CN100491701C - 一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板 - Google Patents
一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，包括信号处理系统和电源子系统，所述信号处理系统包括速度信号调理模块、电流信号调理模块、ADC模块、DAC模块、MCU模块、CPLD模块、继电器控制模块、数码显示模块；所述速度信号调理模块中设置有磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器信号采集处理电路，并与ADC模块连接；所述DAC模块、继电器控制模块与CPLD模块连接；所述CPLD模块与MCU模块通过SPI全双工同步通信接口连接；所述电流信号调理模块与ADC模块连接；所述速度信号调理模块、ADC模块分别与CPLD模块连接；数码显示模块与MCU模块连接；本发明提高了模板的集成度及抗干扰性，能可靠实现防止汽轮机发生超速事故的前提下提高模板的性能指标，增强功能、提高集成度，同时还可降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及汽轮机保安系统领域，尤指汽轮机保安系统中的测速及超速保护组件，一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板。
背景技术
汽轮机超速事故是汽轮发电机组设备破坏性最大的事故，超速事故的发生往往会产生毁灭性的后果，为此所有的汽轮机均设置了超速保护装置，在经历了传统机械式危急遮断装置、机械式危急遮断装置与采用DEH高压抗燃油技术的电气超速保护装置并存以及完全采用电气超速保护三个阶段后，目前的汽轮机超速保护系统基本都采用电气与机械超速保护并存。在电气超速保护装置中，汽轮机超速保护模板就是控制的核心部件。
目前常见的汽轮机超速保护模板功能均比较单一，且有的模板在低速测量时并不准确，而低转速测量性能是衡量其性能的重要指标之一，同时由于目前市面上的汽轮机超速保护模板多是国外进口产品，价格昂贵，售后维修困难。
发明内容
本发明的目的是在保证和同类汽轮机超速保护模板相比，可以可靠实现防止汽轮机发生超速事故的前提下提高模板的性能指标，增强功能、提高集成度同时降低成本。
本发明的技术方案如下：
一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，包括信号处理系统和电源子系统，其特征在于：所述信号处理系统包括速度信号调理模块、电流信号调理模块、ADC模块、DAC模块、MCU模块、CPLD模块、继电器控制模块、数码显示模块；所述速度信号调理模块中设置有磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器信号采集处理电路，并与ADC模块连接；所述DAC模块、继电器控制模块与CPLD模块连接；所述CPLD模块与MCU模块通过全双工同步通信接口SPI连接；所述电流信号调理模块与ADC模块连接；所述速度信号调理模块、ADC模块分别与CPLD模块连接；数码显示模块与MCU模块连接。
所述ADC模块是模数转换模块，DAC模块是数模转换模块，MCU模块是单片机，CPLD模块是编程逻辑控制模块。
所述数码显示模块与MCU模块通过异步串行通信接口UART相连。
所述MCU模块包括传输信号的MCU硬件模块和处理信号的MCU软件模块；所述速度信号调理模块包括频率信号整波电路、精密放大电路、锁相环电路，所述锁相环电路和磁阻式速度传感器、电涡流速度传感器信号采集处理电路连接。
一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，其特征在于处理信号流程的步骤为：所述速度信号调理模块设置的磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器信号采集处理电路将采集到的速度信号经整波、放大处理后同时送入ADC模块和锁相环电路，经电流信号调理模块调理过的电流信号直接送入ADC模块，再把经ADC模块和锁相环电路处理后的信号送入CPLD模块；所述CPLD模块再将信号传输到DAC模块和继电器控制模块；所述CPLD模块还通过SPI全双工同步通信接口将信号传输给MCU硬件模块，并由MCU软件模块计算并判断经CPLD模块采集到的速度信号和电流信号；所述MCU软件模块把计算得到的转速值以及报警信号通过通信接口传输给数码显示模块，由数码显示模块完成转速的数码显示及模板状态灯的指示。
所述MCU软件模块计算得到的转速值的单位为：转/分，rpm。
所述电流信号调理模块共四个，每个模块均采用隔离放大处理。
所述CPLD模块控制ADC模块的采样频率。
所述继电器控制模块中共4个继电器，分别用于超速103％、110％、114％、加速度超限、功率、负荷不平衡的判断输出。
所述MCU硬件模块中包括EEROM、SRAM电路，EEROM电路用于MCU软件模块计算时扩展数据空间，SRAM电路用于静态保存必需的工作参数。
所述磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器信号采集处理电路由跳线选择配置。
所述模板采用两路24VDC电源供电，电源子系统是由两个DC-DC总电源变换模块和六个隔离DC-DC电源模块组成。
