CN112696238B - 一种用于汽轮机蒸汽阀门的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于汽轮机蒸汽阀门的控制系统及方法，属于电站汽轮机数字式电液控制技术领域。在本技术方案中，通过控制带主级阀芯和先导级阀芯两级阀芯反馈的比例阀，采用PWM（脉宽调制波）进行驱动控制，采用全数字化集成电路设计和以太网数据通信，可实现对汽轮机蒸汽阀门液压驱动装置（油动机）的控制，通过在蒸汽阀门上安装的线性位移传感器，比例阀和控制系统构成控制闭环环路，实时调节和控制比例阀状态，其中，数据可通过以太网进行上传采集，供用户进行定量分析蒸汽阀门数据。

Description

一种用于汽轮机蒸汽阀门的控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种用于汽轮机蒸汽阀门的控制系统及方法，尤其涉及一种用于汽轮机蒸汽阀门、具有两级阀芯反馈的比例电磁铁闭环控制系统及方法，属于电站汽轮机数字式电液控制技术领域。

背景技术

在汽轮机（特别是30WKW以上）的应用场合中，普遍使用大功率电液转换装置，来控制汽轮机中蒸汽阀门的进气量。其中，在使用比例电磁铁作为阀门驱动部件的比例阀应用中，需两级阀芯结构（驱动电磁铁的先导级和驱动液压阀门的主级）来实现大功率驱动阀门。

目前，国内这种两级电液比例阀在控制产品上主要依赖国外厂家，而针对高功率液压应用而言，两级阀芯可有效实现功率放大，在保持大功率的同时具有很好的动态性能；在结构设计上要实现这种“电做功”转化为“液压做功”的方式，需采用电磁铁驱动的阀芯来驱动液压油路用于驱动下一级液压阀芯，再通过液压阀芯的作用来驱动更大的功率油路。这种两级阀芯结构分为先导级阀芯和主级阀芯，先导级阀芯的作用适用于驱动比例电磁铁，控制主级阀芯运动；主级阀芯驱动外部液压油路，从而实现功率放大，完成大功率场景应用。

因此，根据大功率液压应用需要，需研制一种能够配套两级阀芯反馈的大功率电液比例阀控制系统，其需带有先导级和主级两级阀芯反馈，能够实现各级阀芯反馈的控制电路，从控制原理的角度上看，要在先导级和主级上实现阀内的两级闭环控制，加上外部阀体运动的位移传感器环路则为三个闭环控制。目前，由于国内厂家普遍采用模拟电路对液压阀进行控制，对于数据的采集非常不方便，特别是针对在比例阀两级阀芯断线的情况下，无法检测定位现场的故障，控制装置也无法及时地处理类似故障，在特定的情况下回引起应用场景下蒸汽阀门顶开，这对汽轮机这样涉及重大安全、经济利益的设备而言，是极为严重的问题及不足。

于2019年08月27日公开了一种公开号为CN110173310A，名称为“一种核电站汽轮机蒸汽阀门调节系统及其安全控制方法”的专利文献，其中，具体公开：汽轮机蒸汽阀门调节系统包括油路单元、GSE单元、GRE单元和控制器，其中安全控制方法包括响应于控制器的开阀指令以控制GSE单元和GRE单元进行的开阀操作，或者响应于控制器的关阀指令以控制GSE单元和GRE单元进行的关阀操作；安全控制方法在开阀操作或关阀操作中均采用了GSE单元和GRE单元分开进油或失油的操作顺序，避免瞬时耗油量过大而引起的系统油压扰动情形。

于2020年05月15日公开了一种公开号为CN210531720U，名称为“一种电磁比例阀控制系统“的专利文献，其中，具体公开：主要包括MCU控制模块、电源模块、信号采集模块以及阀门控制模块，MCU控制模块控制连接信号采集模块和阀门控制模块；阀门控制模块控制连接电磁比例阀；电源模块与其它模块进行电连接。

