CN102032378B - 可组态的一体化数字电液调节器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可组态的一体化数字电液调节器，该电液调节器包括集成在同一机箱内的所有硬件，其中，数字量输入接口、频率输入检测接口、4~20mA输入检测接口和位置传感器输入接口通过模拟\数字转换器与微处理器连接；4~20mA输出接口、伺服输出接口和继电器输出接口通过数字\模拟转换器与微处理器连接；通信接口、存储器和触摸屏连接在微处理器上。本发明将硬件和控制策略通过软件进行组态，并将触摸屏等硬件集成在一个机箱中，结构紧凑；并且可以根据现场及汽轮机特点自由组态控制策略，使得单一品种的数字电液调节器可以适用于多种不同的应用场合，有利于数字电夜调节器的批量化工业生产。

Description

可组态的一体化数字电液调节器

技术领域

本发明涉及一种通过控制电液伺服阀开度来实现汽轮机转速及功率控制的设备。具体地说是一种可组态的一体化数字电液调节器。

特别是一种将全部硬件集成在一个机箱中且具有触摸屏，硬件及控制策略可以通过软件进行灵活组态的数字电液调节器。

背景技术

蒸汽推动的汽轮机是目前生产电力或提供直接旋转动力的最常用手段。汽轮机通常采用电子液压系统操纵调门的方法进行控制。随着科学技术的发展和汽轮机应用水平的提高，不同现场间汽轮机控制策略及监控现场信号常常差别很大，用户个性化需求越来越强烈。为每个现场定制用于汽轮机控制用的电液调节器，在经济性上现实，也不符合工业化生产电液调节器的趋势。目前用于电液控制的调节器，基本实现了数字化。但是纵观世界各国的相关技术，其解决方案有以下2种。

其一、采用分散控制技术，将现场要进行测控的不同信号根据类型，分别接到一个个独立的模件上，如使用数字量模件、模拟量模件、超速动作保护模件、伺服卡驱动模件、数据处理模件等。这种方案的代表如南京科远自动化集团推出的DEH-NK数字电液调节系统。

这种系统，通过配置独立的信号及处理模件的方法来适宜现场的个性化需要。但是各个模件是独立的，因此系统规模较大。且必须通过操作员站的工控机来构建人机界面。

其二、以Wardwood公司505型数字调节器为代表，虽然将现场的各种控制信的处理和控制也集成在一个机箱上，但是其基本型号采用点阵数码管显示，一次只能显示2行共48个字符。显示信息数量较少。虽然该设备的外部通道也可以进行配置。但这种配置是通过仪表板上的按键进行设置的。只能进行通道变量有限种类的配置。不具备根据现场需要，进行控制策略配置的能力。且其控制量输出只能通过4~20mA的形式进行，不能直接输出伺服电流信号。从本质上仍然没有实现一体化。

发明内容

为了适应电液调节器批量生产与用户个性化控制要求，本发明的目的是提供一种可组态的一体化数字电液调节器，该电液调节器将硬件和控制策略通过软件进行组态，并将触摸屏等硬件集成在一个机箱中，结构紧凑；并且可以根据现场及汽轮机特点自由组态控制策略，使得单一品种的数字电液调节器可以适用于多种不同的应用场合，有利于数字电夜调节器的批量化工业生产。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种可组态的一体化数字电液调节器，其特征在于：该电液调节器包括集成在同一机箱内的数字量输入接口、频率输入检测接口、4~20mA输入检测接口、位置传感器输入接口、4~20mA输出接口、伺服输出接口、继电器输出接口、通信接口、微处理器、存储器、模拟\数字转换器、数字\模拟转换器和触摸屏；数字量输入接口、频率输入检测接口、4~20mA输入检测接口和位置传感器输入接口通过模拟\数字转换器与微处理器连接；4~20mA输出接口、伺服输出接口和继电器输出接口通过数字\模拟转换器与微处理器连接；通信接口、存储器和触摸屏连接在微处理器上。

