本實(shí)用新型涉及船舶汽輪機(jī)自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域,特別是一種基于單片機(jī)的汽輪機(jī)安全保護(hù)裝置。
背景技術(shù):
汽輪機(jī)是高速旋轉(zhuǎn)的大型精密動(dòng)力設(shè)備,汽輪機(jī)的啟停和正常運(yùn)行中的許多因素都會(huì)引起機(jī)組狀態(tài)的變化,如不對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)視和準(zhǔn)確的控制保護(hù),極可能造成設(shè)備的損壞,甚至帶來災(zāi)難性的后果。目前,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展,使資源達(dá)到充分共享,實(shí)現(xiàn)集中、高效、便利的管理是必然的趨勢,這也對(duì)汽輪機(jī)控制的自動(dòng)化水平,系統(tǒng)集成度提出了更多、更高的要求。近年來,西方國家正在研究開發(fā)新型的、開放性更高的平臺(tái),研究并力圖推行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊,對(duì)大型汽輪機(jī)組不僅可以在線故障檢測、利用專家系統(tǒng)對(duì)故障進(jìn)行評(píng)估,還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和診斷。相比國際上的先進(jìn)技術(shù),目前國內(nèi)汽輪機(jī)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)還有很多功能尚不完善,其智能化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化等發(fā)展水平亦有一定的差距。因此,如何將汽輪機(jī)各種設(shè)備整合在一個(gè)具有高度智能化的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),如何把汽輪機(jī)數(shù)據(jù)信息高度集成和共享,是國內(nèi)汽輪機(jī)安全保護(hù)技術(shù)所需要突破的難題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是:汽輪機(jī)一般由監(jiān)測控制系統(tǒng)保護(hù)其設(shè)備的運(yùn)行安全,這種系統(tǒng)架構(gòu)忽視了汽輪機(jī)監(jiān)控設(shè)備自身故障的隱患?;趩纹瑱C(jī)構(gòu)建模塊化的汽輪機(jī)安全保護(hù)裝置,其獨(dú)立于汽輪機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),設(shè)置以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)通訊。其通過連續(xù)、有效的監(jiān)視汽輪機(jī)主要運(yùn)行參數(shù),當(dāng)參數(shù)超過極限允許值時(shí),能夠輸出及時(shí)可靠的停機(jī)動(dòng)作,避免事故發(fā)生,確保機(jī)組安全;同時(shí)接受越控指令,在某些緊急情況下忽略停機(jī)故障,使汽輪機(jī)持續(xù)運(yùn)行。
本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案:
本實(shí)用新型提供的基于單片機(jī)的汽輪機(jī)安全保護(hù)裝置,其獨(dú)立于汽輪機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng);該裝置設(shè)有輸入信號(hào)調(diào)理接口電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、數(shù)字量輸出接口電路和通信接口電路,各電路封裝在置于汽輪機(jī)安全保護(hù)裝置控制柜內(nèi)的同一電路板上;所述輸入信號(hào)調(diào)理接口電路將汽輪機(jī)越控信號(hào)和其運(yùn)行參數(shù)信號(hào)變送和調(diào)理后輸入至單片機(jī)最小系統(tǒng)電路;單片機(jī)最小系統(tǒng)電路輸出分為兩路,分別與數(shù)字量輸出接口電路和通信接口電路相連,其中數(shù)字量輸出接口電路又與柜外停機(jī)電磁閥、蜂鳴器和報(bào)警燈相連,通信接口電路通過以太網(wǎng)完成與監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信,對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。