于2019年03月26日公开了一种公开号为CN109519233A，名称为“用于核电厂汽轮机进汽调节阀的在线监测方法和系统”的专利文献，其中，具体公开：根据核电厂汽轮机进汽调节阀控制卡的控制策略，构建PID控制模型，PID控制模型的输入信号为汽轮机控制器输出指令、调节阀阀门反馈信号和比例阀先导阀反馈信号，PID控制模型的输出信号为调节阀控制卡模拟输出指令；实时采集并存储核电厂汽轮机进汽调节阀控制卡的多个监测信号；根据PID控制模型和预设的判断策略，判断多个监测信号是否触发报警条件，在触发报警条件时，输出对应的预警信号。通过该发明可以提前预警故障，及时和快速锁定现场进汽调节阀的故障部位，查找引发的人为操作不当风险，保障机组安全稳定运行，同时大大提高核电厂的经济性。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，针对汽轮机的应用场景，提出了一种用于汽轮机蒸汽阀门的控制系统及方法。本控制系统通过控制带主级阀芯和先导级阀芯两级阀芯反馈的比例阀，采用PWM（脉宽调制波）进行驱动控制，采用全数字化集成电路设计和以太网数据通信，可实现对汽轮机蒸汽阀门液压驱动装置（油动机）的控制，通过在蒸汽阀门上安装的线性位移传感器，比例阀和控制系统构成控制闭环环路，实时调节和控制比例阀状态，其中，数据可通过以太网进行上传采集，供用户进行定量分析蒸汽阀门数据。

为了实现上述技术目的，提出如下的技术方案：

一种用于汽轮机蒸汽阀门的控制系统，与液压驱动装置连接，所述液压驱动装置包括与汽轮机蒸汽阀门相连的油动机，油动机包括比例阀、油缸和线性位移传感器，控制系统与比例阀连接，比例阀与油缸连接，油缸与线性位移传感器连接，线性位移传感器与控制系统连接，控制系统、比例阀、油缸和线性位移传感器之间形成闭环控制通路；

所述控制系统包括控制器、用于采集给定信号和反馈信号的信号采集模块、用于输出驱动信号的信号驱动模块，信号采集模块一端与控制器连接，另一端与油动机连接；信号驱动模块一端与控制器连接，另一端与油动机连接；

所述比例阀包括先导级阀芯和主级阀芯，先导级阀芯中设置有先导级比例电磁铁，先导级比例电磁铁与信号采集模块连接，信号采集模块与控制器连接，控制器与信号驱动模块连接，信号驱动模块与先导级比例电磁铁连接，先导级比例电磁铁、信号采集模块、控制器及信号驱动模块之间形成先导级控制环路；

先导级阀芯与主级阀芯之间通过油路连接，主级阀芯与信号采集模块连接，信号采集模块与控制器连接，控制器与信号驱动模块连接，先导级阀芯、主级阀芯、信号采集模块、控制器及信号驱动模块之间形成主级阀芯控制环路；

主级阀芯与油缸之间通过油路连接，油缸上线性位移传感器与信号采集模块连接，信号采集模块与控制器连接，控制器与信号驱动模块连接，先导级阀芯、主级阀芯、线性位移传感器、信号采集模块、控制器及信号驱动模块之间形成油动机控制环路；

其中，先导级控制环路、主级阀芯控制环路及油动机控制环路共同构成了闭环控制通路；

其中，先导级阀芯：控制系统控制先导级比例电磁铁移动，来控制先导级阀芯的液压油路而驱动主级阀芯运动；

主级阀芯：通过接受先导级比例电磁铁的控制，移动主级阀芯，进一步控制液压油动机油路，完成驱动功率的放大，实现高功率驱动；

油缸：通过接受主级阀芯控制的油路来实现油缸的运动，并通过外部机械连接的LVDT（线性位移传感器）进行行程反馈。

进一步的，所述油缸通过杠杆机构与汽轮机蒸汽阀门连接。在闭环控制通路中，控制系统通过控制卡的给定指令（给定信号），发出驱动信号控制比例阀的开合，从而让比例阀驱动油缸运动；通过油缸外部机械相连的线性位移传感器反馈出位移信号，控制系统接收到位移信号后，通过调节控制系统完成油缸位置的控制，而油缸通过杠杆机构进一步放大功率，将汽轮机蒸汽阀门控制在预定的位置，最终实现闭环控制。

