專利名稱：一種智能透平控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種智能透平控制器，是一種專為各種結構尺寸的渦輪機、轉動機械調(diào)速控制而設計，適用于雙抽、單抽、純凝及背壓汽輪機的調(diào)速控制。

背景技術：
隨著國內(nèi)電力工業(yè)的快速發(fā)展，新裝備的600MW、1000MW火電機組將成為主力機組。從去年國家公布的電廠機組經(jīng)濟指標、排放指標看來，只有在役的亞臨界600MW及以上容量的機組才能達到，這意味著我國現(xiàn)在保有市場的中、小型純發(fā)電汽輪機在后續(xù)的若干年中陸續(xù)退役，這一市場會迅速萎縮。今后國內(nèi)將面對兩個細分市場600MW及以上機組的市場(目前為三大主機廠壟斷)；小型供熱機組及工業(yè)汽輪機市場。
隨著小機組對自動化技術的要求不斷提高，汽輪機調(diào)速控制已經(jīng)成為被廣大客戶接受的一項必不可少的控制功能，同時，主機的競爭也在不斷的加劇，越來越多的客戶更傾向于選擇一個性價比相對更高的產(chǎn)品，迫使主機廠更愿意選擇如伍德沃德505類型的簡易型調(diào)速裝置，因而，從2003年開始，隨著小機組和工業(yè)汽輪機市場的數(shù)量不斷增加，簡易型電調(diào)的需求增長率和市場容量大大超過了傳統(tǒng)DEH的需求數(shù)量，為了市場的需求，發(fā)明簡易型透平控制裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種專為各種結構尺寸的渦輪機、轉動機械調(diào)速控制的智能透平控制器。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術方案 智能透平控制器，其采用PLC控制技術，內(nèi)部包括現(xiàn)場信號采集功能、實時控制邏輯運算功能、控制信號輸出功能等。智能透平控制器的控制策略具備靈活方便的可組態(tài)修改特性，以適應不同控制對象的需要，并且其運算能力強、速度快可滿足透平機械實時控制響應時間的要求。
智能透平控制器的系統(tǒng)主要功能 智能透平控制器的PLC控制部分作為一臺實時控制設備，它采集從控制對象現(xiàn)場來的各種工藝過程控制信息，按照事先組態(tài)下裝在控制器中的控制邏輯規(guī)定的算法進行運算處理后實時輸出合適的控制指令，通過控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構去改變控制參數(shù)，最終使控制對象的被控參數(shù)達到控制系統(tǒng)的要求。
智能透平控制器的PLC控制部分配置了多種I/O信號處理電路、完成邏輯運算的CPU中央處理器及完成數(shù)據(jù)交換的通訊口。從智能透平控制器的輸入信號發(fā)生變化到其對應輸出信號出現(xiàn)控制邏輯所規(guī)定的變化之間的延遲時間，滿足實時控制系統(tǒng)的要求。
智能透平控制器采用了FPGA現(xiàn)場可編程控制器實時處理各種I/O信號，CPU可在一個控制周期內(nèi)通過FPGA直接并行讀寫一遍所有I/O信號?？刂浦芷谟煽刂葡到y(tǒng)的組態(tài)邏輯運算量有關。典型雙抽機組的正常調(diào)節(jié)任務的控制周期僅為20ms左右，完全滿足控制系統(tǒng)的要求。
智能透平控制器及配套設備可提供現(xiàn)場I/O信號處理、調(diào)節(jié)控制算法、操作顯示控制、PC機組態(tài)、數(shù)據(jù)交換通訊等功能。
I/O信號處理功能 轉速輸入信號3路，可自動適應磁阻式或磁敏式轉速探頭發(fā)出的正弦波或方波信號，信號幅度大于0.5V小于50V即可。頻率測量范圍0.5Hz～15KHz，頻率測量精度高于10-4數(shù)量級。頻率信號更新周期為max{10ms，T}，T為頻率信號周期。
伺服控制信號2路，可通過軟件設置為電流型或電壓型方式，并且還可通過軟件設置電流和電壓限幅范圍。輸出能力最大為-200～+20mA、-10～+10V，精度高于1％。一個控制周期更新一次，通道響應時間＜1ms。