所述的輸入信號(hào)調(diào)理接口電路,包括數(shù)字量接口電路、位移信號(hào)接口電路、熱電阻溫度信號(hào)調(diào)理接口電路、壓力信號(hào)調(diào)理接口電路和磁電式轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理接口電路,所述數(shù)字量接口電路接收汽輪機(jī)停機(jī)越控信號(hào);位移信號(hào)接口電路過濾去主汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸向位移信號(hào)的雜波;熱電阻溫度信號(hào)調(diào)理接口電路接收傳感器測得的汽輪機(jī)軸承溫度信號(hào)和主汽輪機(jī)機(jī)組滑油溫度信號(hào);壓力信號(hào)調(diào)理接口電路接收傳感器測得的主汽輪機(jī)機(jī)組滑油總管壓力信號(hào);磁電式轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理接口電路接收傳感器測得的主汽輪機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)。
所述的數(shù)字量接口電路采用光耦PC817器件。
所述的位移信號(hào)接口電路采用LM358構(gòu)成巴特沃斯二階濾波電路,濾除汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸向位移信號(hào)中夾雜的高頻干擾信號(hào),輸出電壓信號(hào)至單片機(jī)最小系統(tǒng)電路。
所述的熱電阻溫度信號(hào)調(diào)理接口電路采用恒流源式測溫電路,恒流源為熱電阻提供激勵(lì)電流,熱電阻接在對(duì)應(yīng)電路之間,對(duì)應(yīng)0~200℃的電壓信號(hào)輸出。
所述的壓力信號(hào)調(diào)理接口電路采用150Ω1‰精密電阻將傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),在后端利用INA118構(gòu)成的放大電路調(diào)理,放大信號(hào)的輸出端采用BAT54S對(duì)放大電壓信號(hào)穩(wěn)壓,使其電壓分布在AD輸入能夠接受的范圍內(nèi)。
所述的磁電式轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理接口電路,設(shè)有施密特觸發(fā)器LM555CM、放大電路INA118和XC886CLM定時(shí)捕捉模塊;所述LM555CM將位移信號(hào)接口電路濾波后的信號(hào)整形成方波進(jìn)行輸入,該方波信號(hào)由轉(zhuǎn)速傳感器得到后經(jīng)INA118調(diào)整成單片機(jī)最小系統(tǒng)電路許可的電壓信號(hào),此信號(hào)經(jīng)XC886CLM定時(shí)捕捉模塊處理得到主汽輪機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)速的測量。
所述的數(shù)字量輸出接口電路為報(bào)警電路,其釆用達(dá)林頓管ULN2003進(jìn)行驅(qū)動(dòng),此時(shí)引腳9將接在負(fù)載的供電電源上,從而形成續(xù)流回路。
所述的通信接口電路采用以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下主要優(yōu)點(diǎn):
1.提高了汽輪機(jī)運(yùn)行的安全。
基于單片機(jī)構(gòu)建模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化的汽輪機(jī)安全保護(hù)裝置,其獨(dú)立于汽輪機(jī)檢測控制系統(tǒng),對(duì)被監(jiān)視的參數(shù)進(jìn)行連續(xù)、有效、準(zhǔn)確的監(jiān)視。停機(jī)越控功能的投入,使得裝置的功能更加完善,大大提高了汽輪機(jī)運(yùn)行的安全。
2.提高了監(jiān)測系統(tǒng)的便利性和信息資源的網(wǎng)絡(luò)利用率。
以太網(wǎng)技術(shù)的引入,使數(shù)據(jù)的通訊速率大大提高,更容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),并且由于以太網(wǎng)技術(shù)采用當(dāng)今比較流行的TCP/IP協(xié)議,可以解決不同廠商設(shè)備無法互聯(lián)的瓶頸。通過汽輪機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)通訊,對(duì)大型汽輪機(jī)組進(jìn)行在線故障檢測,這樣不僅提高監(jiān)測系統(tǒng)的便利性,而且同時(shí)也提高信息資源的網(wǎng)絡(luò)利用率。
3.實(shí)用性強(qiáng)。
主控單元采用8位英飛凌單片機(jī)微控制器,同時(shí)采用以太網(wǎng)完成安全保護(hù)裝置和汽輪機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng)之間的通訊,可以替代國外進(jìn)口的同類型設(shè)備,在汽輪機(jī)的安全監(jiān)測系統(tǒng)或者其它監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)中都具有十分廣闊的市場前景和良好的社會(huì)效益。
附圖說明
圖1是汽輪機(jī)安全保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖。
圖2是汽輪機(jī)安保裝置本地信號(hào)控制圖。