进一步的，所述油动机上设置多个接口，所述接口包括PWM（脉宽调制波）电流驱动接口、先导级反馈接口、主级反馈接口及线性位移传感器接口，其中，

PWM电流驱动接口：接受本控制卡的驱动电流，控制先导级比例电磁铁运动；

先导级反馈接口：在先导级比例电磁铁移动情况下，反馈先导级比例电磁铁的运动行程；

主级反馈接口：通过先导级阀芯的液压油路控制主级液压阀运动后，主级阀芯运动时用来反馈主级阀芯的运动行程；

线性位移传感器接口：通过油缸的运动，调节线性位移传感器的反馈信号，通过该反馈信号，本控制系统可了解油动机行程的具体位置。

进一步的，所述控制器采用的核心控制芯片为STM32F407，核心控制芯片内部实现控制系统的核心算法。

进一步的，所述给定信号来自于系统卡的模拟信号，因此，设计了4路模拟量输入的AI采集信号，通过控制器（核心控制芯片STM32F407）内部的AD采集完成数字量的转换。

进一步的，所述反馈信号包括先导级反馈信号、主级反馈信号和位移传感器信号，其中，先导级反馈信号来自于比例阀中先导级阀芯反馈，主级反馈信号来自于比例阀中主级阀芯反馈，位移传感器信号来自于油动机行程LVDT（线性位移传感器）反馈。

进一步的，所述驱动信号包括两路PWM发波信号，用于通过控制比例电磁铁上的电流来让先导级阀芯运动。其中，控制系统提供两路驱动信号（PWM发波信号），便于不同类型比例阀驱动信号组合，也可通过本控制系统配置比例阀工作方式。信号驱动模块通过功率驱动电路连接有外部电源，由于信号驱动模块为电路上功率较大的部分，需使用外部供电电源为功率驱动电路供电，控制器（核心控制芯片STM32F407）内部通过发出脉宽调制波（PWM）来控制功率驱动电路上的电流。

进一步的，所述控制器上设置RS485接口和以太网调试接口，便于让调试工程师或用户通过PC接入，其中，RS485接口可实现常规控制功能的调试，支持MODBUS RTU协议，可让其与该通信协议相兼容的设备进行通信；以太网调试接口则使用了TCP/IP协议，在MCU主芯片内部使用了TCP/IP协议，便于PC可以通过网线直接与控制系统相连，通过100Mbps的通信速率，可快速将内部数据实时反馈出来，让用户可得到更为真实的汽轮机蒸汽阀门内部数据，同时通过软件功能设计，将内部数据进行存储，用户可通过实时和历史存储两种方式来实现数据展示，可有效地对数据进行分析，可让用户实时定量对汽轮机蒸汽阀门的运动进行跟踪分析。

进一步的，所述控制系统内设置有电池，保证实时时钟（RTC）的工作，同时确保在一定稳定时间范围内为用户提供带有时间标记的数据。此外，控制系统中设置有FRAM存储芯片，可将控制参数进行存储。

进一步的，所述控制系统还包括故障检测模块，故障检测模块一端与控制器连接，另一端连接有LED灯。在硬件通道出现故障时，障检测模块通过LED灯报出故障。对于故障检测模块，其通过采集电路将输入的值控制在一定范围内，超出该范围就会判断为异常。对于故障检测模块，涉及的故障包括AD故障、AI通道断线故障、DI通道故障、DO通道故障和PWM发波电路电流通道故障。

进一步的，所述控制系统还包括状态机，控制系统接受外部DI信号后，控制其内部的状态机进行状态切换，具体为：控制系统接收硬件电信号，在CPU中的程序中设计有状态机，通过硬件信号可控制状态机，即实现状态机的状态切换。

进一步的，所述信号驱动模块包括AD驱动模块、DI驱动模块、DO驱动模块、以太网驱动模块、RS485驱动功能、定时器驱动模块、时钟晶振电路驱动模块、实时时钟电路驱动模块、FRAM芯片驱动模块、LED驱动模块及PWM发波驱动模块；其中，

AD驱动模块：用于实现AI通道的数据采集功能；

DI驱动模块：用于实现DI通道的数据采集功能；

DO驱动模块：用于实现DO通道的数据输出功能；

以太网驱动模块：用于实现以太网通信电路的驱动，完成以太网信号收发，以及TCP/IP协议的移植功能；

RS485驱动功能：完成RS485驱动电路的收发功能；

定时器驱动模块：完成电路定时器的定制化设计；

时钟晶振电路驱动模块：通过MCU电路完成外部时钟功能的设计，以及完成电路设计；

实时时钟电路驱动模块：完成外部实时时钟功能设计，提供较为精准的时间标记，用于原地记录显著事件并向上传输，同时支持外部时钟源对时；

FRAM芯片驱动模块：完成铁电存储器芯片的电路的读写操作功能；

LED驱动模块：控制LED电路，提供软件控制接口；

PWM发波驱动模块：通过定时器控制PWM发波窗口，可以通过电路进行可控制的电路发波功能。

此外，根据工作状态管理，状态机管理包括打闸、阀芯调试、开环控制、阀门校验和自动控制，其中，

打闸：控制系统在工作状态下，将阀门迅速关闭，保护汽轮机机组；在该状态下，闭合环路都工作于正常状态，接收外部硬件DI打闸信号，以最快速度反应关闭油动机阀门；

阀芯调试：控制系统在工作状态下，阀门反馈环路开路，并且比例阀的主级阀芯反馈环路开路，仅将先导级比例电磁铁工作在闭环状态下，此时，控制系统接收来自外部的阀芯位置控制指令，通过设置该种状态可帮助调试工程师了解阀芯工作特性和外部环路中的部件工作状态；

开环控制：控制系统于油动机反馈控制环路的闭环状态下工作，接收来自外部的主级阀芯开度指令，能够将比例阀的主级阀芯工作在指定开度，用于调试人员研究油动机反馈控制环路状态；

阀门校验：整个控制系统于油动机反馈控制环路的闭环状态下工作，接收来自控制系统的阀门校验指令，能够正常控制比例阀的两级驱动，并将主级阀芯处于正常的状态；同时，通过自动控制油动机开关，拟合阀门行程曲线，将整个油动机的运行参数存储到FRAM中，供控制系统在工艺自动控制状态下调用；

自动控制：整个控制系统于油动机反馈控制环路的闭环状态下工作，接收来自控制系统的阀门开度指令，能够正常控制比例阀的两级驱动，并将主级阀芯控制为处于正常的状态。

上述五种工作状态通过外部硬件DI输入的方式进行配置，其中，涉及的打闸根据应急保护需要设计的专用功能，涉及的开环控制和阀芯调试两种方式都是通过修改控制环路的方式实现，用于工作人员故障分析。保证本控制系统被期望工作于自动控制状态下。

进一步的，在算法方面，根据本控制系统的应用需要，包括PI控制算法模块、死区补偿控制算法模块、斜坡计算控制算法模块、阀门颤动控制算法模块以及滤波控制算法模块，其中，