模擬量輸入信號16路，可通過跳線選擇4～20mA或0～+10V信號，可通過接線選擇供電或非供電形式。輸入信號精度高于0.5％。一個控制周期更新一次，通道響應時間＜1ms。
模擬量輸出信號6路，4～20mA，精度高于0.5％。一個控制周期更新一次，通道響應時間＜1ms。
開關量輸入信號24路，干接點輸入，提供24VDC查詢電源。一個控制周期更新一次，通道響應時間＜10ms。
開關量輸出信號16路，繼電器輸出，其中4路常閉接點，12路常開接點，接點容量30VDC/0.5A(250VAC/1A)，一個控制周期更新一次，通道響應時間＜10ms。
數(shù)據(jù)交換通訊功能 智能透平控制器的CPU能確保在一個控制周期內(nèi)將所有I/O通道信號數(shù)據(jù)更新一遍，控制周期滿足各種透平機械控制系統(tǒng)對動態(tài)響應時間的要求。
智能透平控制器的CPU與人機接口設備的數(shù)據(jù)通訊，能確保各顯示及操作數(shù)據(jù)的更新周期小于1s。
智能透平控制器與工程師站可通過RS232通訊口，實現(xiàn)組態(tài)數(shù)據(jù)下裝及調(diào)試控制算法功能。
同時可在操作員站或觸摸屏上對智能透平控制器進行操作及監(jiān)視。
調(diào)節(jié)控制算法功能 在工程師站上可根據(jù)實際工程要求完成組態(tài)，通過RS232編程口下載到智能透平控制器的控制CPU中。即使智能透平控制器失電，其中的調(diào)節(jié)控制算法也不會丟失。裝有調(diào)節(jié)控制算法的智能透平控制器上電后即可投入運行。
調(diào)節(jié)控制算法容量為200KB數(shù)量級(Codesys下裝程序代碼)。控制周期與組態(tài)邏輯算法運算量有關，典型雙抽機組工程僅為20ms左右，完全滿足透平機械控制系統(tǒng)要求。
可通過工程師站在線調(diào)試智能透平控制器的調(diào)節(jié)控制算法。
操作顯示控制功能 在工程師站上可根據(jù)實際工程要求完成操作畫面組態(tài)，通過以太網(wǎng)下載到操作員站中。操作員站與智能透平控制器通過RS485通訊口相連，實現(xiàn)操作顯示數(shù)據(jù)交換。即使操作員站失電，操作顯示組態(tài)畫面也不會丟失。裝有操作顯示組態(tài)畫面的操作員站上電后即可投入運行。
PC機組態(tài)功能 在通用PC機上可安裝算法組態(tài)軟件及畫面組態(tài)軟件，即可構成智能透平控制器的工程師站。
在工程師站上工程設計人員可根據(jù)實際工程要求完成控制算法組態(tài)、操作畫面組態(tài)，并通過通訊口分別下裝到智能透平控制器的CPU中及操作員站的CPU中。
可通過工程師站調(diào)試下裝到智能透平控制器的控制算法。
采用標準 ANSI/IEEE 472沖擊電壓承受能力導則(SWC) ANSI/IEEE 1050電站儀表和控制設備接地導則 EIA RS-232-C數(shù)據(jù)終端設備與使用串行二進制數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)通訊設備之間的接口 EIA RS-485數(shù)據(jù)終端設備與使用串行二進制數(shù)據(jù)進 ANSI/ISA S50.1工業(yè)過程電子儀表模擬量信號的兼容性 ANSI/ISA S82.01電氣和電子設備、測量和控制機相關設備的一般要求 IEC 61000-4-1992(GB/T17626-1998)工業(yè)過程測量和控制設備的電磁兼容性試驗和測量技術 IEC 61131(GB/T15969-95)可編程控制器編程語言 IEC61508電氣/電子/可編程電子設備安全相關系統(tǒng)的功能安全 技術指標



圖1智能透平控制器機箱示意圖， 圖2CPU板硬件框圖， 圖3IO板原理框圖。
具體實施方式

以下結合附圖進一步說明 附圖1智能透平控制器機箱示意圖 智能透平控制器機箱8內(nèi)有一塊CPU板9和一塊I/O板10，可通過通訊電纜與遠方的人機接口設備(操作員站、觸摸屏、工程師站或DCS系統(tǒng))相連，實現(xiàn)遠方遙控監(jiān)視操作?？刂破鳈C箱為壁掛式安裝形式。左右兩側接線端子可直接與外部信號電纜相連。
智能透平控制器采用單路24VDC直流電源供電。