本发明的有益效果如下：
本发明整个模板采用的是模块化设计，提高了模板的集成度及抗干扰性，能可靠实现防止汽轮机发生超速事故的前提下提高模板的性能指标，增强功能、提高集成度，同时还可降低生产成本；保证了外接不同种类速度传感器的需求，提高了模板的信号处理能力；模板采用两路24VDC电源供电，任意一路电源故障，不影响模板正常工作，电源子系统由两个DC-DC总电源变换模块和六个隔离DC-DC电源模块组成，保证了电流信号调理模块、DAC模块、继电器控制模块与模板模拟、数字通道之间的工作独立性，提高了模板的工作安全性。
附图说明
图1为本发明汽轮机超速保护模板的结构框图
图2为本发明汽轮机超速保护模板的硬件结构图
图3为本发明涡流速度传感器信号处理具体电路图
图4为本发明转速信号整波放大处理具体电路图
图5为本发明锁相环分频锁相处理具体电路图
图6为本发明电流信号采集隔离处理具体电路图
图7为本发明AD转换处理具体电路图
图8为本发明MUC、CPLD、扩展EEROM及扩展SRAM连接具体电路图
图9为本发明DA转换处理具体电路图
图10为本发明继电器驱动具体电路图
图11为本发明液晶显示及报警指示具体电路图
图12为本发明软件滤波算法原理图
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，包括信号处理系统和电源子系统，其特征在于：所述信号处理系统包括速度信号调理模块、电流信号调理模块、ADC模块、DAC模块、MCU模块、CPLD模块、继电器控制模块、数码显示模块；所述速度信号调理模块中设置有磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器信号采集处理电路，并与ADC模块连接；所述DAC模块、继电器控制模块与CPLD模块连接；所述CPLD模块与MCU模块通过SPI全双工同步通信接口连接；所述电流信号调理模块与ADC模块连接；所述速度信号调理模块、ADC模块分别与CPLD模块连接；数码显示模块与MCU模块连接。
所述数码显示模块与MCU模块通过UART异步串行通信接口相连。
所述MCU模块包括传输信号的MCU硬件模块和处理信号的MCU软件模块；所述速度信号调理模块包括频率信号整波电路、精密放大电路、锁相环电路，所述锁相环电路和磁阻式速度传感器、电涡流速度传感器信号采集处理电路连接。
一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，其特征在于处理信号流程的步骤为：所述速度信号调理模块设置的磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器信号采集处理电路将采集到的速度信号经整波、放大处理后同时送入ADC模块和锁相环电路，经电流信号调理模块调理过的电流信号直接送入ADC模块，再把经ADC模块和锁相环电路处理后的信号送入CPLD模块；所述CPLD模块再将信号传输到DAC模块和继电器控制模块；所述CPLD模块还通过SPI全双工同步通信接口将信号传输给MCU硬件模块，并由MCU软件模块计算并判断经CPLD模块采集到的速度信号和电流信号；所述MCU软件模块把计算得到的转速值以及报警信号通过通信接口传输给数码显示模块，由数码显示模块完成转速的数码显示及模板状态灯的指示。
所述MCU软件模块计算得到的转速值的单位为：转/分，rpm。
所述电流信号调理模块共四个，每个模块均采用隔离放大处理。
所述CPLD模块控制ADC模块的采样频率。
所述继电器控制模块中共4个继电器，分别用于超速103％、110％、114％、加速度超限、功率、负荷不平衡的判断输出。
所述MCU硬件模块中包括EEROM、SRAM电路，EEROM电路用于MCU软件模块计算时扩展数据空间，SRAM电路用于静态保存必需的工作参数。
所述磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器信号采集处理电路由跳线选择配置。
所述模板采用两路24VDC电源供电，任意一路电源故障，不影响模板正常工作，电源子系统是由两个DC-DC总电源变换模块和六个隔离DC-DC电源模块以及几组电源变换电路组成，保证了电流信号调理模块、DAC模块、继电器控制模块与模板模拟、数字通道之间的工作独立性，提高了模板的工作安全性。
实施例2
一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，为实现新增判断功率、负荷不平衡的功能，模板配置了四路电流信号接收、调理电路用于接收传输过来的分别表示三路中排压力、一路电功率的4-20mA电流信号，且每路处理电路均采用隔离处理，保证了其工作的独立性，提高了可靠性，采集到的电流信号经ADC模数转换后送入MCU进行计算作出判断。
为提高模板的整体处理能力及响应速度，模板采用了高性能快速的16位单片机和高性能的可编程逻辑阵列CPLD构成控制核心，该控制核心访问速度极快，同时通过CPLD丰富的I/O口，可简化模板电路，提高模板的集成度，从而增强模板可靠性。
为达到甚至超过同类模板测速上的性能，模板采用专用16位A/D芯片配MCU内部高速工作单元对转速传感器信号进行采样及处理，同时在MCU软件模块内采用了独特的软件滤波算法，有效的提高了转速的测量范围及精度，可实现1-5500转的准确测量。
同时该模板配备了DAC模块电路，可实现对应转速的4-20mA电流信号输出，以供其他组件对转速的获取。
