一種汽機(jī)控制器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供的汽機(jī)控制器采用雙冗余的控制器內(nèi)核，二者互為熱備份，即使某個控制器內(nèi)核發(fā)生故障時，也不會影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，從而提高了汽機(jī)控制器的可靠性；與停機(jī)相關(guān)的輸入/輸出信號設(shè)置為冗余輸入/輸出，避免由于單個信號的輸入/輸出失效導(dǎo)致的故障停機(jī)，進(jìn)一步提高了汽機(jī)控制器的可靠性；電源模塊采用塑封電源，由于集成度提高，整個汽機(jī)控制器功耗有很大降低，因此可以采用功率和體積較小的塑封電源，從而減小了汽機(jī)控制器的成本和體積；本實用新型提供的汽機(jī)控制器還包括伺服閥控制模塊，可適應(yīng)小型汽輪機(jī)和工業(yè)汽輪機(jī)的應(yīng)用，最大限度地增加了汽機(jī)控制器的可用度，而無須增加額外的設(shè)備，從而提高了汽機(jī)控制器的性價比。
【專利說明】一種汽機(jī)控制器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種汽機(jī)控制器，尤其涉及一種用于小型汽輪機(jī)系統(tǒng)的汽機(jī)控制器。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)已相當(dāng)成熟，如廣泛應(yīng)用于熱電廠中的汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(Turbine Digital Electric Hydraulic Control System,簡稱 DEH)。該系統(tǒng)主要功能包括:汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制、自動同期控制、負(fù)荷控制、閥位(單閥/多閥)控制、一次調(diào)頻、機(jī)/爐協(xié)調(diào)控制、快速減負(fù)荷等。
[0003]根據(jù)汽輪機(jī)事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計，汽輪機(jī)自動控制系統(tǒng)失效引起的停機(jī)次數(shù)約占汽輪機(jī)總停機(jī)次數(shù)的二分之一，而汽輪機(jī)自動控制系統(tǒng)失效引起的停機(jī)小時數(shù)約占汽輪機(jī)總停機(jī)小時數(shù)的二分之一，這表明自動控制系統(tǒng)是汽輪機(jī)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。
[0004]目前得到廣泛應(yīng)用的DHl系統(tǒng)，包含基本控制子系統(tǒng)、超速保護(hù)子系統(tǒng)、ATC子系統(tǒng)、操作員站等部件；基本控制子系統(tǒng)與超速保護(hù)子系統(tǒng)需要兩個標(biāo)準(zhǔn)控制機(jī)柜(標(biāo)準(zhǔn)控制機(jī)柜尺寸一般為700_X 700_X 2200mm)，ATC子系統(tǒng)需要一到兩個標(biāo)準(zhǔn)控制機(jī)柜，再加上若干操作員站，需要占用較大的空間。
[0005]針對小型汽輪機(jī)系統(tǒng)，在DE!H系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做了精簡，以下稱為簡易型DE!H系統(tǒng)，舍去了大機(jī)組上配備的ATC子系統(tǒng)，并相應(yīng)減小了伺服閥控制部分的規(guī)模；但是由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所限，機(jī)柜內(nèi)部的電源、開關(guān)箱、控制器等還是需要至少一個標(biāo)準(zhǔn)控制柜的空間。對于小型汽輪機(jī)的控制來說，雖然完成滿足了控制上的要求，仍需占用較大的空間，性價比不是很好。
[0006]因此本領(lǐng)域技術(shù)人員致力于提供可靠性高、性價比高的汽輪機(jī)自動控制系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實用新型提供一種汽機(jī)控制器，既能滿足一般的小型汽輪機(jī)控制要求和安全性，采用冗余結(jié)構(gòu)，提高汽機(jī)控制器的可靠性；同時又在成本和尺寸上大大降低，從而提高汽機(jī)控制器的性價比。
[0008]本實用新型提供一種汽機(jī)控制器，用于小型汽輪機(jī)，包括基本控制模塊、超速保護(hù)模塊、電源模塊以及機(jī)箱，其特征在于，汽機(jī)控制器還包括雙冗余的控制器內(nèi)核、組態(tài)模塊、FPGA模塊以及微控制器，其中，
[0009]基本控制模塊用于控制小型汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和快關(guān)；
[0010]超速保護(hù)模塊用于小型汽輪機(jī)的超速保護(hù)；
[0011]控制器內(nèi)核用于處理小型汽輪機(jī)的控制邏輯；
[0012]組態(tài)模塊用于實現(xiàn)所述基本控制模塊的控制邏輯；
[0013]FPGA模塊用于汽機(jī)控制器的輸入輸出信號與微控制器的連接；
[0014]微控制器用于汽機(jī)控制器的輸入輸出信號的處理以及超速保護(hù)模塊的算法處理。[0015]進(jìn)一步地，雙冗余的控制器內(nèi)核互為熱備份，當(dāng)一個控制器內(nèi)核發(fā)生故障時，另一個控制器內(nèi)核在一個控制周期內(nèi)接管控制邏輯。即使某個控制器內(nèi)核發(fā)生故障時，也不會影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，從而提高了汽機(jī)控制器的可靠性。
[0016]控制周期是指控制器內(nèi)核完成一次控制邏輯計算所需的時間。
[0017]進(jìn)一步地，汽機(jī)控制器中與停機(jī)相關(guān)的輸入信號設(shè)置為冗余輸入，避免由于單個信號的輸入失效導(dǎo)致的故障停機(jī)。
[0018]進(jìn)一步地，汽機(jī)控制器中與停機(jī)相關(guān)的輸出信號設(shè)置為冗余輸出，避免由于單個信號的輸出失效導(dǎo)致的故障停機(jī)。
[0019]進(jìn)一步地，冗余輸出配置為雙冗余或者三重冗余，可以根據(jù)現(xiàn)場情況，配置為不同的冗余方式。
[0020]進(jìn)一步地，汽機(jī)控制器還包括伺服閥控制模塊。伺服閥控制模塊包括兩路位置閉環(huán)控制，可適應(yīng)小型汽輪機(jī)和工業(yè)汽輪機(jī)的應(yīng)用，最大限度地增加了汽機(jī)控制器的可用度，而無須增加額外的設(shè)備，從而提高了汽機(jī)控制器的性價比。
[0021]進(jìn)一步地，汽機(jī)控制器可通過兩路10/100MbpS以太網(wǎng)通訊鏈路與工控機(jī)或者控制中心連接，可實現(xiàn)工控機(jī)對汽機(jī)控制器的本地監(jiān)控，或者控制中心對汽機(jī)控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)控；實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)收集，故障記錄，操作報警，I/o數(shù)據(jù)故障報警等附加功能。采用兩路10/100Mbps以太網(wǎng)通訊鏈路可以避免一路以太網(wǎng)發(fā)生故障時，對本地監(jiān)控或遠(yuǎn)程監(jiān)控的影響。
[0022]進(jìn)一步地，電源模塊采用塑封電源，由于汽機(jī)控制器的集成度提高，整個汽機(jī)控制器功耗有很大降低，因此可以采用功率和體積較小的塑封電源，從而減小了汽機(jī)控制器的成本和體積，相應(yīng)也提高了汽機(jī)控制器的可靠性。
[0023]進(jìn)一步地，塑封電源為LH40-10B05或者LH40-10B24。
[0024]進(jìn)一步地，機(jī)箱的長度為368mm，高度為252mm，尺寸上大幅縮減，僅為圖2所示簡易型DHl系統(tǒng)的1/10，從而提高汽機(jī)控制器的性價比；同時由于體積小，更便于在現(xiàn)場安裝。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型提供的汽機(jī)控制器具有以下有益效果:
[0026](I)采用雙冗余的控制器內(nèi)核，二者互為熱備份，即使某個控制器內(nèi)核發(fā)生故障時，也不會影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，從而提高了汽機(jī)控制器的可靠性；
[0027](2)與停機(jī)相關(guān)的輸入/輸出信號被設(shè)置為冗余輸入/輸出，避免由于單個信號的輸入/輸出失效導(dǎo)致的故障停機(jī)，進(jìn)一步提高了汽機(jī)控制器的可靠性；
[0028](3)電源模塊采用塑封電源，由于汽機(jī)控制器的集成度提高，整個汽機(jī)控制器功耗有很大降低，因此可以采用功率和體積較小的塑封電源，從而減小了汽機(jī)控制器的成本和體積，相應(yīng)也提高了汽機(jī)控制器的可靠性；