本发明中，数字量输入接口用于接收手动控制信号或来自其他控制源的数字量控制信号，如：汽门关闭、停机、复位、启动、发电开关、大网开关、转速增、转速减、同期转速增、同期转速减、功率增、功率减、功率控制投入、抽气投入、外部停机、其他备用信号。频率输入检测接口用于检测以频率形式表示的转速信号。4~20mA输入检测接口用于接收来自外部变送器或控制源发来的4~20mA信号。如来自现场的功率、主汽压力、抽汽压力、来自DCS或其他控制源的遥控转速信号、遥控负荷信号、遥控主汽压力和其他备用信号。位置传感器输入接口用于接收来自现场阀门位置的LVDT传感器信号。

所述4~20mA输出接口用于驱动阀门开关的伺服阀或对外以DDZ-III型信号形式对外输出信息。该输出的信息可根据需要配置为不同的物理意义。伺服输出接口用于驱动阀门开关的各种伺服阀。继电器输出接口用于对外发送开关量，以表示各种报警，控制信号。如：超过高速报警输出、超过超高速报警、同期投入、遥控投入、请求停机及其他备用信号。

通讯接口用于对外发送以数字量表示的各种信息也可通过通讯接口完成组态下装或扩展远程操作员站。存储器用于存储本发明所涉及的软件程序、组态信息、设备运行参数和历史数据等。

微处理器用于处理来自各个数字、模拟量及通信信号，根据组态完成设备控制和通信输出。触摸屏用于直接显示设备状态，完成设备控制、试验等操作。提供友好的人机界面。

模拟\数字转换器用将现场采集的模拟信号转变为数字信号以便微处理器进行处理。数字\模拟转换器用于将微处理器发出的数字控制信号变为模拟信号，以便现场执行器使用。

本发明通过用户组态逻辑来对各硬件IO模块进行识别和扫描。每个硬件IO模块唯一对应组态模块，通过扫描该组态模块是否合法来判断该硬件IO模块组态是否正确。若组态正确，则进行正常的IO数据扫描；否则，不进行IO数据扫描。

    本发明扫描各个数字量输入、模拟量输入及阀位位置，根据内部组态的控制策略驱动伺服输出，实现阀门开度的变化，从而控制汽轮机。同时为了与其他设备进行通信，还通过通信接口将现场情况，控制信号进行相互通信。此外还可通过通信接口实现组态下装和外接操作员站。本发明为了方便操作，使用微控制器直接控制的触摸屏来作为人机界面。以提供丰富的信息显示和方便的操作控制。

本发明首次在一个机箱中集成了实现数字电液控制所需要的全部硬件并提供触摸屏作为人机界面，提供丰富的信息显示，在参数设置及设备操作上，仅需动手触摸屏幕即可完成。且所有硬件可以进行组态和控制。并且可以根据现场及汽轮机特点自由组态控制策略。使得单一品种的数字电液调节器可以适用于多种不同的应用场合。有利于数字电夜调节器的批量化工业生产。

附图说明

图1 是本发明的结构框图。

图2 是本发明的控制策略执行流程图。

具体实施方式

一种可组态的一体化数字电液调节器，见图1，该电液调节器包括集成在同一机箱内的数字量输入接口、频率输入检测接口、4~20mA输入检测接口、位置传感器输入接口、4~20mA输出接口、伺服输出接口、继电器输出接口、通信接口、微处理器、存储器、模拟\数字转换器、数字\模拟转换器和触摸屏；数字量输入接口、频率输入检测接口、4~20mA输入检测接口和位置传感器输入接口通过模拟\数字转换器与微处理器连接；4~20mA输出接口、伺服输出接口和继电器输出接口通过数字\模拟转换器与微处理器连接；通信接口、存储器和触摸屏连接在微处理器上。

