn)換處理具體電路圖
圖10為本實(shí)用新型繼電器驅(qū)動(dòng)具體電路圖
圖11為本實(shí)用新型液晶顯示及報(bào)警指示具體電路圖
圖12為本實(shí)用新型軟件濾波算法原理圖
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l
如圖1所示， 一種新型多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板，采用模塊 化設(shè)計(jì)，提高了模板的集成度及抗干擾性等，本模板包括信號(hào)處理系統(tǒng)和電源子系統(tǒng)10， 所述信號(hào)處理系統(tǒng)包括速度信號(hào)調(diào)理模塊l、電流信號(hào)調(diào)理模塊2、 ADC模塊3、 DAC模 塊4、 MCU模塊、CPLD模塊5、繼電器拷制模塊6、數(shù)碼顯示模塊7;為了實(shí)現(xiàn)模板對(duì)不 同類(lèi)型速度傳感器的適應(yīng)性，提高其信號(hào)處理能力，所述速度信號(hào)調(diào)理模塊l中設(shè)置有 磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號(hào)采集處理電路，并與ADC模塊3連接；所述 DAC模塊4、繼電器控制模塊6與用于控制ADC模塊3采樣頻率的CPLD模塊5連接；所 述CPLD模塊5與MCU模塊通過(guò)SPI連接；所述數(shù)碼顯示模塊7與MCU模塊通過(guò)UART相 連。
所述MCU模塊包括傳輸信號(hào)的MCU硬件模塊8和處理信號(hào)的MCU軟件模塊9。 所述速度信號(hào)調(diào)理模塊1包括頻率信號(hào)整波電路11、精密放大電路12、鎖相環(huán)電 路13，所述鎖相環(huán)電路13和磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號(hào)采集處理電路連接。
所述電流信號(hào)調(diào)理模塊2由采用隔離放大處理的四個(gè)模塊組成。 所述繼電器控制模塊6包括四個(gè)繼電器。
所述MCU硬件模塊8包括用于MCU軟件模塊9計(jì)算時(shí)擴(kuò)展數(shù)據(jù)空間的電可擦除可編 程只讀存儲(chǔ)器EER0M電路和用于靜態(tài)保存必需工作參數(shù)的非易失性鐵電存儲(chǔ)器FRAM電 路。由MCU軟件模塊9對(duì)MCU硬件模塊8經(jīng)CPLD模塊5采集到的速度信號(hào)和電流信號(hào) 進(jìn)行計(jì)算并判斷速度是否超限、加速度是否超限、功率、負(fù)荷的平衡情況，再控制DAC 模塊4輸出和繼電器控制模塊6的繼電器動(dòng)作。
所述磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器為跳線選擇配置。速度信號(hào)調(diào)理模塊1 中同時(shí)配置的磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號(hào)采集處理電路，將采集到的速
度信號(hào)經(jīng)整波、放大處理后同時(shí)送入ADC模塊3和鎖相環(huán)電路13，經(jīng)電流信號(hào)調(diào)理模塊 2調(diào)理過(guò)的電流信號(hào)直接送入ADC模塊3，再把經(jīng)ADC模塊3和鎖相環(huán)電路13處理后的
信號(hào)送入CPLD模塊5。
所述模板采用兩路24VDC電源供電，任意一路電源故障，不影響模板正常工作，電 源子系統(tǒng)10是由兩個(gè)DC-DC總電源變換模塊和六個(gè)隔離DC-DC電源模塊以及幾組電源 變換電路組成，保證了電流信號(hào)調(diào)理模塊、DAC模塊、繼電器控制模塊與模板模擬、 數(shù)字通道之間的工作獨(dú)立性，提高了模板的工作安全性。 實(shí)施例2
一種新型多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板，為實(shí)現(xiàn)新增判斷功率、 負(fù)荷不平衡的功能，模板配置了四路電流信號(hào)接收、調(diào)理電路用于接收傳輸過(guò)來(lái)的分別 表示三路中排壓力、 一路電功率的4-20mA電流信號(hào)，且每路處理電路均采用隔離處理， 保證了其工作的獨(dú)立性，提高了可靠性，采集到的電流信號(hào)經(jīng)ADC模塊3模數(shù)轉(zhuǎn)換后送 入MCU軟件模塊9進(jìn)行計(jì)算作出判斷。
為提高模板的整體處理能力及響應(yīng)速度，模板釆用了高性能快速的16位單片機(jī)和 高性能的可編程邏輯陣列CPLD模塊5構(gòu)成控制核心，該控制核心訪問(wèn)速度極快，同時(shí) 通過(guò)CPLD模塊5豐富的I/O 口，可簡(jiǎn)化模板電路，提高模板的集成度，從而增強(qiáng)模板 可靠性。
為達(dá)到甚至超過(guò)同類(lèi)模板測(cè)速上的性能，模板采用專(zhuān)用16位A/D芯片配MCU內(nèi)部 高速工作單元對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)進(jìn)行采樣及處理，同時(shí)在MCU軟件模塊9內(nèi)采用了獨(dú)特 的軟件濾波算法，有效的提高了轉(zhuǎn)速的測(cè)量范圍及精度，可實(shí)現(xiàn)1-5500轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確測(cè)量。
同時(shí)該模板配備了 DAC模塊4電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的4-20mA電流信號(hào)輸出，以 供其他組件對(duì)轉(zhuǎn)速的獲取。