[0029](4)本實用新型提供的汽機(jī)控制器還包括伺服閥控制模塊，可適應(yīng)小型汽輪機(jī)和工業(yè)汽輪機(jī)的應(yīng)用，最大限度地增加了汽機(jī)控制器的可用度，而無須增加額外的設(shè)備，從而提高了汽機(jī)控制器的性價比。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本實用新型的一個實施例的汽機(jī)控制器的功能結(jié)構(gòu)框圖；[0031]圖2是簡易型DHl系統(tǒng)與圖1所示的汽機(jī)控制器在尺寸上的對比圖；
[0032]圖3是圖1所示的汽機(jī)控制器的詳細(xì)實施方案框圖；
[0033]圖4是圖1所示的汽機(jī)控制器進(jìn)行輸出冗余配置的示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施作更詳細(xì)的描述。
[0035]對于小型汽輪機(jī)，需要提供轉(zhuǎn)速控制、超速保護(hù)、伺服閥位置控制等基本功能。
[0036]如圖1所示，本實用新型的一個實施例的汽機(jī)控制器，包括雙冗余的控制器內(nèi)核、組態(tài)模塊、基本控制模塊、微控制器、FPGA模塊、超速保護(hù)模塊、伺服閥控制模塊和電源模塊；
[0037]雙冗余的控制器內(nèi)核為X86主機(jī)A和X86主機(jī)B，微控制器為MCU MB9AF114，F(xiàn)PGA模塊為XC3S250E ；
[0038]基本控制模塊用于控制小型汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和快關(guān)；
[0039]超速保護(hù)模塊用于小型汽輪機(jī)的超速保護(hù)；
[0040]控制器內(nèi)核用于處理小型汽輪機(jī)的控制邏輯；
[0041]組態(tài)模塊用于實現(xiàn)所述基本控制模塊的控制邏輯；
[0042]FPGA模塊用于汽機(jī)控制器的輸入輸出信號與微控制器的連接；
[0043]微控制器用于汽機(jī)控制器的輸入輸出信號的處理以及超速保護(hù)模塊的算法處理。
[0044]本實施例中的汽機(jī)控制器實現(xiàn)了汽輪機(jī)基本信號的檢測；實現(xiàn)了閥門閉環(huán)控制；實現(xiàn)了汽輪機(jī)的超速保護(hù)等，完全滿足小型汽輪機(jī)的控制要求；采用雙冗余的控制器內(nèi)核，提高了汽機(jī)控制器的可靠性。
[0045]本實施例中的汽機(jī)控制器還包括了伺服閥控制模塊，伺服閥控制模塊包括兩路位置閉環(huán)控制，可適應(yīng)小型汽輪機(jī)和工業(yè)汽輪機(jī)的應(yīng)用，最大限度地增加了汽機(jī)控制器的可用度，而無須增加額外的設(shè)備，從而提高了汽機(jī)控制器的性價比。
[0046]雙冗余的控制器內(nèi)核，X86主機(jī)A和X86主機(jī)B互為熱備份，當(dāng)一個控制器內(nèi)核發(fā)生故障時，另一個控制器內(nèi)核在一個控制周期內(nèi)接管控制邏輯。即使某個控制器內(nèi)核發(fā)生故障時，也不會影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，從而提高了汽機(jī)控制器的可靠性。
[0047]本實施例中的汽機(jī)控制器中，與停機(jī)相關(guān)的輸入信號設(shè)置為冗余輸入，例如轉(zhuǎn)速信號、功率信號為三重冗余的輸入方式，以避免由于單個信號的輸入失效導(dǎo)致的故障停機(jī)。冗余輸入也可以采用雙冗余方式。
[0048]本實施例中的汽機(jī)控制器中，與停機(jī)相關(guān)的輸出信號設(shè)置為冗余輸出，例如跳機(jī)信號，以避免由于單個信號的輸出失效導(dǎo)致的故障停機(jī)。
[0049]如圖4所示，本實施例中的汽機(jī)控制器中，跳機(jī)信號的冗余輸出可以根據(jù)現(xiàn)場情況，通過選擇器配置為雙冗余或者三重冗余，即配置為不同的冗余方式?？刂破鲀?nèi)核中有配置文件，可以選擇跳機(jī)信號在8個繼電器上任意位置輸出。利用這個功能，可能實現(xiàn)跳機(jī)信號輸出的雙冗余或三選二冗余，以避免繼電器失效而導(dǎo)致的故障擴(kuò)大。
[0050]采取上述提高可靠性的措施，使得本實施例中的汽機(jī)控制器，在可靠性上不低于DHl系統(tǒng)。
