一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板的製作方法
2023-10-29 17:18:12 1
專利名稱：一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板的製作方法
技術領域：
本發明涉及汽輪機保安系統領域，尤指汽輪機保安系統中的測速及超速保護組件，一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板。
背景技術：
汽輪機超速事故是汽輪發電機組設備破壞性最大的事故，超速事故的發生往往會產生毀滅性的後果，為此所有的汽輪機均設置了超速保護裝置，在經歷了傳統機械式危急遮斷裝置、機械式危急遮斷裝置與採用DEH高壓抗燃油技術的電氣超速保護裝置並存以及完全採用電氣超速保護三個階段後，目前的汽輪機超速保護系統基本都採用電氣與機械超速保護並存。在電氣超速保護裝置中，汽輪機超速保護模板就是控制的核心部件。
目前常見的汽輪機超速保護模板功能均比較單一，且有的模板在低速測量時並不準確，而低轉速測量性能是衡量其性能的重要指標之一，同時由於目前市面上的汽輪機超速保護模板多是國外進口產品，價格昂貴，售後維修困難。
發明內容
本發明的目的是在保證和同類汽輪機超速保護模板相比，可以可靠實現防止汽輪機發生超速事故的前提下提高模板的性能指標，增強功能、提高集成度同時降低成本。
本發明的技術方案如下一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，包括信號處理系統和電源子系統，其特徵在於所述信號處理系統包括速度信號調理模塊、電流信號調理模塊、ADC模塊、DAC模塊、MCU模塊、CPLD模塊、繼電器控制模塊、數碼顯示模塊；所述速度信號調理模塊中設置有磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號採集處理電路，並與ADC模塊連接；所述DAC模塊、繼電器控制模塊與CPLD模塊連接；所述CPLD模塊與MCU模塊通過全雙工同步通信接口SPI連接。
所述ADC模塊是模數轉換模塊，DAC模塊是數模轉換模塊，MCU模塊是單片機，CPLD模塊是編程邏輯控制模塊。
所述數碼顯示模塊與MCU模塊通過異步串行通信接口UART相連。
所述MCU模塊包括傳輸信號的MCU硬體模塊和處理信號的MCU軟體模塊；所述速度信號調理模塊包括頻率信號整波電路、精密放大電路、鎖相環電路，所述鎖相環電路和磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號採集處理電路連接。
一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，其特徵在於處理信號流程的步驟為所述速度信號調理模塊設置的磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號採集處理電路將採集到的速度信號經整波、放大處理後同時送入ADC模塊和鎖相環電路，經電流信號調理模塊調理過的電流信號直接送入ADC模塊，再把經ADC模塊和鎖相環電路處理後的信號送入CPLD模塊；所述CPLD模塊再將信號傳輸到DAC模塊和繼電器控制模塊；所述CPLD模塊還通過SPI全雙工同步通信接口將信號傳輸給MCU硬體模塊，並由MCU軟體模塊計算並判斷經CPLD模塊採集到的速度信號和電流信號；所述MCU軟體模塊把計算得到的轉速值以及報警信號通過通信接口傳輸給數碼顯示模塊，由數碼顯示模塊完成轉速的數碼顯示及模板狀態燈的指示。
所述MCU軟體模塊計算得到的轉速值的單位為轉/分，rpm。
所述電流信號調理模塊共四個，每個模塊均採用隔離放大處理。
所述CPLD模塊控制ADC模塊的採樣頻率。
所述繼電器控制模塊中共4個繼電器，分別用於超速103％、110％、114％、加速度超限、功率、負荷不平衡的判斷輸出。
所述MCU硬體模塊中包括EEROM、SRAM電路，EEROM電路用於MCU軟體模塊計算時擴展數據空間，SRAM電路用於靜態保存必需的工作參數。
所述磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號採集處理電路由跳線選擇配置。
所述模板為兩路24VDC電源供電，電源子系統是由兩個DC-DC總電源變換模塊和六個隔離DC-DC電源模塊組成。