模板配置的繼電器控制模塊6共含四路繼電器輸出電路，外接線輸出均采用繼電器 千節(jié)點(diǎn)輸出模式，保證在不同類(lèi)型報(bào)警情況出現(xiàn)時(shí)給出不同的報(bào)警控制信號(hào)。
為了提高模板的的使用便利性及狀態(tài)可視性，模板配置了數(shù)碼顯示模塊7，該模塊 采用高速的8位PIC單片機(jī)作為控制核心與模板MCU通過(guò)串行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可實(shí) 時(shí)、穩(wěn)定的顯示轉(zhuǎn)速(單位轉(zhuǎn)/分，rpm)以及指示響應(yīng)的報(bào)警燈。
模板采用兩路24VDC電源供電，任意一路電源故障，不影響模板正常工作，電源子 系統(tǒng)10是由兩個(gè)DC-DC總電源變換模塊和六個(gè)隔離DC-DC電源模塊以及幾組電源變換 電路組成，保證了電流信號(hào)調(diào)理模塊l、 DAC模塊4、繼電器控制模塊6與模板模擬、數(shù)
字通道之間的工作獨(dú)立性，提高了模板的工作安全性。 實(shí)施例3
如圖2所示，本實(shí)用新型采用一套電路板，在該電路板上集成有隔離放大調(diào)理電路 (即電流信號(hào)調(diào)理電路)2、精密放大電路ll、整波電路12、鎖相環(huán)電路13、 ADC模數(shù) 轉(zhuǎn)換電路3、 CPLD電路5、 MCU電路、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換電路4、繼電器控制電路6、存儲(chǔ)器 擴(kuò)展電路、PIC單片機(jī)及液晶顯示電路(即數(shù)碼顯示模塊7)。
渦流傳感器信號(hào)在接入模板后需要先進(jìn)行整波處理，調(diào)理出可供其他電路處理的穩(wěn) 定波形，具體電路圖如圖3所示。
模板通過(guò)跳線J10選擇是處理渦流傳感器信號(hào)還是處理磁阻傳感器信號(hào)，然后對(duì)信 號(hào)經(jīng)儀表放大器AD620放大處理，再對(duì)放大過(guò)的信號(hào)由運(yùn)放OP07及雙運(yùn)放0PA2364進(jìn) 行信號(hào)的平移處理，因?yàn)锳D的比較電壓為2.5V，為了配合模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD73360采集 需求，所以需要把采集到的信號(hào)平移到2.5V左右，同時(shí)經(jīng)AD620放大處理的信號(hào)再由 雙運(yùn)放0PA2364、電壓比較器LM311、緩沖器2G34、光藕TLP115A組成的電路進(jìn)行濾波、 整形、平移處理，然后輸出給鎖相環(huán)電路，如圖4所示。
鎖相環(huán)電路是把經(jīng)模擬電路處理后的信號(hào)整形及對(duì)信號(hào)進(jìn)行8分頻后再傳輸給 CPU，在保證信號(hào)質(zhì)量的同時(shí)，大的分頻數(shù)可以降低CPU的負(fù)荷，具體電路圖如圖5所 示。
對(duì)于輸入到模板上的四路4-20mA電流信號(hào)均需要進(jìn)行隔離放大處理，然后再輸入 到AD芯片，具體電路圖如圖6所示。
AD芯片對(duì)經(jīng)處理過(guò)的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過(guò)CPLD (EPM7128STC100-10)以SPI 總線方式傳輸給CPU處理，如圖7所示。
MCU采用的是Infineon公司先進(jìn)的高檔16位單片機(jī)XC16化S，同時(shí)擴(kuò)展了一片 EER(M (CYZC1021)和一片F(xiàn)RAM (FM26640), MCU與CPLD之間通過(guò)SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交 換，如圖8。
對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速值的4-20mA電流信號(hào)，由MCU經(jīng)CPLD控制16位DA芯片(AD420)輸出， 具體電路如圖9所示。
繼電器報(bào)警信號(hào)，由MCU經(jīng)CPLD控制相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，如圖10所示。
通過(guò)TXD、 RXD串口把相應(yīng)的轉(zhuǎn)速值及報(bào)警信息傳輸給由PIC芯片(PIC18F2520) 及狀態(tài)指示燈等組成的顯示電路，電路如圖ll所示。
對(duì)于轉(zhuǎn)速的計(jì)算采用了 IIR型數(shù)字濾波器的原理進(jìn)行軟件濾波處理，原理如下
2個(gè)式所示<formula>formula see original document page 8</formula>
其中<formula>formula see original document page 8</formula> 對(duì)于每一個(gè)二階基本節(jié)，可以轉(zhuǎn)置直接
II型結(jié)構(gòu)加以實(shí)現(xiàn)，原理圖如圖12所示，所表示為差分方程的形式如下
<formula>formula see original document page 8</formula> 本發(fā)明多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板與傳統(tǒng)汽輪機(jī)超速保護(hù)模