[0051]組態(tài)模塊是基于Windows核心，結(jié)合圖形顯示、網(wǎng)絡(luò)、多媒體等先進(jìn)技術(shù)，使用國際標(biāo)準(zhǔn)的圖形組態(tài)語言，具有極大的方便性、直觀性?；诮M態(tài)模塊，可以靈活實現(xiàn)汽機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、負(fù)荷控制等功能；而直接由DHl系統(tǒng)移植多來的汽輪機(jī)主要環(huán)節(jié)的控制邏輯又保證的控制算法的正確和可靠性。組態(tài)模塊實現(xiàn)了圖形化處理，用戶可預(yù)設(shè)不同權(quán)限，以支持在線修改控制算法或僅瀏覽算法等不同的需求。
[0052]超速保護(hù)模塊包括:超過汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速103%的關(guān)閉閥門保護(hù)，和超過汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速110%的停機(jī)保護(hù)，防止汽輪機(jī)因設(shè)備故障而造成飛車事故。三重冗余輸入的轉(zhuǎn)速信號，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的保護(hù)值，在20ms內(nèi)發(fā)出關(guān)閉閥門或停機(jī)信號。
[0053]伺服閥控制模塊采用微控制器MB9AF114作為伺服閥控制算法的核心，將PID閉環(huán)調(diào)節(jié)數(shù)字化，可以方便的實現(xiàn)反饋錯誤檢測、故障切除、比例/積分參數(shù)在線修改等功能。
[0054]本實施例中的汽機(jī)控制器，可通過兩路10/100MbpS以太網(wǎng)通訊鏈路與工控機(jī)或者控制中心連接，可實現(xiàn)工控機(jī)對汽機(jī)控制器的本地監(jiān)控，或者控制中心對汽機(jī)控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)控；實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)收集，故障記錄，操作報警，I/o數(shù)據(jù)故障報警等附加功能。采用兩路10/100MbpS以太網(wǎng)通訊鏈路可以避免一路以太網(wǎng)發(fā)生故障時，對本地監(jiān)控或遠(yuǎn)程監(jiān)控的影響。
[0055]控制器內(nèi)核X86主機(jī)A和X86主機(jī)B的參數(shù)為DM&P SoC CPU Vortex86DX_800MHz/板載 128MB/256MB DDR2 內(nèi)存，內(nèi)置 10/100Mbps EtherNet LAN、USB、RS232 等外設(shè)，并可外擴(kuò)ISA/PCI總線。控制器內(nèi)核的性能和資源沒有縮減，但是體積卻減小到了 70x70mm。
[0056]電源模塊采用塑封電源，由于汽機(jī)控制器的集成度提高，整個汽機(jī)控制器功耗大大降低，因此可以采用功率和體積較小的塑封電源，從而減小了汽機(jī)控制器的成本和體積，提高了汽機(jī)控制器的性價比，相應(yīng)也提高了汽機(jī)控制器的可靠性。
[0057]塑封電源采用LH40-10B05 或者 LH40-10B24。
[0058]圖2是簡易型EffiH系統(tǒng)與本實用新型的一個實施例的汽機(jī)控制器在尺寸上的對比圖，本實施例中的汽機(jī)控制器的機(jī)箱的長度為368mm，高度為252mm，尺寸上大幅縮減，僅為簡易型EffiH系統(tǒng)的1/10，簡易型EffiH系統(tǒng)至少需要一個700mm X 700mm X 2200mm機(jī)柜，另外還需要配置操作員站及相應(yīng)的操作臺；本實施例中的汽機(jī)控制器的尺寸僅為368mmX252mmX 180mm,因此提高汽機(jī)控制器的性價比；同時由于體積小，更便于在現(xiàn)場安裝。
[0059]如圖3所示，本實施例的汽機(jī)控制器采用ICOP公司的32位X86主板(DM&P SoCCPU Vortex86DX-800MHz/板載 128MB/256MB DDR2 內(nèi)存，內(nèi)置 10/100Mbps EtherNet LAN、USB、RS232等外設(shè))作為控制器內(nèi)核，采用雙冗余熱備份配置。采用FUJITSU公司ARMCortex-M3系列微控制器MB9AF114作為1/0控制芯片。采用Xilinx公司的XC3S250E，實現(xiàn)兩個控制器內(nèi)核與微控制器之間的ISA總線和EMIF總線的互聯(lián)互通。1/0部分電路中，模擬量輸入使用TI公司的16位A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8320用于讀取實際的閥位信號。通過電子開關(guān)陣列、儀用運(yùn)放等芯片將閥位信號轉(zhuǎn)換為A/D芯片可接受的電壓，實現(xiàn)對外部閥門位置信號、蒸汽壓力、汽機(jī)溫度等信號的采樣。本實用新型使用TI公司的DAC7311作為伺服閥控制信號輸出數(shù)模轉(zhuǎn)化器，且每一路輸出都實現(xiàn)隔離，大大提高輸出的抗干擾性能和可靠性。
[0060]本實用新型提供的汽機(jī)控制器采用雙冗余的控制器內(nèi)核，二者互為熱備份，即使某個控制器內(nèi)核發(fā)生故障時，也不會影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，從而提高了汽機(jī)控制器的可靠性；與停機(jī)相關(guān)的輸入/輸出信號設(shè)置為冗余輸入/輸出，避免由于單個信號的輸入/輸出失效導(dǎo)致的故障停機(jī)，進(jìn)一步提高了汽機(jī)控制器的可靠性；電源模塊采用塑封電源，由于汽機(jī)控制器的集成度提高，整個汽機(jī)控制器功耗有很大降低，因此可以采用功率和體積較小的塑封電源，從而減小了汽機(jī)控制器的成本和體積，相應(yīng)也提高了汽機(jī)控制器的可靠性；本實用新型提供的汽機(jī)控制器還包括伺服閥控制模塊，可適應(yīng)小型汽輪機(jī)和工業(yè)汽輪機(jī)的應(yīng)用，最大限度地增加了汽機(jī)控制器的可用度，而無須增加額外的設(shè)備，從而提高了汽機(jī)控制器的性價比。
[0061]以上詳細(xì)描述了本實用新型的較佳具體實施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本實用新型的構(gòu)思做出諸多修改和變化。因此，凡本【技術(shù)領(lǐng)域】中技術(shù)人員依本實用新型的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種汽機(jī)控制器，用于小型汽輪機(jī)，包括基本控制模塊、超速保護(hù)模塊、電源模塊以及機(jī)箱，其特征在于，所述汽機(jī)控制器還包括雙冗余的控制器內(nèi)核、組態(tài)模塊、FPGA模塊以及微控制器，其中， 所述基本控制模塊用于控制所述小型汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和快關(guān)； 所述超速保護(hù)模塊用于所述小型汽輪機(jī)的超速保護(hù)； 所述控制器內(nèi)核用于處理所述小型汽輪機(jī)的控制邏輯； 所述組態(tài)模塊用于實現(xiàn)所述基本控制模塊的控制邏輯； 所述FPGA模塊用于所述汽機(jī)控制器的輸入輸出信號與所述微控制器的連接； 所述微控制器用于所述汽機(jī)控制器的輸入輸出信號的處理以及所述超速保護(hù)模塊的算法處理。
2.如權(quán)利要求1所述的汽機(jī)控制器，其特征在于，雙冗余的所述控制器內(nèi)核互為熱備份，當(dāng)一個所述控制器內(nèi)核發(fā)生故障時，另一個所述控制器內(nèi)核在一個控制周期內(nèi)接管控制邏輯。
3.如權(quán)利要求1所述的汽機(jī)控制器，其特征在于，所述汽機(jī)控制器中與停機(jī)相關(guān)的輸入信號設(shè)置為冗余輸入。
4.如權(quán)利要求1所述的汽機(jī)控制器，其特征在于，所述汽機(jī)控制器中與停機(jī)相關(guān)的輸出信號設(shè)置為冗余輸出。
5.如權(quán)利要求4所述的汽機(jī)控制器，其特征在于，所述冗余輸出配置為雙冗余或者三重冗余。
6.如權(quán)利要求1所述的汽機(jī)控制器，其特征在于，所述汽機(jī)控制器還包括伺服閥控制模塊。
7.如權(quán)利要求1所述的汽機(jī)控制器，其特征在于，所述汽機(jī)控制器可通過兩路10/100Mbps以太網(wǎng)通訊鏈路與工控機(jī)或者控制中心連接。
8.如權(quán)利要求1所述的汽機(jī)控制器，其特征在于，所述電源模塊采用塑封電源。
9.如權(quán)利要求8所述的汽機(jī)控制器，其特征在于，所述塑封電源為LH40-10B05或者LH40-10B24。
10.如權(quán)利要求1所述的汽機(jī)控制器，其特征在于，所述機(jī)箱的長度為368mm，高度為252mm0
【文檔編號】F01D21/00GK203640777SQ201320855635
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】蔣杰, 汪德全 申請人:上海新華控制技術(shù)集團(tuán)科技有限公司