圖中:1.主汽輪機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào);2.主汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸向位移信號(hào);3.汽輪機(jī)軸承溫度信號(hào);4.主汽輪機(jī)機(jī)組滑油溫度信號(hào);5.主汽輪機(jī)機(jī)組滑油總管壓力信號(hào);6.緊急停機(jī)信號(hào);7.汽輪機(jī)停機(jī)越控信號(hào);8.水力測功器;9.飛輪;10.葉片;11.汽輪機(jī);12.停機(jī)電磁閥;13.過熱蒸汽總管;14.主機(jī)滑油總管。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提供的基于單片機(jī)的汽輪機(jī)安全保護(hù)裝置,其獨(dú)立于汽輪機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng),運(yùn)用以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)和監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信。連續(xù)、有效的監(jiān)視汽輪機(jī)主要運(yùn)行參數(shù),當(dāng)參數(shù)超過極限允許值時(shí),及時(shí)可靠的停機(jī)動(dòng)作,避免事故發(fā)生,確保機(jī)組安全;裝置同時(shí)接受越控指令,在特殊情況下忽略停機(jī)故障,使汽輪機(jī)持續(xù)運(yùn)行。若裝置信號(hào)輸入傳感變送模塊故障,則可通過以太網(wǎng)接收汽輪機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的檢測參數(shù),對(duì)汽輪機(jī)實(shí)施保護(hù)動(dòng)作;若裝置設(shè)備因故停止工作,汽輪機(jī)亦能通過監(jiān)控系統(tǒng)輸出報(bào)警,確保機(jī)組安全。
下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的原理和特征進(jìn)行描述,所舉實(shí)例只用于解釋本實(shí)用新型,并非用于限定本實(shí)用新型的范圍。
本實(shí)用新型提供的基于單片機(jī)的汽輪機(jī)安全保護(hù)裝置,其結(jié)構(gòu)如圖1所示:主要由輸入信號(hào)調(diào)理接口電路、電源電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路(MCU)、數(shù)字量輸出接口電路和通信接口電路組成,各電路封裝在同一電路板上,電路板置于汽輪機(jī)安全保護(hù)裝置控制柜內(nèi)。其中:電源電路為整個(gè)裝置提供5V電源。輸入信號(hào)調(diào)理接口電路將汽輪機(jī)越控信號(hào)和其運(yùn)行參數(shù)信號(hào)變送和調(diào)理后輸入至MCU。MCU輸出分為兩路,分別與數(shù)字量輸出接口電路和通信接口電路相連,其中數(shù)字量輸出接口電路又與柜外停機(jī)電磁閥、蜂鳴器和報(bào)警燈相連;通信接口電路通過以太網(wǎng)完成與監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信,對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。所述監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)有汽輪機(jī)自身帶有的設(shè)備。
該汽輪機(jī)安全保護(hù)裝置的本地信號(hào)控制圖如圖2所示:主汽輪機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)1、汽輪機(jī)軸承溫度信號(hào)3、主汽輪機(jī)機(jī)組滑油溫度信號(hào)4、主汽輪機(jī)機(jī)組滑油總管壓力信號(hào)5和主汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸向位移信號(hào)2由置于汽輪機(jī)本體的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器和位移傳感器等測得,并通過輸入信號(hào)調(diào)理接口電路與整個(gè)裝置相連。
磁電式轉(zhuǎn)速傳感器采用CZ300磁電式轉(zhuǎn)速傳感器,其置于汽輪機(jī)飛輪外側(cè),與飛輪相距1.5mm,用于測量主汽輪機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)速1,汽輪機(jī)超速限定值常為110%和112%的額定轉(zhuǎn)速。
溫度傳感器采用PT100溫度傳感器,其置于滑油總管內(nèi)部和汽輪機(jī)主軸承表面,用于測量主汽輪機(jī)機(jī)組滑油溫度4和汽輪機(jī)軸承溫度3,軸承溫度達(dá)121℃,或滑油溫度達(dá)75℃時(shí),跳閘停機(jī)。