PI控制算法模块：实现比例积分闭环控制算法，提供可供系统集成用的算法接口，实现先导级比例电磁铁、主级阀芯和线性位移传感器的三个环路嵌套的环路控制算法。先导级控制环路实现PWM电流输出、先导级阀芯运动以及比例电磁铁位移传感器电信号反馈的环路；主级控制环路实现先导级控制环路输出、主级阀芯运动以及主级位移传感器电信号反馈的环路；线性位移传感器实现主机阀芯环路输出、油动机阀门运动以及油动机线性位移反馈的环路；

死区补偿算法模块：比例阀作为标准电磁铁阀的产物，由于电磁铁阀设计了带有相对于阀体台间的阀芯台肩正遮盖，阀体本身设计了鼠尾槽，减少了正遮盖。只有消除正遮盖，油路才能正常流动，该打开正遮盖的过程就是消除死区。

因此减少正遮盖或者消除正遮盖带来的影响就非常重要。在电气控制的角度上，必须认识到正遮盖是固有存在的，通过设计死区补偿算法可将阀芯在零位状态下跳过死区，可提高阀芯在零位区域的控制灵敏度。在一个非常低的指令电压情况下，会产生一个相对大的电磁铁电流，使阀芯移动一个消除正遮盖的距离。

斜坡算法模块：主要用于实现阀芯打开的加减速控制。对于具体设计而言，涉及到阀芯在两个方向上的打开和关闭速度的控制，其配合死区补偿算法的基础上进行设计。将阀芯打开和关闭的时间控制在预定的设计区间，使比例阀工作在预定的阀芯设计状态下，表现出比例阀不同的工作状态；

阀门颤动算法模块：阀门颤动的设计是应对油动机在长期运行的情况下，出现内部油质下降，造成阀门卡塞的状况。在这种不能更换油动机抗燃油的工况下，让主级阀芯进行来回往复高速抖动，去除油液环境中的杂质，可以改善比例阀所处的阀芯状态，使比例阀在控制状态下更满足控制期望；

滤波算法模块：其根据AI、DI的输入设计算法模块，提高数据稳定性，避免不合理数据对控制系统造成的扰动，设计多种算法和软件接口，供软件系统集成进行调用。

在本技术方案中，控制系统涉及的控制环路包括先导级控制环路、主级控制环路及线性位移传感器控制环路，其中，

先导级控制环路：完成先导级比例电磁铁的控制，通过先导级阀芯反馈构成的控制环路，完成对先导级阀芯位移的控制；

主级控制环路：完成主级阀芯的控制，通过先导级控制环路的输出结果，来驱动主机阀芯运动，读取主级阀芯反馈来形成环路，将主级阀芯控制到设定行程位置；

线性位移传感器控制环路（油动机控制环路）：完成油动机上安装的线性位移传感器的行程控制，使整个液压油动机构成环路，完成对汽轮机蒸汽阀门的开度控制。

其中，三个环路采用层层嵌套的方法，油动机控制环路使用是主级控制环路的结果，而主级控制环路使用是先导级控制环路的结果。

在本技术方案中，涉及的标准包括：GB 9254-2008 《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》、 GB 4824-2013 《工业、科学和医疗(ISM)射频设备骚扰特性 限值和测量方法》及DL/T 824-2002 《汽轮机电液调节系统性能验收导则》。

在本技术方案中，涉及的术语解释包括，

汽轮机蒸汽阀门控制卡：是电站汽轮发电机组重要的组成部分，是汽轮机起动、停止、正常运行和事故工况下的调节控制器；包括DEH控制系统与EH系统，通过控制汽轮机主汽门和调门的开度，实现对汽轮发电机组的转速、负荷、压力等的控制。

本技术方案中，涉及 “一端”、“另一端”等位置关系，是根据实际使用状态下的情况而定义的，为本技术领域内的常规用语，也是本领域术人员在实际使用过程中的常规用语。

在本技术方案的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电路连接，也可以是油路连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。

采用本技术方案，带来的有益技术效果为：

1）在本发明中，本控制系统可分为先导级控制环路、主级控制环路和线性位移传感器控制环路的三个闭合环路，三个闭合环路采用层层嵌套的方式，分别调用前一级输出结果，以及分别控制比例阀先导级阀芯、主级阀芯和油动机行程；同时，三个闭合环路可自由组合，通过修改控制结构可以灵活实现不同环路结构，在系统架构上灵活多变性；

2）在本发明中，使用以太网硬件接口进行通信，在主核心控制芯片内部移植TCP/IP协议栈，实现了以太网100Mbps速率通信，保障本控制系统产生大量实时数据，为阀门特性研究奠定基础；

3）在本发明中，引入智能芯片STM32F407作为核心控制芯片，采用数字电路替换模拟电路，进行了软硬件分离，具有较好的开拓性和实用性；

4）在本发明中，本控制系统采用状态机管理的方法来适应系统不同工况，且该工况设计符合现场工程调试人员的使用经验，并使用优先级管理系统状态，按照优先级排序依次分为打闸、阀芯调试、开环控制、阀门校验和自动控制五种工作状态；

5）在本发明中，本控制系统采用PI算法对油动机实现控制，同时在每个环路上的应用有所区别，在先导级环路使用P算法，而在主级控制环路和油动机控制环路使用PI算法。其中，在PI算法模块的参数配置上非常灵活，用户可通过以太网通信方式修改参数存储；

6）在本发明中，本控制系统内部设计了死区补偿算法，能减少或消除阀门正遮盖，通过数字化方案使阀门在零位上既稳定又可靠，提高阀门的实时响应特性；

7）在本发明中，本控制系统内部设计了斜坡算法，能够有效控制阀门打开和关闭速率，让阀门满足不同工程应用下的需要，让集成产品获得期望的阀门曲线特性；

8）在本发明中，本控制系统涉及了阀门颤动功能，能够有效去除油路杂质，能有效解决现场人员在维护过程遇到的阀门卡塞等问题，提高油动机抗燃油的使用周期，保证阀门工作在可靠状态；

9）在本发明中，本控制系统针对DI和AI通道进行了滤波设计，能有效消除外部信号抖动带来的干扰；

10）在本发明中，本控制系统针对使用MCU内部AD进行信号采集，集成程度更高；

11）在本发明中，本控制系统采用外部时钟和实时时钟功能，为系统提供实时时间戳，让控制系统产生的数据真实可信，具有分析研究价值，并且该数据可通过以太网口输出可存储于PC机上；

11）在本发明中，本控制系统使用高度集成方案设计，产品体积更小，功能更强大，更为满足实际需求。

附图说明

图1为本发明中控制系统结构框图（一）；

图2为本发明中控制系统结构框图（二）；

图3为本发明中控制系统工作原理图；

图4为本发明中比例阀结构图；

图5为本发明中电路图（一）；

图6为本发明中电路图（二）；

图中，1、先导级阀芯，2、主级阀芯，3、油路。

具体实施方式

下面通过对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种用于汽轮机蒸汽阀门的控制系统，具体如下：

如图1所示：控制系统与液压驱动装置连接，液压驱动装置包括与汽轮机蒸汽阀门相连的油动机，油动机包括比例阀、油缸和线性位移传感器，控制系统与比例阀连接，比例阀与油缸连接，油缸与线性位移传感器连接，线性位移传感器与控制系统连接，控制系统、比例阀、油缸和线性位移传感器之间形成闭环控制通路；

如图2所示：控制系统包括控制器、用于采集给定信号和反馈信号的信号采集模块以及用于输出驱动信号的信号驱动模块，信号采集模块一端与控制器连接，另一端与油动机连接；信号驱动模块一端与控制器连接，另一端与油动机连接；

如图3所示：其中，油缸通过杠杆机构与汽轮机蒸汽阀门连接。在闭环控制通路中，控制系统通过系统给定指令（给定信号），发出驱动信号控制比例阀的开合，从而让比例阀驱动油缸运动；通过油缸外部机械相连的线性位移传感器反馈出位移信号，控制系统接收到位移信号后，通过调节控制系统完成油缸位置的控制，而油缸通过杠杆机构进一步放大功率，将汽轮机蒸汽阀门控制在预定的位置，最终实现闭环控制。