智能透平控制器的PLC控制部分配置有兩個通訊口RS232和RS485口。
RS232口為專有協(xié)議，與工程師站連接，用于控制邏輯下裝調(diào)試。
RS485口為MODBUS RTU協(xié)議，可與觸摸屏、DCS系統(tǒng)或操作站相連，完成顯示操作數(shù)據(jù)傳輸功能。
觸摸屏的RS485通訊口與智能透平控制器的RS485口相連，觸摸屏的以太網(wǎng)通訊口可與DCS系統(tǒng)或操作站相連的以太網(wǎng)口相連，完成顯示操作數(shù)據(jù)傳輸功能。智能透平控制器配置的觸摸屏為10.4”彩色觸摸屏。利用觸摸屏可方便地組態(tài)控制工程操作顯示畫面。
工程師站主要完成智能透平控制器的控制邏輯組態(tài)調(diào)試任務。
觸摸屏、操作員站、DCS系統(tǒng)主要完成控制系統(tǒng)的操作監(jiān)視任務。
附圖2CPU板硬件框圖 CPU板是智能透平控制器的核心，通過PC104連接器與I/O板連接，構成一個完整的PLC系統(tǒng)。CPU負責執(zhí)行“讀入輸入數(shù)據(jù)-＞程序執(zhí)行-＞處理通訊請求-＞自診斷-＞寫輸出-＞讀入輸入數(shù)據(jù)......”的工作循環(huán)處理。
CPU板以16位CPU芯片C164CI為中心。CPU通過16Bits數(shù)據(jù)地址復用總線與Flash、SRAM、UART1和FPGA相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫操作。Flash中存有實時操作系統(tǒng)RTS以及用戶編制的應用程序。EEPROM用于保存應用程序中RETAIN型變量數(shù)據(jù)。UART10、UART1為串行通訊口，可通過它與人機接口設備相連。FPGA現(xiàn)場可編程控制器實現(xiàn)開出、模入、模出、伺服控制和測頻等功能。開入信號可直接通過CPU芯片的I/O口輸入系統(tǒng)。
FPGA電路以LATTICE ECP2-6為核心，包括FPGA配置FLASH，JTAG接口和總線電平轉換芯片。FPGA管理了除12路接在單片機上的DI信號外的所有信號，F(xiàn)PGA同CPU之間通過CPU總線進行連接，由于FPGA IO口不兼容5V TTL電平，因此利用總線電平轉換芯片進行電平匹配。FPGA同時接入CPU的復位輸出信號，監(jiān)視CPU復位信號。
附圖3IO板原理框圖 開關量輸入通道 24V查詢電源正極通過光電隔離的發(fā)光二極管、限流電阻后從端子DIn引出，經(jīng)外部開入干接點后回到地端子GNDIO。當接點閉合時，發(fā)光二極管點亮。經(jīng)過濾波整形后，計算機將該通道對應變量置1。當干接點斷開時，該通道對應變量置0。濾波電路可消除接點的抖動干擾。各開入通道的地端子共用。
開關量輸出通道 計算機的開關量輸出信號經(jīng)光隔離、功率放大后驅動繼電器，通過繼電器的單個接點輸出。開關量輸出變量置1時，該變量對應通道的繼電器線圈帶電，對于1～13通道接點閉合，對于14～16通道接點斷開。開關量輸出變量置0時，該變量對應通道的繼電器線圈失電，對于1～13通道接點斷開，對于14～16通道接點閉合。
非隔離模擬量輸入通道 非隔離模擬量輸入通道通過設置IO板中的相應跳線可接受電壓或電流兩種信號。若將50Ω電流采樣電阻接入則輸入為電流信號，否則為電壓信號。對于電流輸入信號需要放大后才能進行A/D轉換，對電壓信號可不必放大。放大與否也需跳線設置。非隔離模擬量輸入通道可輸入正負雙方向信號。濾波電路可減少信號干擾。對于非供電型外部信號源，正端接端子AIn+，負端接地端子GNDA。對于供電型外部信號源，正端接電源端子24Vn，負端接端子AIn+。
隔離模擬量輸入通道 隔離模擬量輸入通道為每一路都設計了單獨的電源，實現(xiàn)了路路隔離。該電路僅接受電流信號，輸入電阻為50Ω。采用雙端輸入方式，可有效抑制共模干擾。隔離模擬量輸入通道只能輸入正方向信號。外部信號源的正端接AIn+，負端接AIn-。
模擬量輸出通道 模擬量輸出數(shù)字量經(jīng)光隔離后寫入D/A轉換器，由D/A轉換器變換為電壓信號，再經(jīng)電壓電流轉換電路變換為對應的電流值。模擬量輸出通道的電流信號由相應的端子AOn+、地端子GNDA輸出。
伺服控制輸出通道 閥位給定值與執(zhí)行機構行程的反饋值經(jīng)過FPGA快速比較運算后，通過伺服控制輸出通道送到伺服閥去控制執(zhí)行機構的行程，最終使執(zhí)行機構的行程定位在閥位給定值規(guī)定的位置上。
伺服控制輸出信號經(jīng)光隔離后寫入D/A轉換器，由D/A轉換器變換為電壓信號，再經(jīng)第一級運算放大器比較放大后轉換為-10V～+10V電壓信號，再經(jīng)過功率驅動放大輸出。按照軟件組態(tài)的設置，輸出開關量信號控制伺服控制輸出通道的模擬開關，后續(xù)運算放大器電路可組成一個電壓跟隨器(輸出-10V～+10V電壓信號)、電壓電流轉換器(輸出-23mA～+23mA或-200mA～+200mA電流信號)。而且還可設置為單極性輸出形式(只允許正信號輸出)以及限制電壓電流輸出信號幅值。
頻率輸入通道 頻率輸入通道接受轉速傳感器來的正弦波或方波信號，經(jīng)隔直、濾波、限幅放大、過零比較處理后，送入FPGA現(xiàn)場可編程芯片。測量輸入信號的脈沖個數(shù)及相應持續(xù)的時間，即可計算出輸入信號的頻率。根據(jù)兩周期間的頻率差即可計算出頻率變化率。計算機再根據(jù)測速齒盤的齒數(shù)即可計算出機組的轉速。
為了提高可靠性，在頻率輸入通道中設置了一定的死區(qū)。當信號幅度較小時，測量的頻率值為零。若待測量的頻率小于50Hz，應采用方波信號。
權利要求1.一種智能透平控制器，其特征在于
智能透平控制器配置了多種I/O信號處理電路、完成邏輯運算的CPU中央處理器及完成數(shù)據(jù)交換的通訊口；其通過FPGA現(xiàn)場可編程控制器與多種I/O信號處理電路連接，CPU可在一個控制周期內(nèi)通過FPGA直接并行讀寫一遍所有I/O信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的智能透平控制器，其特征在于多種I/O信號處理電路包括
轉速輸入信號3路，可自動適應磁阻式或磁敏式轉速探頭發(fā)出的正弦波或方波信號，信號幅度大于0.5V小于50V即可；頻率測量范圍0.5Hz～15KHz，頻率測量精度高于10-4數(shù)量級；頻率信號更新周期為max{10ms，T}，T為頻率信號周期；
伺服控制信號2路，可通過軟件設置為電流型或電壓型方式，并且還可通過軟件設置電流和電壓限幅范圍；輸出能力最大為-200～+20mA、-10～+10V，精度高于1％；一個控制周期更新一次，通道響應時間＜1ms；
模擬量輸入信號16路，可通過跳線選擇4～20mA或0～+10V信號，可通過接線選擇供電或非供電形式；輸入信號精度高于0.5％；一個控制周期更新一次，通道響應時間＜1ms；
模擬量輸出信號6路，4～20mA，精度高于0.5％；一個控制周期更新一次，通道響應時間＜1ms；
開關量輸入信號24路，干接點輸入，提供24VDC查詢電源；一個控制周期更新一次，通道響應時間＜10ms；
開關量輸出信號16路，繼電器輸出，其中4路常閉接點，12路常開接點，接點容量30VDC/0.5A(250VAC/1A)，一個控制周期更新一次，通道響應時間＜10ms。
專利摘要本實用新型涉及一種智能透平控制器，其特征在于智能透平控制器配置了多種I/O信號處理電路、完成邏輯運算的CPU中央處理器及完成數(shù)據(jù)交換的通訊口。其通過FPGA現(xiàn)場可編程控制器與多種I/O信號處理電路連接，CPU可在一個控制周期內(nèi)通過FPGA直接并行讀寫一遍所有I/O信號。其是一種專為各種結構尺寸的渦輪機、轉動機械調(diào)速控制而設計，適用于雙抽、單抽、純凝及背壓汽輪機的調(diào)速控制，滿足電力、空分、鼓風機等各行業(yè)領域的透平控制需求，具備可編程控制功能和豐富的可擴展接口功能，結構簡單、操作方便、配置和功能組合靈活多樣，包括發(fā)電抽汽汽輪機調(diào)速控制、工業(yè)拖動汽輪機的調(diào)速控制。
文檔編號G05B19/05GK201522633SQ20092012158
公開日2010年7月7日 申請日期2009年6月8日 優(yōu)先權日2009年6月8日
發(fā)明者劉康寧, 行增暉, 紀云鋒, 熊輝, 馬維 申請人:杭州和利時自動化有限公司