数字量接口用于接收手动控制信号或来自其他控制源的数字量控制信号，如：汽门关闭、停机、复位、启动、发电开关、大网开关、转速增、转速减、同期转速增、同期转速减、功率增、功率减、功率控制投入、抽气投入、外部停机、其他备用信号。4~20mA输入检测接口用于接收来自外部变送器或控制源发来的4~20mA信号。如来自现场的功率、主汽压力、抽汽压力、来自DCS或其他控制源的遥控转速信号、遥控负荷信号、遥控主汽压力和其他备用信号。频率检测接口用于检测以频率形式表示的转速信号。位置传感器输入接口用于接收来自现场阀门位置的LVDT传感器信号。伺服输出接口用于驱动阀门开关的各种伺服阀。4~20mA输出接口用于驱动阀门开关的伺服阀或对外以DDZ-III型信号形式对外输出信息。该输出的信息可根据需要配置为不同的物理意义。继电器输出用于对外发送开关量，以表示各种报警，控制信号。如：超过高速报警输出、超过超高速报警、同期投入、遥控投入、请求停机及其他备用信号。通信接口用于对外发送以数字量表示的各种信息也可通过通讯接口完成组态下装或扩展远程操作员站。触摸屏用于直接在本发明上显示设备状态，完成设备控制、试验等操作。提供友好的人机界面。微处理器用于处理来自各个数字、模拟量及通信信号，根据组态完成设备控制和通信输出。存储器用于存储本发明所涉及的软件程序、组态信息、设备运行参数和历史数据等。模拟\数字转换器用将现场采集的模拟信号以便微处理器进行处理。数字\模拟转换器用于将微处理器发出的数字控制信号变为模拟信号，以便现场执行器使用。

配置硬件和完成控制策略的组态信息，以文件形式通过通信接口告知微处理器。微处理器接到组态文件后，为了长期保存起见，将组态转存在调节器内的非易失存储器内。以实现掉电组态不丢失。

本发明运行时从非易失存储器重读取组态策略。根据硬件配置信息检测各个输入口及通信口情况。

来自手动操作盘或其他控制源的汽门关闭、停机、复位、启动、发电开关、大网开关、转速增、转速减、同期转速增、同期转速减、功率增、功率减、功率控制投入、抽气投入、外部停机信号，都是开关量信号。微处理器检测数字量输入接口。确定各个信号的高低电平状态。而后根据组态好的控制策略，进行必要的汽轮机控制或通信及报警输出。为了适应以后用户扩展功能的需要，数字量接口预留了备用输入通道。

汽轮机的控制室通过调节阀门开度实现的，一般现场使用LVDT传感器来检测阀门开度。在数字调节器中，微处理器通过位置传感器接口确定阀门开度，并根据伺服控制组态策略，直接控制伺服输出，以实现快速伺服控制。

汽轮机的转速和功率是数字电液调节的两个最重要的控制量。并网前，调节器以计数的方式读取采用频率形式表示的转速信号，而后通过转速PID，在伺服输出上叠加控制作用，实现通过调节阀门开度来控制转速。

当汽轮机转速到达额定转速后，可以根据同期情况，转入并网状态。此时汽轮机进入功率模式。调节器读取功率传感器的功率信息，通过功率PID进行控制。

其中转速信号通过频率检测接口读入系统，功率信号由4~20mA输入接口得到。

汽轮机属于高速旋转设备，当转速过高时会危及人身及设备安全，为此调节器可以通过组态方式设定高速和超高速两个阈值。当转速超过这两个阈值后，微处理会触发继电器输出，产生报警信号，并控制调门，以避免超速。此外继电器输出还控制同期投入、遥控投入、请求停机及其他备用信号。

由于工业现场大量设备接受4~20mA信号作为控制信号。因此调节器根据设备硬件端口的组态配置和控制策略实现4~20mA信号输出。这种输出是通过微处理控制数字模拟转换器，而后经过电压\电流转换实现电流输出。

采用触摸屏提供人机界面，通过此界面用户可以实现运行参数输入，设备控制和读取设备信息。触摸屏直接与微处理器连接。这种连接方式可以并行总线方式或采用公知的成品化触摸屏模块以RS232、RS485、以太网等方式进行。

一般来说，机组在启动和正常运行过程中，本发明接受CCS远程遥控指令或操作人员通过人机接口发出的调节指令，采集来自现场的转速、压力信号，高调门或抽汽（补汽）门的位置反馈信号，进行闭环PID控制，通过改变液压，调节阀门开度，以实现机组的安全稳定运行。其控制原理如图2所示。

机组在升速过程中，调节系统通过转速调节回路来控制机组的实际转速。在此回路下，调节器接收现场汽轮机的转速信号，作为转速的反馈信号。此信号与转速设定值比较，经PID调节，输出开度信号。与现场位置反馈信号比较，输出控制信号到电液伺服阀，控制开度，即控制调节阀的开度，从而控制机组转速。升速时，操作人员可设置目标转速和升速率。

机组并网后，调节系统通过功率控制回路调节实际功率与外界负荷相适应，汽机转速作为一次调频信号加入功率控制回路。根据需要调节器以实测功率和机组转速作为反馈信号，转速偏差作为一次调频信号对给定功率进行修正，功率给定与功率反馈比较后，经PID运算和功率放大后，经过电液转换器控制调门开度来消除偏差信号，对机组功率实现无差调节，若无功率反馈，则以阀位开环控制方式运行，即通过，开大调节汽阀，增加进汽量来达到增加负荷的目的。

本发明在一个机箱中集成了实现数字电液控制所需要的全部硬件并提供触摸屏作为人机界面，提供丰富的信息显示，在参数设置及设备操作上，仅需动手触摸屏幕即可完成。所有硬件可以进行组态和控制。并且可以根据现场及汽轮机特点自由组态控制策略。使得单一品种的数字电液调节器可以适用于多种不同的应用场合。有利于数字电夜调节器的批量化工业生产。

Claims (4)

1.一种可组态的一体化数字电液调节器，其特征在于：该电液调节器包括集成在同一机箱内的数字量输入接口、频率输入检测接口、4~20mA输入检测接口、位置传感器输入接口、4~20mA输出接口、伺服输出接口、继电器输出接口、通信接口、微处理器、存储器、模拟\数字转换器、数字\模拟转换器和触摸屏；数字量输入接口、频率输入检测接口、4~20mA输入检测接口和位置传感器输入接口通过模拟\数字转换器与微处理器连接；4~20mA输出接口、伺服输出接口和继电器输出接口通过数字\模拟转换器与微处理器连接；通信接口、存储器和触摸屏连接在微处理器上；所述数字量输入接口用于接收手动控制信号或来自控制源的数字量控制信号；频率输入检测接口用于检测以频率形式表示的转速信号；4~20mA输入检测接口用于接收来自外部变送器或控制源发来的4~20mA信号；位置传感器输入接口用于接收来自现场阀门位置的LVDT传感器信号；所述4~20mA输出接口用于驱动阀门开关的伺服阀或对外以DDZ-III型信号形式对外输出信息，且该输出的信息根据需要配置为不同的物理意义；伺服输出接口用于驱动阀门开关的伺服阀；继电器输出接口用于对外发送开关量，以表示报警、控制信号；所述微处理器用于处理数字、模拟量及通信信号，并根据组态完成设备控制和通信输出。

2.根据权利要求1所述的可组态的一体化数字电液调节器，其特征在于：所述通信接口用于对外发送以数字量表示的信息；存储器用于存储组态信息、设备运行参数和历史数据。

3.根据权利要求1所述的可组态的一体化数字电液调节器，其特征在于：所述触摸屏用于直接显示设备状态，完成设备控制、试验操作，并提供友好的人机界面。

4.根据权利要求1所述的可组态的一体化数字电液调节器，其特征在于：所述模拟\数字转换器用将现场采集的模拟信号转变为数字信号以便微处理器进行处理；数字\模拟转换器用于将微处理器发出的数字控制信号变为模拟信号，以便现场执行器使用。

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