板相比區(qū)別在于在保證能可靠實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)超速保護(hù)功能的前提下，提高了轉(zhuǎn)速的測(cè)量 精度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了適用不同種類(lèi)速度傳感器的需求，并且增加了功率、負(fù)荷不平衡判斷 功能及增加了數(shù)碼顯示功能，以及提供了穩(wěn)定的干接點(diǎn)報(bào)警保護(hù)信號(hào)輸出。
權(quán)利要求1、一種新型多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板，包括信號(hào)處理系統(tǒng)和電源子系統(tǒng)(10)，其特征在于所述信號(hào)處理系統(tǒng)包括信號(hào)處理系統(tǒng)包括速度信號(hào)調(diào)理模塊(1)、電流信號(hào)調(diào)理模塊(2)、ADC模塊(3)、DAC模塊(4)、MCU模塊、CPLD模塊(5)、繼電器控制模塊(6)、數(shù)碼顯示模塊(7)；所述速度信號(hào)調(diào)理模塊(1)中設(shè)置有磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號(hào)采集處理電路，并與ADC模塊(3)連接；所述DAC模塊(4)、繼電器控制模塊(6)與用于控制ADC模塊(3)采樣頻率的CPLD模塊(5)連接；所述CPLD模塊(5)與MCU模塊通過(guò)SPI連接；所述數(shù)碼顯示模塊(7)與MCU模塊通過(guò)UART相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模 板，其特征在于包括所述MCU模塊包括傳輸信號(hào)的MCU硬件模塊(8)和處理信號(hào)的 MCU軟件模塊(9)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板， 其特征在于所述速度信號(hào)調(diào)理模塊(1)包括頻率信號(hào)整波電路(11)、精密放大電路(12)、鎖相環(huán)電路(13)，所述鎖相環(huán)電路(13)和磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳 感器信號(hào)采集處理電路連接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板， 其特征在于所述電流信號(hào)調(diào)理模塊(2)由采用隔離放大處理的四個(gè)模塊組成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板， 其特征在于所述繼電器控制模塊(6)包括四個(gè)繼電器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板， 其特征在于所述MCU硬件模塊(8)包括用于MCU軟件模塊(9)計(jì)算時(shí)擴(kuò)展數(shù)據(jù)空間 的電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EEROM電路和用于靜態(tài)保存必需工作參數(shù)的非易失性鐵電 存儲(chǔ)器FRAM電路。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板， 其特征在于所述磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器為跳線選擇配置。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板， 其特征在于所述模板為兩路24VDC電源供電，所述電源子系統(tǒng)(10)是由兩個(gè)直流 變直的DC-DC總電源變換模塊和六個(gè)隔離DC-DC電源模塊組成。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種新型多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板，包括信號(hào)處理系統(tǒng)和電源子系統(tǒng)，其特征在于所述信號(hào)處理系統(tǒng)包括速度信號(hào)調(diào)理模塊、電流信號(hào)調(diào)理模塊、ADC模塊、DAC模塊、MCU模塊、CPLD模塊、繼電器控制模塊、數(shù)碼顯示模塊；速度信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)有磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號(hào)采集處理電路，與ADC模塊和鎖相環(huán)電路連接；DAC模塊、繼電器控制模塊與CPLD模塊連接；CPLD模塊與MCU模塊通過(guò)SPI全雙工同步通信接口連接；數(shù)碼顯示模塊與MCU模塊通過(guò)UART異步串行通信接口相連，并且通過(guò)通信接口與數(shù)碼顯示模塊連接；本模板采用模塊化設(shè)計(jì)，提高了模板集成度、抗干擾性和模板的性能指標(biāo)，增強(qiáng)功能、提高集成度，同時(shí)降低生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)F01D21/02GK201057059SQ200720080099
公開(kāi)日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2007年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月27日
發(fā)明者曾光明, 滔 游, 閔澤生 申請(qǐng)人:四川東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司