本發明的有益效果如下本發明整個模板採用的是模塊化設計，提高了模板的集成度及抗幹擾性，能可靠實現防止汽輪機發生超速事故的前提下提高模板的性能指標，增強功能、提高集成度，同時還可降低生產成本；保證了外接不同種類速度傳感器的需求，提高了模板的信號處理能力；模板採用兩路24VDC電源供電，任意一路電源故障，不影響模板正常工作，電源子系統由兩個DC-DC總電源變換模塊和六個隔離DC-DC電源模塊組成，保證了電流信號調理模塊、DAC模塊、繼電器控制模塊與模板模擬、數字通道之間的工作獨立性，提高了模板的工作安全性。
圖1為本發明汽輪機超速保護模板的結構框2為本發明汽輪機超速保護模板的硬體結構3為本發明渦流速度傳感器信號處理具體電路4為本發明轉速信號整波放大處理具體電路5為本發明鎖相環分頻鎖相處理具體電路6為本發明電流信號採集隔離處理具體電路7為本發明AD轉換處理具體電路8為本發明MUC、CPLD、擴展EEROM及擴展SRAM連接具體電路9為本發明DA轉換處理具體電路10為本發明繼電器驅動具體電路11為本發明液晶顯示及報警指示具體電路12為本發明軟體濾波算法原理圖具體實施方式
實施例1如圖1所示，一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，包括信號處理系統和電源子系統，其特徵在於所述信號處理系統包括速度信號調理模塊、電流信號調理模塊、ADC模塊、DAC模塊、MCU模塊、CPLD模塊、繼電器控制模塊、數碼顯示模塊；所述速度信號調理模塊中設置有磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號採集處理電路，並與ADC模塊連接；所述DAC模塊、繼電器控制模塊與CPLD模塊連接；所述CPLD模塊與MCU模塊通過SPI全雙工同步通信接口連接。
所述數碼顯示模塊與MCU模塊通過UART異步串行通信接口相連。
所述MCU模塊包括傳輸信號的MCU硬體模塊和處理信號的MCU軟體模塊；所述速度信號調理模塊包括頻率信號整波電路、精密放大電路、鎖相環電路，所述鎖相環電路和磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號採集處理電路連接。
一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，其特徵在於處理信號流程的步驟為所述速度信號調理模塊設置的磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號採集處理電路將採集到的速度信號經整波、放大處理後同時送入ADC模塊和鎖相環電路，經電流信號調理模塊調理過的電流信號直接送入ADC模塊，再把經ADC模塊和鎖相環電路處理後的信號送入CPLD模塊；所述CPLD模塊再將信號傳輸到DAC模塊和繼電器控制模塊；所述CPLD模塊還通過SPI全雙工同步通信接口將信號傳輸給MCU硬體模塊，並由MCU軟體模塊計算並判斷經CPLD模塊採集到的速度信號和電流信號；所述MCU軟體模塊把計算得到的轉速值以及報警信號通過通信接口傳輸給數碼顯示模塊，由數碼顯示模塊完成轉速的數碼顯示及模板狀態燈的指示。
所述MCU軟體模塊計算得到的轉速值的單位為轉/分，rpm。
所述電流信號調理模塊共四個，每個模塊均採用隔離放大處理。
所述CPLD模塊控制ADC模塊的採樣頻率。
所述繼電器控制模塊中共4個繼電器，分別用於超速103％、110％、114％、加速度超限、功率、負荷不平衡的判斷輸出。
所述MCU硬體模塊中包括EEROM、SRAM電路，EEROM電路用於MCU軟體模塊計算時擴展數據空間，SRAM電路用於靜態保存必需的工作參數。
所述磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號採集處理電路由跳線選擇配置。
所述模板採用兩路24VDC電源供電，任意一路電源故障，不影響模板正常工作，電源子系統是由兩個DC-DC總電源變換模塊和六個隔離DC-DC電源模塊以及幾組電源變換電路組成，保證了電流信號調理模塊、DAC模塊、繼電器控制模塊與模板模擬、數字通道之間的工作獨立性，提高了模板的工作安全性。
實施例2一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，為實現新增判斷功率、負荷不平衡的功能，模板配置了四路電流信號接收、調理電路用於接收傳輸過來的分別表示三路中排壓力、一路電功率的4-20mA電流信號，且每路處理電路均採用隔離處理，保證了其工作的獨立性，提高了可靠性，採集到的電流信號經ADC模數轉換後送入MCU進行計算作出判斷。
為提高模板的整體處理能力及響應速度，模板採用了高性能快速的16位單片機和高性能的可編程邏輯陣列CPLD構成控制核心，該控制核心訪問速度極快，同時通過CPLD豐富的I/O口，可簡化模板電路，提高模板的集成度，從而增強模板可靠性。
為達到甚至超過同類模板測速上的性能，模板採用專用16位A/D晶片配MCU內部高速工作單元對轉速傳感器信號進行採樣及處理，同時在MCU軟體模塊內採用了獨特的軟體濾波算法，有效的提高了轉速的測量範圍及精度，可實現1-5500轉的準確測量。
同時該模板配備了DAC模塊電路，可實現對應轉速的4-20mA電流信號輸出，以供其他組件對轉速的獲取。
模板配置的繼電器控制模塊共含四路繼電器輸出電路，外接線輸出均採用繼電器幹節點輸出模式，保證在不同類型報警情況出現時給出不同的報警控制信號。
為了提高模板的的使用便利性及狀態可視性，模板配置了數碼顯示模塊，該模塊採用高速的8位PIC單片機作為控制核心與模板MCU通過串行通信進行數據交換，可實時、穩定的顯示轉速(單位轉/分，rpm)以及指示響應的報警燈。
模板採用兩路24VDC電源供電，任意一路電源故障，不影響模板正常工作，電源子系統是由兩個DC-DC總電源變換模塊和六個隔離DC-DC電源模塊以及幾組電源變換電路組成，保證了電流信號調理模塊、DAC模塊、繼電器控制模塊與模板模擬、數字通道之間的工作獨立性，提高了模板的工作安全性。
實施例3如圖2所示，本發明採用一套電路板，在該電路板上集成有隔離放大調理電路、精密放大電路、整波電路、鎖相環電路、ADC模數轉換電路、CPLD電路、MCU電路、DAC數模轉換電路、繼電器控制電路、存儲器擴展電路、PIC單片機及液晶顯示電路。
渦流傳感器信號在接入模板後需要先進行整波處理，調理出可供其他電路處理的穩定波形，具體電路圖如圖3所示。
模板通過跳線J10選擇是處理渦流傳感器信號還是處理磁阻傳感器信號，然後對信號經儀表放大器AD620放大處理，再對放大過的信號由運放OP07及雙運放OPA2364進行信號的平移處理，因為AD的比較電壓為2.5V，為了配合模數轉換晶片AD73360採集需求，所以需要把採集到的信號平移到2.5V左右，同時經AD620放大處理的信號再由雙運放OPA2364、電壓比較器LM311、緩衝器2G34、光藕TLP115A組成的電路進行濾波、整形、平移處理，然後輸出給鎖相環電路，如圖4所示。
鎖相環電路是把經模擬電路處理後的信號整形及對信號進行8分頻後再傳輸給CPU，在保證信號質量的同時，大的分頻數可以降低CPU的負荷，具體電路圖如圖5所示。
對於輸入到模板上的四路4-20mA電流信號均需要進行隔離放大處理，然後再輸入到AD晶片，具體電路圖如圖6所示。
AD晶片對經處理過的信號進行模數轉換，再通過CPLD(EPM7128STC100-10)以SPI總線方式傳輸給CPU處理，如圖7所示。
MCU採用的是Infineon公司先進的高檔16位單片機XC164CS，同時擴展了一片EEROM(CYZC1021)和一片SRAM(FM26640)，MCU與CPLD之間通過SPI總線進行數據交換，如圖8所示。
對應轉速值的4-20mA電流信號，由MCU經CPLD控制16位DA晶片(AD420)輸出，具體電路如圖9所示。
繼電器報警信號，由MCU經CPLD控制相應的驅動電路驅動繼電器動作，如圖10所示。
通過TXD、RXD串口把相應的轉速值及報警信息傳輸給由PIC晶片(PIC18F2520)及狀態指示燈等組成的顯示電路，電路如圖11所示。
對於轉速的計算採用了IIR型數字濾波器的原理進行軟體濾波處理，原理如下2個式所示 其中，HK[z]=bk0+bk1z-1+bk2z-21+ak1z-1+ak2z-2]]>對於每一個二階基本節，可以轉置直接II型結構加以實現，原理圖如圖12所示，所表示為差分方程的形式如下y(n)＝a0y(n-1)+a1y(n-2)+a2y(n-3)+b0x(n)+b1x(n-1)+b2x(n-2)+b3x(n-3)。
本發明多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板與傳統汽輪機超速保護模板相比區別在於在保證能可靠實現汽輪機超速保護功能的前提下，提高了轉速的測量精度，同時實現了適用不同種類速度傳感器的需求，並且增加了功率、負荷不平衡判斷功能及增加了數碼顯示功能，以及提供了穩定的幹接點報警保護信號輸出。
權利要求
1.一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，包括信號處理系統和電源子系統，其特徵在於所述信號處理系統包括速度信號調理模塊、電流信號調理模塊、ADC模塊、DAC模塊、MCU模塊、CPLD模塊、繼電器控制模塊、數碼顯示模塊；所述速度信號調理模塊中設置有磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號採集處理電路，並與ADC模塊連接；所述DAC模塊、繼電器控制模塊與CPLD模塊連接；所述CPLD模塊與MCU模塊通過SPI全雙工同步通信接口連接。