壓力傳感器采用NS-P22壓力傳感器,其置于滑油總管內(nèi)部,用于測量主汽輪機(jī)機(jī)組滑油總管壓力5,滑油油壓低至0.08MPa時(shí),輸出控制汽輪機(jī)參數(shù)報(bào)警,滑油油壓低至0.055MPa時(shí),跳閘停機(jī)。
位移傳感器采用NS-WY01位移傳感器,其置于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子金屬表面外一定距離,并將此距離轉(zhuǎn)換成與其成比例的電壓,用于檢測主汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸向位移2。各類機(jī)組的軸向彈性位移值不相同,一般約在0.2~0.4mm范圍,機(jī)組的軸向位移報(bào)警值為±0.8mm,跳閘值為±1mm。
所述的輸入信號(hào)調(diào)理接口電路,包括數(shù)字量接口電路、位移信號(hào)接口電路、熱電阻溫度信號(hào)調(diào)理接口電路、壓力信號(hào)調(diào)理接口電路和磁電式轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理接口電路,其中:數(shù)字量接口電路接收汽輪機(jī)停機(jī)越控信號(hào)7;位移信號(hào)接口電路過濾去主汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸向位移信號(hào)2的雜波;熱電阻溫度信號(hào)調(diào)理接口電路接收傳感器測得的汽輪機(jī)軸承溫度信號(hào)3和主汽輪機(jī)機(jī)組滑油溫度信號(hào)4;壓力信號(hào)調(diào)理接口電路接收傳感器測得的主汽輪機(jī)機(jī)組滑油總管壓力信號(hào)5;磁電式轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理接口電路接收傳感器測得的主汽輪機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)1。該輸入信號(hào)調(diào)理接口電路采集的信號(hào)經(jīng)處理后送入MCU進(jìn)行分析處理。
所述數(shù)字量接口電路采用光耦PC817來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離和電平轉(zhuǎn)換,當(dāng)外部連接的開關(guān)閉合時(shí),光耦導(dǎo)通,由于光耦輸出端接地,所以輸出電壓大約為0V,單片機(jī)此時(shí)檢測信號(hào)為邏輯信號(hào)0;當(dāng)開關(guān)斷開時(shí),光耦前段截止,其輸出端與地也斷開,此時(shí)的電壓通過上拉電阻變?yōu)?5V,單片機(jī)檢測為邏輯1信號(hào)。
所述位移信號(hào)接口電路采用LM358構(gòu)成巴特沃斯二階濾波電路,濾除汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸向位移信號(hào)2中夾雜的高頻干擾信號(hào),輸出電壓信號(hào)至MCU。
所述熱電阻溫度信號(hào)調(diào)理接口電路采用恒流源式測溫電路,恒流源為熱電阻提供激勵(lì)電流,熱電阻接在對(duì)應(yīng)電路之間,對(duì)應(yīng)0~200℃的電壓信號(hào)輸出。
所述壓力信號(hào)調(diào)理接口電路采用150Ω1‰精密電阻將傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),在后端利用INA118構(gòu)成的放大電路調(diào)理,放大信號(hào)的輸出端采用BAT54S對(duì)放大電壓信號(hào)穩(wěn)壓,使其電壓分布在AD輸入能夠接受的范圍內(nèi)。
所述磁電式轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理接口電路是利用施密特觸發(fā)器LM555CM將濾波后的信號(hào)整形成方波進(jìn)行輸入,轉(zhuǎn)速傳感器得到的方波信號(hào)經(jīng)INA118構(gòu)成的放大電路調(diào)整成MCU許可的電壓信號(hào),處理后的方波信號(hào)送入XC886CLM的定時(shí)捕捉模塊,利用其內(nèi)部硬件計(jì)數(shù)器完成轉(zhuǎn)速的測量。
所述單片機(jī)最小系統(tǒng)電路(MCU)采用英飛凌XC800系列8位微控制器XC886CLM,該芯片穩(wěn)定性高,抗干擾能力強(qiáng),可適用于船舶惡劣工況;具有多閃存Flash結(jié)構(gòu)支持外部PC機(jī)通過專用串行編程接口對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器編程或擦除,程序下載方便;工作溫度范圍為-40~85℃;工作頻率為96MHz;具有六個(gè)端口,多達(dá)48個(gè)數(shù)字I/O引腳,8個(gè)數(shù)字/模擬輸入引腳;片內(nèi)存儲(chǔ)器:12KB Boot ROM,256B RAM,1.5KB XRAM,24/32KB Flash??刂破鲗?duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析運(yùn)算處理,輸出故障信號(hào)。故障信息包括主汽輪機(jī)機(jī)組超速、汽輪機(jī)軸承溫度過高、主汽輪機(jī)機(jī)組滑油總管壓力過低、主汽輪機(jī)機(jī)組滑油溫度過高以及主汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸向位移。當(dāng)所述故障產(chǎn)生時(shí),發(fā)出報(bào)警信號(hào)至數(shù)字量輸出接口電路,輸出信號(hào)釆用達(dá)林頓管ULN2003進(jìn)行驅(qū)動(dòng),使汽輪機(jī)停止工作,并輸出聲光警告。
所述電源電路為MCU提供所需的5V電壓,本裝置選用由美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片LM2596,LM2596芯片輸出2腳、電感L4、電容C29以及續(xù)流二極管組成一個(gè)小型的BUCK降壓電路,穩(wěn)定提供5V的電壓輸出。
所述數(shù)字量輸出接口電路為報(bào)警電路,其釆用達(dá)林頓管ULN2003進(jìn)行驅(qū)動(dòng),它由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成,每對(duì)達(dá)林頓管均串聯(lián)一2.7KΩ的基極電阻,可承受工作電壓高,工作電流大,輸入5V的TTL電平時(shí),輸出可達(dá)500mA/50V,同時(shí)內(nèi)部集成了一個(gè)續(xù)流二極管,用來消除繼電器線圈中的反電動(dòng)勢,此時(shí)引腳9將接在負(fù)載的供電電源上,從而形成續(xù)流回路。
所述通信接口電路采用以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS,RTL8019AS是高度集成以太網(wǎng)控制器,傳輸速率高達(dá)10Mbit/s,與NE2000相兼容,支持以太網(wǎng)全雙工通信方式,內(nèi)置16KB的SRAM,可以方便的與微處理器進(jìn)行連接。用于安全保護(hù)裝置和汽輪機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。
本實(shí)用新型提供的基于單片機(jī)的汽輪機(jī)安全保護(hù)裝置,其工作過程如下:
輸入信號(hào)調(diào)理接口電路通過檢測主汽輪機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)1、主汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸向位移信號(hào)2、汽輪機(jī)軸承溫度信號(hào)3、主汽輪機(jī)機(jī)組滑油溫度信號(hào)4、主汽輪機(jī)機(jī)組滑油總管壓力信號(hào)5和汽輪機(jī)停機(jī)越控信號(hào)7的情況,信號(hào)經(jīng)調(diào)理后輸入至控制器XC886CLM,控制器按相應(yīng)的控制方案,對(duì)采集的信號(hào)分析處理運(yùn)算。汽輪機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與控制器相連,對(duì)檢測的參數(shù)進(jìn)行連續(xù)、有效、準(zhǔn)確的監(jiān)視。
如果參數(shù)超過數(shù)據(jù)允許值時(shí),汽輪機(jī)安全保護(hù)裝置動(dòng)作并發(fā)出聲光報(bào)警,監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)顯示報(bào)警信息,提示運(yùn)行人員注意,并采取相應(yīng)的糾正措施。
如果參數(shù)超過數(shù)據(jù)極限值時(shí),保護(hù)裝置報(bào)警電路動(dòng)作,輸出聲光報(bào)警的同時(shí),實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫停機(jī)。
如果系統(tǒng)在緊急操縱按下停機(jī)越控按鈕,此時(shí)忽略停機(jī)故障,使汽輪機(jī)持續(xù)運(yùn)行。
如果安全保護(hù)裝置信號(hào)輸入傳感變送模塊故障,則可通過以太網(wǎng)接收汽輪機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的檢測參數(shù),對(duì)汽輪機(jī)實(shí)施保護(hù)動(dòng)作;若裝置設(shè)備因故停止工作,汽輪機(jī)亦能通過監(jiān)控系統(tǒng)輸出報(bào)警,確保機(jī)組安全。
本裝置力圖推行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)通訊,對(duì)大型汽輪機(jī)組不僅可以在線故障檢測,對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估,還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和診斷,這樣不僅提高汽輪機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的便利性,而且同時(shí)也提高信息資源的網(wǎng)絡(luò)利用率。