模板配置的继电器控制模块共含四路继电器输出电路，外接线输出均采用继电器干节点输出模式，保证在不同类型报警情况出现时给出不同的报警控制信号。
为了提高模板的的使用便利性及状态可视性，模板配置了数码显示模块，该模块采用高速的8位PIC单片机作为控制核心与模板MCU通过串行通信进行数据交换，可实时、稳定的显示转速(单位：转/分，rpm)以及指示响应的报警灯。
模板采用两路24VDC电源供电，任意一路电源故障，不影响模板正常工作，电源子系统是由两个DC-DC总电源变换模块和六个隔离DC-DC电源模块以及几组电源变换电路组成，保证了电流信号调理模块、DAC模块、继电器控制模块与模板模拟、数字通道之间的工作独立性，提高了模板的工作安全性。
实施例3
如图2所示，本发明采用一套电路板，在该电路板上集成有隔离放大调理电路、精密放大电路、整波电路、锁相环电路、ADC模数转换电路、CPLD电路、MCU电路、DAC数模转换电路、继电器控制电路、存储器扩展电路、PIC单片机及液晶显示电路。
涡流传感器信号在接入模板后需要先进行整波处理，调理出可供其他电路处理的稳定波形，具体电路图如图3所示。
模板通过跳线J10选择是处理涡流传感器信号还是处理磁阻传感器信号，然后对信号经仪表放大器AD620放大处理，再对放大过的信号由运放OP07及双运放OPA2364进行信号的平移处理，因为AD的比较电压为2.5V，为了配合模数转换芯片AD73360采集需求，所以需要把采集到的信号平移到2.5V左右，同时经AD620放大处理的信号再由双运放OPA2364、电压比较器LM311、缓冲器2G34、光藕TLP115A组成的电路进行滤波、整形、平移处理，然后输出给锁相环电路，如图4所示。
锁相环电路是把经模拟电路处理后的信号整形及对信号进行8分频后再传输给CPU，在保证信号质量的同时，大的分频数可以降低CPU的负荷，具体电路图如图5所示。
对于输入到模板上的四路4-20mA电流信号均需要进行隔离放大处理，然后再输入到AD芯片，具体电路图如图6所示。
AD芯片对经处理过的信号进行模数转换，再通过CPLD(EPM7128STC100-10)以SPI总线方式传输给CPU处理，如图7所示。
MCU采用的是Infineon公司先进的高档16位单片机XC164CS，同时扩展了一片EEROM(CYZC1021)和一片SRAM(FM26640)，MCU与CPLD之间通过SPI总线进行数据交换，如图8所示。
对应转速值的4-20mA电流信号，由MCU经CPLD控制16位DA芯片(AD420)输出，具体电路如图9所示。
继电器报警信号，由MCU经CPLD控制相应的驱动电路驱动继电器动作，如图10所示。
通过TXD、RXD串口把相应的转速值及报警信息传输给由PIC芯片(PIC18F2520)及状态指示灯等组成的显示电路，电路如图11所示。
对于转速的计算采用了IIR型数字滤波器的原理进行软件滤波处理，原理如下2个式所示：
其中， 对于每一个二阶基本节，可以转置直接II型结构加以实现，原理图如图12所示，所表示为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)。
本发明多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板与传统汽轮机超速保护模板相比区别在于：在保证能可靠实现汽轮机超速保护功能的前提下，提高了转速的测量精度，同时实现了适用不同种类速度传感器的需求，并且增加了功率、负荷不平衡判断功能及增加了数码显示功能，以及提供了稳定的干接点报警保护信号输出。
Claims (9)
1、一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，包括信号处理系统和电源子系统，其特征在于：所述信号处理系统包括速度信号调理模块、电流信号调理模块、ADC模块、DAC模块、MCU模块、CPLD模块、继电器控制模块、数码显示模块；所述速度信号调理模块中设置有磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器信号采集处理电路，并与ADC模块连接；所述DAC模块、继电器控制模块与CPLD模块连接；所述CPLD模块与MCU模块通过SPI全双工同步通信接口连接；所述电流信号调理模块与ADC模块连接；所述速度信号调理模块、ADC模块分别与CPLD模块连接；数码显示模块与MCU模块连接。
2、根据权利要求1所述的一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，其特征在于：所述数码显示模块与MCU模块通过UART异步串行通信接口相连。
3、根据权利要求1所述的一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，其特征在于：所述MCU模块包括传输信号的MCU硬件模块和处理信号的MCU软件模块；所述速度信号调理模块包括频率信号整波电路、精密放大电路、锁相环电路，所述锁相环电路和磁阻式速度传感器、电涡流速度传感器信号采集处理电路连接。
