CN109441649B - 数字式调速控制器及其控制发动机工作的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字式调速控制器及其控制发动机工作的方法。数字式调速控制器包括第一控制单元、第一转速或频率输入调理单元、执行器驱动单元、开关触点输入单元和上位机；第一转速或频率输入调理单元通过第一隔离器与第一控制单元通信连接；执行器驱动单元输入端通过第二隔离器与第一控制单元通信连接；开关触点输入单元输出端通过第三隔离器与第一控制单元通信连接；上位机通过至少一个通信接口与第一控制单元通信连接，通信接口连接第一控制单元的端口包括通信输出端和通信输入端，通信接口连接第一控制单元的端口的通信输出端通过开关与第一控制单元连接。实现高安全性、高可靠性的对发动机进行控制的效果。
Description
技术领域
本发明实施例涉及发动机控制技术，尤其涉及一种数字式调速控制器及其控制发动机工作的方法。
背景技术
随着核电站中柴油机应用于核电站应急发电机组技术的不断成熟，能够满足核电应急机组控制功能及性能要求的数字式调速控制器显得尤为重要。
现有技术中的数字式调速控制器仅可满足对普通柴油发动机的控制功能，具有安全性及可靠性低等问题。而且现有技术中的数字式调速控制器的硬件不满足IEC 60987标准规范，而软件不满足IEC60880标准规范。数字式调速控制器芯片也未通过鉴定试验、软件V&V的认证及抗震试验。
发明内容
本发明提供一种数字式调速控制器及其控制发动机工作的方法，以实现高安全性高可靠性的对发动机进行控制。
第一方面，本发明实施例提供了一种数字式调速控制器，所述数字式调速控制器包括第一控制单元、第一转速或频率输入调理单元、执行器驱动单元、开关触点输入单元和上位机；
所述第一转速或频率输入调理单元通过第一隔离器与所述第一控制单元通信连接，用于检测发动机的转速或频率；
所述执行器驱动单元输入端通过第二隔离器与所述第一控制单元通信连接，用于驱动发动机按照设定转速或频率工作；
所述开关触点输入单元输出端通过第三隔离器与所述第一控制单元通信连接，用于将应急状态信息或正常状态信息传输至所述控制单元；
所述上位机通过至少一个通信接口与所述第一控制单元通信连接，所述通信接口连接所述第一控制单元的端口包括通信输出端和通信输入端，所述通信接口连接所述第一控制单元的端口的通信输入端与所述第一控制单元连接，所述通信接口连接所述第一控制单元的端口的通信输出端通过开关与所述第一控制单元连接。
第二方面，本发明实施例还提供了一种数字式调速控制器控制发动机工作的方法，
所述数字式调速控制器包括第一控制单元、第一转速或频率输入调理单元、执行器驱动单元、开关触点输入单元和上位机；所述第一转速或频率输入调理单元通过第一隔离器与所述第一控制单元通信连接，用于检测发动机的转速或频率；所述执行器驱动单元输入端通过第二隔离器与所述第一控制单元通信连接，用于驱动发动机按照设定转速或频率工作；所述开关触点输入单元输出端通过第三隔离器与所述第一控制单元通信连接，用于将应急状态信息或正常状态信息传输至所述控制单元；所述上位机通过至少一个通信接口与所述第一控制单元通信连接，所述通信接口连接所述第一控制单元的端口包括通信输出端和通信输入端，所述通信接口连接所述第一控制单元的端口的通信输入端与所述第一控制单元连接，所述通信接口连接所述第一控制单元的端口的通信输出端通过开关与所述第一控制单元连接；
所述数字式调速控制器控制发动机转速的方法包括：
第一控制单元接收到应急状态信息时，控制所述开关断开；
第一控制单元控制属于安全功能模块区的模块工作，并控制安全功能模块区的模块通过所述通信接口连接所述第一控制单元的端口的通信输出端周期性向所述上位机发送数据，所述属于安全功能模块区的模块单向向所述上位机上属于非安全功能区的模块通信。
本发明通过采用包括第一控制单元、第一转速或频率输入调理单元、执行器驱动单元、开关触点输入单元和上位机组成的数字式调速控制器，在上位机与第一控制单元之间设置开关，当工作于应急状态时，第一控制单元可传输信息至上位机，而上位机禁止对第一控制单元进行控制，解决现有数字式调速控制器安全性低，不能应用于核级应急机组的问题，实现高安全性、高可靠性的对发动机进行控制的效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种数字式调速控制器结构示意图；
图2为本发明实施例提供的又一种数字式调速控制器结构示意图；
图3为本发明实施例提供的又一种数字式调速控制器结构示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种数字式调速控制器结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种数字式调速控制器控制发动机工作的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种数字式调速控制器结构示意图，包括第一控制单元101、第一转速或频率输入调理单元102、执行器驱动单元103、开关触点输入单元104和上位机105；
第一转速或频率输入调理单元102通过第一隔离器106与第一控制单元101通信连接，用于检测发动机的转速或频率；
执行器驱动单元103输入端通过第二隔离器107与第一控制单元101通信连接，用于驱动发动机按照设定转速或频率工作；
开关触点输入单元104输出端通过第三隔离器108与第一控制单元101通信连接，用于将应急状态信息或正常状态信息传输至第一控制单元101；
上位机105通过至少一个通信接口109与第一控制单元101通信连接，通信接口109连接第一控制单元110的端口包括通信输出端和通信输入端，通信接口109连接第一控制单元101的端口的通信输入端与第一控制单元101连接，通信接口109连接第一控制单元101的端口的通信输出端通过开关110与第一控制单元101连接。
第一控制单元101接收到第一转速或频率输入调理单元102对发动机的转速或频率的反馈信息后，第一转速或频率输入调理单元可为转速传感器和位置传感器，可根据反馈信息控制执行器驱动单元103控制发动机转速或频率始终处于正常状态，执行器驱动单元包括力矩电机或伺服电机等，避免事故的发生。
开关触点输入单元104用于对数字式调速控制器所处的状态进行控制，如启停、正常/应急、额定/怠速、孤岛/速降控制等。当核电站由于地震等自然灾害而处于危险状态时，开关触点输入单元104可根据自动检测到的灾害信息反馈应急状态信息至第一控制单元101，而第一控制单元101立即启动应急模式，控制开关110断开连接，禁止上位机105对第一控制单元101进行操作，也即禁止上位机105对发动机进行控制，避免了紧急状态下由于操作失误因使发动机出现事故，进而导致核泄漏等事故发生；第一控制单元101依靠其自身的软件而对发动机进行控制，完成发动机的紧急启动以及额定转速和负荷突加突卸时的恒速控制。同时第一控制单元101可单向向上位机105输出信息，使上位机105可获悉第一控制单元101对发动机状态信息的监控状态。当处于正常状态时，开关触点单元104反馈正常状态信息至第一控制单元101，此时上位机105可操控第一控制单元101，实现人机交互以及发动机的参数组态、试验等功能，并可通过并网装置实现合闸向电网供电。本领域技术人员可以理解的是，上位机105与第一控制单元101之间至少包括一个通信接口109，每一个通信接口109与第一控制单元101之间连接端口的输出端均包含一个由第一控制单元110控制的开关。
第一控制单元101与开关触点输入单元104、第一转速或频率输入调理单元105和执行器驱动单元103之间的连接均通过隔离器连接，避免了第一控制单元101由于受外接电路的干扰而发生故障。
本实施例的技术方案，通过采用包括第一控制单元、第一转速或频率输入调理单元、执行器驱动单元、开关触点输入单元和上位机组成的数字式调速控制器，在上位机与第一控制单元之间设置开关，当工作于应急状态时，第一控制单元可传输信息至上位机，而上位机禁止对第一控制单元进行控制，同时第一控制单元与外接电路采用隔离的设计，避免了第一控制单元受到外接电路的干扰，解决现有数字式调速控制器安全性低，不能应用于核级应急机组的问题，实现高安全性、高可靠性的对发动机进行控制的效果。
可选的，通信接口109包括隔离RS485接口，开关110由第一控制单元101控制。
通信接口109采用隔离RS485，进一步将上位机105与第一控制单元101进行隔离，避免上位机对第一控制单元101造成干扰，其中隔离RS485与上位机105的连接方式为本领域技术人员所熟知，开关110由第一控制单元101进行控制，第一控制单元101中加载的软件信息通过了软件V&V的认证，开关110由第一控制单元101控制，具有更快的反应速度，进一步提高了数字式调速控制器的安全性。可以理解的是，本领域技术人员仅通过改变通信接口109的型号，完成类似功能的技术方案也在本发明的保护范围之内。
本发明实施例通过采用由隔离RS485和由第一控制单元控制的开关组成的数字式调速控制器，进一步提高了第一控制单元的抗干扰性，提高了开关的反应速度，具有更高的安全性。
参考图2，图2为本发明实施例提供的又一种数字式调速控制器结构示意图，其中，数字式调速控制器还包括：OC驱动输出单元201；
OC驱动输出单元201通过第四隔离器202与第一控制单元101通信连接。
OC驱动输出单元201也采用隔离的设计，避免其外接的各类控制继电器对第一控制单元101造成干扰，可以理解的是，第一控制单元101对发动机的控制以及完成其他功能需要各种各样的控制继电器，而其连接关系由本领域技术人员所熟知。
本发明实施例通过采用由OC驱动输出单元和第四隔离器组成的数字式调速控制器，在使第一控制单元控制各类继电器的同时，进一步避免了继电器对第一控制单元造成的干扰。
参考图3，图3为本发明实施例提供的又一种数字式调速控制器结构示意图，还包括电流输出驱动单元301，电流输出驱动单元301通过第五隔离器302与第一控制单元101通信连接；
数字式调速控制器还包括：电流输入信号调理电路单元303和模数转换器304；
电流输入信号调理电路单元303的输出端与模数转换器304输入端连接，模数转换器304的输出端通过第六隔离器305与第一控制单元101通信连接；
电流输入信号调理电路单元303的输入端分别与执行器驱动单元103输出端、外部电压或电流模拟输入端、电流输出驱动单元301连接。
数字式调速控制器工作于正常状态时，可通过并网装置实现合闸向电网供电，并网装置包括电流输入信号调理电路单元303、模数转换器304和电流输出驱动单元301，而数字式调速控制器工作于应急状态时，禁止并网装置向电网供电，以确保核电站的安全。
第五隔离器302和第六隔离器305可保证第一控制单元101免受并网装置及电网对第一控制器的干扰。
本实施例的技术方案，通过采用由电流输出驱动单元、第五隔离器、电流输入信号调理电路单元、模数转换器和第六隔离器组成的数字式调速控制器，在正常模式时并网装置合闸向电网供电，同时也避免并网装置及电网对第一控制器造成干扰。
可选的，第一隔离器106和第二隔离器107均采用数字隔离器；第三隔离器108采用光电隔离器。
第四隔离器202采用光电隔离器，第五隔离器302和第六隔离器306均采用数字隔离器。
可选的，第一控制单元101采用TMS570LS1227芯片。
第一控制单元101选用具有德国
颁发的满足ISO 26262 ASIL D及IEC61508 SIL 3安全功能的证书的TMS570LS1227芯片，适用于安全及关键场合的应用。其隔离器的选用也适用于安全及关键场合的应用。
本实施例的技术方案，通过采用经由安全认证的第一控制单元和隔离器，满足核级控制的需要，进一步提高数字式调速控制器的安全性与可靠性。
第一控制单元101用于若接收到应急状态信息，则控制开关110断开；若接收到正常状态信息，则控制开关110导通。
第一控制单元101接收到应急状态信息时，控制开关110断开，实现上位机105与第一控制单元101之间单向物理隔离，即第一控制单元101可传送信息至上位机105，而上位机105不能传送信息至第一控制单元101，避免上位机105对第一控制单元101进行误操作而导致的事故。
参考图4，图4为本发明实施例提供的又一种数字式调速控制器结构示意图，数字式调速控制器还包括：
第二控制单元401和第二转速或频率输入调理单元402；
第二控制单元401和第二转速或频率输入调理单元402均采用冗余设计；
第一转速或频率输入调理单元102通过第一隔离器106与第二控制单元401通信连接，执行器驱动单元103输入端通过第二隔离器107与第二控制单元401通信连接，开关触点输入单元104输出端通过第三隔离器108与第二控制单元401通信连接，上位机105通过至少一个通信接口109与第二控制单元401通信连接，通信接口109连接第二控制单元401的端口包括通信输出端和通信输入端，通信接口109连接第二控制单元401的端口的通信输入端与第二控制单元401连接，通信接口109连接第二控制单元401的端口的通信输出端通过开关110与第二控制单元401连接；
第二转速或频率输入调理单元402通过第一隔离器106分别与第一控制单元101和所述第二控制单元401连接。
第二控制单元401为相对于第一控制单元101冗余设计的控制单元，用于当第一控制单元101由于损坏等原因不能工作时替代第一控制单元101完成控制功能，第二转速或频率输入调理单元402为相对于第一转速或频率输入调理单元102的冗余设计，用于当第一转速或频率输入调理单元102由于损坏等原因不能工作时替代其完成检测发动机转速或频率等的功能。
且本发明实施例中所采用的硬件均通过设计、设计评审、样件生产、鉴定试验及评审完善的核级质量保证体系；选用适用于安全及关键场合并具有安全功能的证书的芯片及高可靠性的元器件，采用隔离、冗余等技术设计了高可靠性的硬件；
本实施例通过采用由第二控制单元和第二转速或频率输入调理单元组成的调速控制器，解决当第一控制单元和第一转速或频率输入调理单元由于损坏等原因不能工作时仍可完成对发动机的控制等功能。
参考图5，图5为本发明实施例提供的一种数字式调速控制器控制发动机工作的方法流程图。
数字式调速控制器包括第一控制单元、第一转速或频率输入调理单元、执行器驱动单元、开关触点输入单元和上位机；第一转速或频率输入调理单元通过第一隔离器与第一控制单元通信连接，用于检测发动机的转速或频率；执行器驱动单元输入端通过第二隔离器与第一控制单元通信连接，用于驱动发动机按照设定转速或频率工作；开关触点输入单元输出端通过第三隔离器与第一控制单元通信连接，用于将应急状态信息或正常状态信息传输至第一控制单元；上位机通过至少一个通信接口与第一控制单元通信连接，通信接口连接第一控制单元的端口包括通信输出端和通信输入端，通信接口连接第一控制单元的端口的通信输入端与第一控制单元连接，通信接口连接第一控制单元的端口的通信输出端通过开关与第一控制单元连接；
数字式调速控制器控制发动机转速的方法包括：
步骤501，第一控制单元接收到应急状态信息时，控制开关断开；
具体的，第一控制单元接收到开关触点单元输出的应急状态信息，通过第一控制单元内的软件控制开关断开，而当第一控制单元接收到开关触点单元输出的正常状态信息时，控制开关闭合。
步骤502，第一控制单元控制属于安全功能模块区的模块工作，并控制安全功能模块区的模块通过通信接口连接第一控制单元的端口的通信输出端周期性向上位机发送数据，属于安全功能模块区的模块单向向上位机上属于非安全功能区的模块通信。
具体的，属于安全功能模块区的模块位于第一控制单元内，当接收到应急状态信息时，安全功能模块区的模块仍可完成工作，与确保发动机正常运行或安全的停止下来，避免发动机突然停止工作造成事故。并且由于开关断开，上位机上属于非安全功能模块区的模块不能向第一控制单元通信，而第一控制单元可单向向上位机上属于非安全功能区的模块通信，用于在上位机上显示第一控制单元的状态信息，以使操作人员获知发动机的当前状态方便进一步采取措施。同时接收到应急状态信息时，上位机可通过软件进一步禁止属于非安全功能模块区的模块运行，进一步确保安全。而当第一控制单元接收到正常状态信息时，上位机可与第一控制单元双向通信，以实现人机交互以及发动机的参数组态、试验等功能，并可通过并网装置实现合闸向电网供电。
可选的，属于安全功能模块区的模块包括：柴油机启动模块、柴油机调速控制模块、快速加载控制模块、负载突卸控制模块、信号采集及处理模块、故障诊断及保护模块、第一通信信息发送模块和第一通信信息接收模块；
属于非安全功能模块区的模块包括：控制器组态模块、柴油机试车及试验模块、HMI(Human Machine Interface，人机接口)按键处理模块、HMI信息显示模块、第二通信信息接收模块和第二通信信息发送模块。
且本发明实施例采用的软件采用特殊的逻辑算法及故障诊断，并通过有资质第三方的V&V认证。
本发明实施例通过采用数字式调速控制器控制发动机转速的方法，当数字式调速控制器接收到应急状态信息时，进入安全功能模式，确保发动机的正常工作或发动机安全的停止工作，当数字式调速控制器接收到正常状态信息时，可利用上位机对数字式调速控制器进行控制，以完成试验和并网发电等功能。并通过将数字式调速控制器的模块区分为安全功能模块和非安全功能模块，进一步确保了应急状态下数字式调速控制器的安全运行。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种数字式调速控制器，其特征在于，所述数字式调速控制器包括第一控制单元、第一转速或频率输入调理单元、执行器驱动单元、开关触点输入单元和上位机；
所述第一转速或频率输入调理单元通过第一隔离器与所述第一控制单元通信连接，用于检测发动机的转速或频率；
所述执行器驱动单元输入端通过第二隔离器与所述第一控制单元通信连接，用于驱动发动机按照设定转速或频率工作；
所述开关触点输入单元输出端通过第三隔离器与所述第一控制单元通信连接，用于将应急状态信息或正常状态信息传输至所述第一控制单元；
所述上位机通过至少一个通信接口与所述第一控制单元通信连接，所述通信接口连接所述第一控制单元的端口包括通信输出端和通信输入端，所述通信接口连接所述第一控制单元的端口的通信输入端与所述第一控制单元连接，所述通信接口连接所述第一控制单元的端口的通信输出端通过开关与所述第一控制单元连接。
2.根据权利要求1所述的数字式调速控制器，其特征在于，所述通信接口包括隔离RS485接口，所述开关由所述第一控制单元控制。
3.根据权利要求1所述的数字式调速控制器，其特征在于，所述数字式调速控制器还包括：OC驱动输出单元；
所述OC驱动输出单元通过第四隔离器与所述第一控制单元通信连接。
4.根据权利要求1所述的数字式调速控制器，其特征在于，所述数字式调速控制器还包括：电流输出驱动单元，所述电流输出驱动单元通过第五隔离器与所述第一控制单元通信连接；
所述数字式调速控制器还包括：电流输入信号调理电路单元和模数转换器；
所述电流输入信号调理电路单元的输出端与所述模数转换器输入端连接，所述模数转换器的输出端通过第六隔离器与所述第一控制单元通信连接；
所述电流输入信号调理电路单元的输入端分别与所述执行器驱动单元输出端、外部电压或电流模拟输入端、电流输出驱动单元连接。
5.根据权利要求1所述的数字式调速控制器，其特征在于，所述第一隔离器和所述第二隔离器均采用数字隔离器；所述第三隔离器采用光电隔离器。
6.根据权利要求1所述的数字式调速控制器，其特征在于，所述第一控制单元采用TMS570LS1227芯片。
7.根据权利要求1所述的数字式调速控制器，其特征在于，所述第一控制单元用于若接收到应急状态信息，则控制所述开关断开；若接收到正常状态信息，则控制所述开关导通。
8.根据权利要求1所述的数字式调速控制器，其特征在于，所述数字式调速控制器还包括：
第二控制单元和第二转速或频率输入调理单元；
所述第二控制单元和第二转速或频率输入调理单元均采用冗余设计；
所述第一转速或频率输入调理单元通过所述第一隔离器与所述第二控制单元通信连接，所述执行器驱动单元输入端通过所述第二隔离器与所述第二控制单元通信连接，所述开关触点输入单元输出端通过所述第三隔离器与所述第二控制单元通信连接，所述上位机通过至少一个所述通信接口与所述第二控制单元通信连接，所述通信接口连接所述第二控制单元的端口包括通信输出端和通信输入端，所述通信接口连接所述第二控制单元的端口的通信输入端与所述第二控制单元连接，所述通信接口连接所述第二控制单元的端口的通信输出端通过开关与所述第二控制单元连接；
所述第二转速或频率输入调理单元通过所述第一隔离器分别与所述第一控制单元和所述第二控制单元连接。
9.一种数字式调速控制器控制发动机工作的方法，其特征在于，
所述数字式调速控制器包括第一控制单元、第一转速或频率输入调理单元、执行器驱动单元、开关触点输入单元和上位机；所述第一转速或频率输入调理单元通过第一隔离器与所述第一控制单元通信连接，用于检测发动机的转速或频率；所述执行器驱动单元输入端通过第二隔离器与所述第一控制单元通信连接，用于驱动发动机按照设定转速或频率工作；所述开关触点输入单元输出端通过第三隔离器与所述第一控制单元通信连接，用于将应急状态信息或正常状态信息传输至所述第一控制单元；所述上位机通过至少一个通信接口与所述第一控制单元通信连接，所述通信接口连接所述第一控制单元的端口包括通信输出端和通信输入端，所述通信接口连接所述第一控制单元的端口的通信输入端与所述第一控制单元连接，所述通信接口连接所述第一控制单元的端口的通信输出端通过开关与所述第一控制单元连接；
所述数字式调速控制器控制发动机转速的方法包括：
第一控制单元接收到应急状态信息时，控制所述开关断开；
第一控制单元控制属于安全功能模块区的模块工作，并控制安全功能模块区的模块通过所述通信接口连接所述第一控制单元的端口的通信输出端周期性向所述上位机发送数据，所述属于安全功能模块区的模块单向向所述上位机上属于非安全功能区的模块通信。
10.根据权利要求9所述的数字式调速控制器控制发动机工作的方法，其特征在于，所述属于安全功能模块区的模块包括：柴油机启动模块、柴油机调速控制模块、快速加卸载控制模块、负载突卸控制模块、信号采集及处理模块、故障诊断及保护模块、第一通信信息发送模块和第一通信信息接收模块；
属于非安全功能模块区的模块包括：控制器组态模块、柴油机试车及试验模块、HMI按键处理模块、HMI信息显示模块、第二通信信息接收模块和第二通信信息发送模块。
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