2.根據權利要求1所述的一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，其特徵在於所述數碼顯示模塊與MCU模塊通過UART異步串行通信接口相連，。
3.根據權利要求1所述的一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，其特徵在於所述MCU模塊包括傳輸信號的MCU硬體模塊和處理信號的MCU軟體模塊；所述速度信號調理模塊包括頻率信號整波電路、精密放大電路、鎖相環電路，所述鎖相環電路和磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號採集處理電路連接。
4.根據權利要求3所述的一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，其特徵在於處理信號流程的步驟為所述速度信號調理模塊設置的磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號採集處理電路將採集到的速度信號經整波、放大處理後同時送入ADC模塊和鎖相環電路，經電流信號調理模塊調理過的電流信號直接送入ADC模塊，再把經ADC模塊和鎖相環電路處理後的信號送入CPLD模塊；所述CPLD模塊再將信號傳輸到DAC模塊和繼電器控制模塊；所述CPLD模塊還通過SPI全雙工同步通信接口將信號傳輸給MCU硬體模塊，並由MCU軟體模塊計算並判斷經CPLD模塊採集到的速度信號和電流信號；所述MCU軟體模塊把計算得到的轉速值以及報警信號通過通信接口傳輸給數碼顯示模塊，由數碼顯示模塊完成轉速的數碼顯示及模板狀態燈的指示。
5.根據權利要求1或4所述的一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，其特徵在於所述電流信號調理模塊共四個，每個模塊均採用隔離放大處理。
6.根據權利要求1或4所述的一種多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，其特徵在於所述CPLD模塊控制ADC模塊的採樣頻率。
7.根據權利要求1或4所述的一種多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，其特徵在於所述繼電器控制模塊中共4個繼電器，分別用於超速103％、110％、114％、加速度超限、功率、負荷不平衡的判斷輸出。
8.根據權利要求3所述的一種多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，其特徵在於所述MCU硬體模塊中包括EEROM、SRAM電路，EEROM電路用於MCU軟體模塊計算時擴展數據空間，SRAM電路用於靜態保存必需的工作參數。
9.根據權利要求1所述的一種多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，其特徵在於所述磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號採集處理電路由跳線選擇配置。
10.根據權利要求1所述的一種多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，其特徵在於所述模板為兩路24VDC電源供電，電源子系統是由兩個DC-DC總電源變換模塊和六個隔離DC-DC電源模塊組成。
全文摘要
本發明公開了一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，包括信號處理系統和電源子系統，其特徵在於所述信號處理系統包括速度信號調理模塊、電流信號調理模塊、ADC模塊、DAC模塊、MCU模塊、CPLD模塊、繼電器控制模塊、數碼顯示模塊；所述速度信號調理模塊中設置有磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號採集處理電路，並與ADC模塊連接；所述DAC模塊、繼電器控制模塊與CPLD模塊連接；所述CPLD模塊與MCU模塊通過SPI全雙工同步通信接口連接；本發明採用模塊化設計，提高了模板的集成度及抗幹擾性，能可靠實現防止汽輪機發生超速事故的前提下提高模板的性能指標，增強功能、提高集成度，同時還可降低生產成本。
文檔編號F01D21/00GK101082288SQ200710049380
公開日2007年12月5日 申請日期2007年6月27日 優先權日2007年6月27日
發明者閔澤生, 曾光明, 遊滔 申請人:四川東方電氣自動控制工程有限公司