4、根据权利要求3所述的一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，其特征在于处理信号流程的步骤为：所述速度信号调理模块设置的磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器信号采集处理电路将采集到的速度信号经整波、放大处理后同时送入ADC模块和锁相环电路，经电流信号调理模块调理过的电流信号直接送入ADC模块，再把经ADC模块和锁相环电路处理后的信号送入CPLD模块；所述CPLD模块再将信号传输到DAC模块和继电器控制模块；所述CPLD模块还通过SPI全双工同步通信接口将信号传输给MCU硬件模块，并由MCU软件模块计算并判断经CPLD模块采集到的速度信号和电流信号；所述MCU软件模块把计算得到的转速值以及报警信号通过通信接口传输给数码显示模块，由数码显示模块完成转速的数码显示及模板状态灯的指示。
5、根据权利要求1或4所述的一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，其特征在于：所述电流信号调理模块共四个，每个模块均采用隔离放大处理。
6、根据权利要求1或4所述的一种多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，其特征在于：所述CPLD模块控制ADC模块的采样频率。
7、根据权利要求3所述的一种多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，其特征在于：所述MCU硬件模块中包括EEROM、SRAM电路，EEROM电路用于MCU软件模块计算时扩展数据空间，SRAM电路用于静态保存必需的工作参数。
8、根据权利要求1所述的一种多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，其特征在于：所述磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器信号采集处理电路由跳线选择配置。
9、根据权利要求1所述的一种多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，其特征在于：所述模板采用两路24VDC电源供电，电源子系统是由两个DC-DC总电源变换模块和六个隔离DC-DC电源模块组成。
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Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 618000 NO. 18, SECTION 3 OF LUSHAN SOUTH ROAD, DEYANG CITY, SICHUAN PROVINCE TO: 618000 NO. 666, JINSHAJIANG WEST ROAD, DEYANG HIGH-TECH. INDUSTRIAL PARK, SICHUAN PROVINCE |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20110607 Address after: 618000, Deyang hi tech Industrial Park, Sichuan, Jiangxi Road, Jinsha 666 Co-patentee after: Sichuan Orient Electric Automatic Control Engineering Co., Ltd. Patentee after: Dongfang Turbine Co., Ltd., Dongfang Electric Group Address before: 618000 No. three, 18 South Mount Lu Road, Sichuan, Deyang Patentee before: Sichuan Orient Electric Automatic Control Engineering Co., Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 618000 Jinsha Jiangxi Road, high tech Industrial Park, Deyang, Sichuan, 666 Co-patentee after: Dongfang Electric Automatic Control Engineering Co., Ltd. Patentee after: Dongfang Turbine Co., Ltd., Dongfang Electric Group Address before: 618000 Deyang High-tech Industrial Park, Sichuan Province, 666 Jinsha Jiangxi Road Co-patentee before: Sichuan Orient Electric Automatic Control Engineering Co., Ltd. Patentee before: Dongfang Turbine Co., Ltd., Dongfang Electric Group |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090527 Termination date: 20190627 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |