CN103089454A - 微型燃气轮机数字式控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型燃气轮机的数字式控制装置，微型燃气轮机操作面板、微型燃气轮机系统状态元件连接通用输入输出模块，微型燃气轮机测量部件与信号调理模块相连后连接模拟/数字转换模块，通用输入输出模块与微型燃气轮机开关量执行部件连接；外部接口XINTF与微型燃气轮机模拟量执行部件连接，数字信号处理器DSP通过串行通信接口与上位机相连。本发明硬件资源具备一定裕度，接口进行了标准化设计，可以面向多种微型燃气轮机，可以对微型燃气轮机的起动、停机、冷运转、负载运行等各工况实行自动调节，满足微型燃气轮机经济性、使用寿命方面的要求，同时通过软件即可修改控制参数，可以面向不同性能的微型燃气轮机。

Description

微型燃气轮机数字式控制装置

技术领域

本发明涉及一种控制装置，尤其是一种微型燃气轮机的数字式控制装置。

背景技术

现有的微型燃气轮机控制器大多使用机械式燃料调节器或模拟电路控制器调节燃料进而控制微型燃气轮机转速及涡轮后排气温度。机械式燃料调节器对形位公差及材料性能要求较高，结构复杂。模拟电路控制器温度漂移较大，环境适应性较差。同时二者一般仅适应特定性能的微型燃气轮机，控制规律发生变化后，调整难度大：机械式燃料调节器往往需要对内部元件结构尺寸进行重新设计，加工周期长，成本高。模拟电路控制器则需要更换不同参数的元件，需要多次试验验证。

发明内容

本发明的目的是提供一种微型燃气轮机数字式控制装置，可以对微型燃气轮机的起动、停机、冷运转、负载运行等各工况实行自动调节，将微型燃气轮机转速及涡轮后排气温度等参数控制在安全允许的范围内，以满足微型燃气轮机经济性、使用寿命方面的要求。同时微型燃气轮机数字式控制装置硬件通道具备一定裕度，通过软件即可修改控制参数，可以面向不同性能的微型燃气轮机。

本发明的技术方案是：控制装置包括微型燃气轮机操作面板1、微型燃气轮机系统状态元件2、微型燃气轮机测量部件3、微型燃气轮机开关量执行部件4、微型燃气轮机模拟量执行部件14、数字信号处理器DSP11、电源模块5、开关量输入电平转换/隔离模块6、开关量输出电平转换/隔离模块7、数字/模拟转换模块8、信号调理模块9、上位机10，复位按钮17、晶振18。数字信号处理器DSP11上设置有通用输入输出模块12、模拟/数字转换模块13、外部接口XINTF15、串行通讯接口16、地址线数据线20。

微型燃气轮机操作面板1、微型燃气轮机系统状态元件2分别与开关量输入电平转换/隔离模块6相连后连接通用输入输出模块12。微型燃气轮机测量部件3与信号调理模块9相连后连接模拟/数字转换模块13。通用输入输出模块12与开关量输出电平转换/隔离模块7连接后，再与微型燃气轮机开关量执行部件4连接；外部接口XINTF15与数字/模拟转换模块8连接后，再与微型燃气轮机模拟量执行部件14连接，数字信号处理器DSP11通过串行通信接口16与上位机10相连。电源模块5连接所有部件和数字信号处理器DSP11，复位按钮17、晶振18连接数字信号处理器DSP11，数字信号处理器DSP11通过地址线数据线20连接扩展存储器19。

开关量输入电平转换/隔离模块用于采集微型燃气轮机操作面板、微型燃气轮机系统状态元件各干接点信号。开关量输入电平转换/隔离模块采用光电隔离电路，可以有效的将耦合在线路中的干扰信号隔离在控制装置外部，提高系统的抗干扰能力。

开关量输出电平转换/隔离模块用于驱动微型燃气轮机执行部件中如泵后截止阀等开关量控制的执行机构。开关量输出电平转换/隔离模块采用光电隔离电路，可以有效的将耦合在线路中的干扰信号隔离在控制装置外部，提高系统的抗干扰能力。

数字模拟转换模块的作用为：微型燃气轮机的值班喷嘴用燃料调节阀、工作喷嘴用燃料调节阀、起动系统转速调节入口需要通过4～20mA信号进行驱动控制。数字模拟转换模块选用1片12位数模转换芯片DAC7625将DSP计算结果的数字量转换为电压量，再由3片AD694转换为3路0-20mA信号，其中DAC7625为4通道、12位分辨率、建立时间为10μs的D/A转换器。它内部有2级锁存，先将数据锁存到缓冲器中，然后再锁存到输出寄存器，实现多通道同时输出。

信号调理模块用于对安装在微型燃气轮机及相关辅助系统上的传感器及变送器采集到的信号进行滤波、电平转换及抗干扰处理，然后送入数字信号处理器DSP11进行模拟数字转换。为增强系统接入多种信号类型的适应性及灵活性，本发明采用了输入信号类型可选的信号调理电路，通过改变跳线连接引脚就可以实现标准电流和电压输入信号的选择。

上位机是微型燃气轮机数字式控制装置下位机程序的直观体现，是用户了解微型燃气轮机性能的窗口，也是开发、维护人员了解微型燃气轮机工况及现场排故的主要依据。上位机监控软件为试验人员提供图形化的操作控制界面，用户可以通过该监控软件，实现微型燃气轮机实时运行状况的监控，完成各种通道测试、控制参数的设定、控制指令的下发、报警信息的监测、实时数据的处理等操作。试验人员通过人机界面上的菜单、按钮、输入框等进行操作，由控制界面模块将输入的信息发送到后台的控制管理模块，从而实现用户对试验的配置管理。控制界面模块也可以将后台控制管理模块发送的各种信息显示给用户，实现人和系统的人机交互。上位机监控软件界面设计友好、生动、功能强、易操作且直观实用。上位机实现的基本功能包括参数实时显示、参数实时曲线显示、历史曲线显示、报警状态实时显示、数据存储、提取历史数据、参数标定设置，上位机软件采用Visual C++6.0作为开发平台，设计流程为开始→通讯建立→发送命令→数据返回→返回数据处理→实时数据显示/实时曲线显示/数据存储/报警状态显示/参数标定设置→历史曲线显示→结束。

本发明硬件资源具备一定裕度，接口进行了标准化设计，可以面向多种微型燃气轮机，当控制规律发生变化时，通过软件更改即可实现而无需更改硬件。可以对微型燃气轮机的起动、停机、冷运转、负载运行等各工况实行自动调节，将微型燃气轮机转速及涡轮后排气温度等参数控制在安全允许的范围内，满足微型燃气轮机经济性、使用寿命方面的要求，已实际应用，效果满足要求。同时微型燃气轮机数字式控制装置硬件通道具备一定裕度，通过软件即可修改控制参数，可以面向不同性能的微型燃气轮机。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为开关量输入电平转换/隔离模块连接示意图；

图3为开关量输出电平转换/隔离模块连接示意图；

图4为信号调理模块连接示意图。

具体实施方式

如图所示，控制装置包括微型燃气轮机操作面板1、微型燃气轮机系统状态元件2、微型燃气轮机测量部件3、微型燃气轮机开关量执行部件4、微型燃气轮机模拟量执行部件14、数字信号处理器DSP11、电源模块5、开关量输入电平转换/隔离模块6、开关量输出电平转换/隔离模块7、数字/模拟转换模块8、信号调理模块9、上位机10，复位按钮17、晶振18。数字信号处理器DSP11上设置有通用输入输出模块12、模拟/数字转换模块13、外部接口XINTF15、串行通讯接口16、地址线数据线20。

微型燃气轮机操作面板1、微型燃气轮机系统状态元件2分别与开关量输入电平转换/隔离模块6相连后连接通用输入输出模块12。微型燃气轮机测量部件3与信号调理模块9相连后连接模拟/数字转换模块13。通用输入输出模块12与开关量输出电平转换/隔离模块7连接后，再与微型燃气轮机开关量执行部件4连接；外部接口XINTF15与数字/模拟转换模块8连接后，再与微型燃气轮机模拟量执行部件14连接，数字信号处理器DSP11通过串行通信接口16与上位机10相连。电源模块5连接所有部件和数字信号处理器DSP11，复位按钮17、晶振18连接数字信号处理器DSP11，数字信号处理器DSP11通过地址线数据线20连接扩展存储器19。

微型燃气轮机操作面板1包括起动按钮、冷运转按钮、停机按钮、紧急停机按钮。

微型燃气轮机系统状态元件2包括燃料粗过滤器堵塞发讯器、燃料细过滤器堵塞发讯器、滑油、冷却油系统综合报警器、滑油、冷却油系统综合停机信号发生器、起动系统故障信号发生器。

微型燃气轮机测量部件3包括涡轮后排气温度测量热电偶、转速传感器、环境温度传感器、大气压力传感器、值班喷嘴前压力传感器、工作喷嘴前压力传感器、水平振动传感器、垂直振动传感器、起动电流互感器、用户负载电流互感器。

微型燃气轮机开关量执行部件4包括防火阀、天然气压缩机、泵后截止阀、工作喷嘴前截止阀、值班喷嘴前截止阀、点火器、起动系统起动节点、起动系统用交流接触器、负载系统用交流接触器。

电源模块5包括27V直流电源、±5V直流电源、3.3V直流电源、1.8V直流电源。

微型燃气轮机模拟量执行部件14包括值班喷嘴用燃料调节阀、工作喷嘴用燃料调节阀、起动系统转速调节端口。

开关量输入电平转换/隔离模块6共包括若干路相同的数字量输入硬件资源，每一路硬件资源包括高速光电隔离器J57、电阻，所述的高速光电隔离器J57的2脚与微型燃气轮机操作面板1或微型燃气轮机系统状态元件2中的一路相连，1脚经过电阻R1与直流5VDC的正极连接，16脚接电阻R2同时与通用输入输出模块12的一路相连，15脚与数字地连接。所述的光电隔离器J57可采用模块TLP521-4，所述的硬件资源为20路。

开关量输出电平转换/隔离模块7包括20路若干路相同的数字量输出硬件资源，每一路输出硬件资源包括光电隔离模块J58、反相器J65，所述的光电隔离模块J58的1脚通过电阻R3与3.3V直流电源连接，2脚与反相器J65的8、10、12中的任一脚连接，16脚通过电阻R4与5V直流电源连接，同时与微型燃气轮机开关量执行部件4中的一路连接，15脚接地；反相器J65的7脚接地，引脚14连接与3.3V直流电源和电容C1一端连接，电容C1另一端接地；反相器的1脚与通用输入输出模块12的一路相连。所述的光电隔离模块可采用TLP521-4，反相器可采用74HLS04模块。所述的硬件资源为20路。

信号调理模块9的接插件U15和U16的1脚和3脚连接电阻后汇接至电阻R6，再通过电阻R5连接运算放大器U2的5脚，在电阻R6和R5之间及电阻R5与运算放大器U2的5脚之间连接有电容，电容的另一端接地，插件U15的2脚接微型燃气轮机测量部件3中的一路，插件U16的2脚接地，运算放大器U2的4脚接12V的正极，运算放大器U2的6脚、7脚并接后接入模拟/数字转换模块13的输入引脚，运算放大器U2的11脚分别接-12V和电容，所述的电容另一端均接地。所述的运算放大器U2可采用LM124模块。

本装置工作情况如下：微型燃气轮机操作面板1、微型燃气轮机系统状态元件2发出的开关量输入信号通过开关量输入电平转换/隔离模块6整形后送至通用输入输出模块12，进入数字信号处理器DSP11，数字信号处理器DSP11根据接收到的信号执行相应子程序。微型燃气轮机测量部件3输出的模拟信号通过信号调理模块9处理后送至数字信号处理器DSP11的模拟数字转换模块13，进行模数转换。数字信号处理器DSP11经通用输入输出模块12所发出的开关量输出信号经开关量输出电平转换/隔离模块7整形后送至微型燃气轮机开关量执行部件4。数字信号处理器DSP11经外部接口XINTF15所发出的模拟输出信号经数字模拟转换模块8进行数模转换，然后送至微型燃气轮机模拟量执行部件14。

Claims (16)

1.一种微型燃气轮机数字式控制装置，其特征是，控制装置包括微型燃气轮机操作面板[1]、微型燃气轮机系统状态元件[2]、微型燃气轮机测量部件[3]、微型燃气轮机开关量执行部件[4]、微型燃气轮机模拟量执行部件[14]、数字信号处理器DSP[11]、电源模块[5]、开关量输入电平转换/隔离模块[6]、开关量输出电平转换/隔离模块[7]、数字/模拟转换模块[8]、信号调理模块[9]、上位机[10]、复位按钮[17]、晶振[18]，数字信号处理器DSP[11]上设置有通用输入输出模块[12]、模拟/数字转换模块[13]、外部接口XINTF[15]、串行通讯接口[16]、地址数据线[20]，所述的微型燃气轮机操作面板[1]、微型燃气轮机系统状态元件[2]分别与开关量输入电平转换/隔离模块[6]相连后连接通用输入输出模块[12]，微型燃气轮机测量部件[3]与信号调理模块[9]相连后连接模拟/数字转换模块[13]，通用输入输出模块[12]与开关量输出电平转换/隔离模块[7]连接后，再与微型燃气轮机开关量执行部件[4]连接；外部接口XINTF[15]与数字/模拟转换模块[8]连接后，再与微型燃气轮机模拟量执行部件[14]连接，数字信号处理器DSP[11]通过串行通信接口[16]与上位机[10]相连，电源模块5连接所有部件和数字信号处理器DSP[11]，复位按钮[17]、晶振[18]连接数字信号处理器DSP[11]，数字信号处理器DSP[11]通过地址数据线[20]连接扩展存储器[19]。

2.如权利要求1所述的微型燃气轮机数字式控制装置，其特征是，所述的开关量输入电平转换/隔离模块[6]包括若干路相同的数字量输入硬件资源，每一路硬件资源包括高速光电隔离器[J57]、电阻，所述的高速光电隔离器[J57]的2脚与微型燃气轮机操作面板[1]或微型燃气轮机系统状态元件[2]中的一路相连，1脚经过电阻[R1]与直流5VDC的正极连接，16脚经过电阻[R2]与通用输入输出模块[12]的一路相连，15脚与数字地连接。

3.如权利要求2所述的微型燃气轮机数字式控制装置，其特征是，所述的硬件资源为20路。

4.如权利要求2所述的微型燃气轮机数字式控制装置，其特征是，所述的光电隔离器[J57]可采用模块TLP521-4。

5.如权利要求1所述的微型燃气轮机数字式控制装置，其特征是，所述的开关量输出电平转换/隔离模块[7]包括若干路相同的数字量输出硬件资源，每一路输出硬件资源包括光电隔离模块[J58]、反相器[J65]，所述的光电隔离模块[J58]的1脚通过电阻[R3]与3.3V直流电源连接，2脚与反相器[J65]的[8]、[10]、[12]中的任一脚连接，16脚通过电阻[R4]与5V直流电源连接，同时与微型燃气轮机开关量执行部件[4]中的一路连接，15脚接地；反相器[J65]的7脚接地，引脚14连接与3.3V直流电源和电容[C1]一端连接，电容[C1]另一端接地；反相器的1脚与通用输入输出模块[12]的一路相连。

6.如权利要求5所述的微型燃气轮机数字式控制装置，其特征是，所述的硬件资源为20路。

7.如权利要求5所述的微型燃气轮机数字式控制装置，其特征是，所述的光电隔离模块[J58]可采用TLP521-4。

8.如权利要求5所述的微型燃气轮机数字式控制装置，其特征是，所述的反相器[J65]可采用74HLS04模块。

9.如权利要求1所述的微型燃气轮机数字式控制装置，其特征是，所述的信号调理模块[9]的接插件[U15]和[U16]的1脚和3脚连接电阻后汇接至电阻[R6]，再通过电阻[R5]连接运算放大器[U2]的5脚，在电阻[R6]和[R5]之间及电阻[R5]与运算放大器[U2]的5脚之间连接有电容，电容的另一端接地，插件[U15]的2脚接微型燃气轮机测量部件[3]中的一路，插件[U16]的2脚接地，运算放大器[U2]的4脚接12V的正极，U2单元的6脚、7脚并接后接入模拟/数字转换模块[13]的输入引脚，运算放大器[U2]的11脚分别接-12V和电容，所述的电容另一端均接地。

10.如权利要求9所述的微型燃气轮机数字式控制装置，其特征是，所述的运算放大器[U2]可采用LM124模块。

11.如权利要求1所述的微型燃气轮机数字式控制装置，其特征是，所述的微型燃气轮机操作面板[1]包括起动按钮、冷运转按钮、停机按钮、紧急停机按钮。

12.如权利要求1所述的微型燃气轮机数字式控制装置，其特征是，所述的微型燃气轮机系统状态元件[2]包括燃料粗过滤器堵塞发讯器、燃料细过滤器堵塞发讯器、滑油、冷却油系统综合报警器、滑油、冷却油系统综合停机信号发生器、起动系统故障信号发生器。

13.如权利要求1所述的微型燃气轮机数字式控制装置，其特征是，所述的微型燃气轮机测量部件[3]包括涡轮后排气温度测量热电偶、转速传感器、环境温度传感器、大气压力传感器、值班喷嘴前压力传感器、工作喷嘴前压力传感器、水平振动传感器、垂直振动传感器、起动电流互感器、用户负载电流互感器。

14.如权利要求1所述的微型燃气轮机数字式控制装置，其特征是，所述的微型燃气轮机开关量执行部件[4]包括防火阀、天然气压缩机、泵后截止阀、工作喷嘴前截止阀、值班喷嘴前截止阀、点火器、起动系统起动节点、起动系统用交流接触器、负载系统用交流接触器。

15.如权利要求1所述的微型燃气轮机数字式控制装置，其特征是，所述的电源模块[5]包括27V直流电源、±5V直流电源、3.3V直流电源、1.8V直流电源。

16.如权利要求1所述的微型燃气轮机数字式控制装置，其特征是，所述的微型燃气轮机模拟量执行部件[14]包括值班喷嘴用燃料调节阀、工作喷嘴用燃料调节阀、起动系统转速调节端口。

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