如图4所示：所述比例阀包括先导级阀芯1和主级阀芯2，先导级阀芯1中设置有先导级比例电磁铁，先导级比例电磁铁与信号采集模块连接，信号采集模块与控制器连接，控制器与信号驱动模块连接，信号驱动模块与先导级比例电磁铁连接，先导级比例电磁铁、信号采集模块、控制器及信号驱动模块之间形成先导级控制环路；

先导级阀芯1与主级阀芯2之间通过油路3连接，主级阀芯2与信号采集模块连接，信号采集模块与控制器连接，控制器与信号驱动模块连接，先导级阀芯1、主级阀芯2、信号采集模块、控制器及信号驱动模块之间形成主级阀芯2控制环路；

主级阀芯2与油缸之间通过油路3连接，油缸上线性位移传感器与信号采集模块连接，信号采集模块与控制器连接，控制器与信号驱动模块连接，先导级阀芯1、主级阀芯2、线性位移传感器、信号采集模块、控制器及信号驱动模块之间形成油动机控制环路；

其中，先导级控制环路、主级阀芯2控制环路及油动机控制环路共同构成了闭环控制通路；

其中，先导级阀芯1：控制系统控制先导级比例电磁铁移动，来控制先导级阀芯1的液压油路3而驱动主级阀芯2运动；

主级阀芯2：通过接受先导级比例电磁铁的控制，移动主级阀芯2，进一步控制液压油动机油路3，完成驱动功率的放大，实现高功率驱动；

油缸：通过接受主级阀芯2控制的油路3来实现油缸的运动，并通过外部机械连接的LVDT（线性位移传感器）进行行程反馈。

此外，油动机上设置多个接口，所述接口包括PWM（脉宽调制波）电流驱动接口、先导级反馈接口、主级反馈接口及线性位移传感器接口，其中，

PWM电流驱动接口：接受本控制卡的驱动电流，控制先导级比例电磁铁运动；

先导级反馈接口：在先导级比例电磁铁移动情况下，反馈先导级比例电磁铁的运动行程；

主级反馈接口：通过先导级阀芯1的液压油路3控制主级液压阀运动后，主级阀芯2运动时用来反馈主级阀芯2的运动行程；

线性位移传感器接口：通过油缸的运动，调节线性位移传感器的反馈信号，通过该反馈信号，本控制系统可了解油动机行程的具体位置。

此外，控制器采用的核心控制芯片为STM32F407，核心控制芯片内部实现控制系统的核心算法。

此外，信号驱动模块包括AD驱动模块、DI驱动模块、DO驱动模块、以太网驱动模块、RS485驱动功能、定时器驱动模块、时钟晶振电路驱动模块、实时时钟电路驱动模块、FRAM芯片驱动模块、LED驱动模块及PWM发波驱动模块；其中，

AD驱动模块：用于实现AI通道的数据采集功能；

DI驱动模块：用于实现DI通道的数据采集功能；

DO驱动模块：用于实现DO通道的数据输出功能；

以太网驱动模块：用于实现以太网通信电路的驱动，完成以太网信号收发，以及TCP/IP协议的移植功能；

RS485驱动功能：完成RS485驱动电路的收发功能；

定时器驱动模块：完成电路定时器的定制化设计；

时钟晶振电路驱动模块：通过MCU电路完成外部时钟功能的设计，以及完成电路设计；

实时时钟电路驱动模块：完成外部实时时钟功能设计，提供较为精准的时间标记，用于原地记录显著事件并向上传输，同时支持外部时钟源对时；

FRAM芯片驱动模块：完成铁电存储器芯片的电路的读写操作功能；

LED驱动模块：控制LED电路，提供软件控制接口；

PWM发波驱动模块：通过定时器控制PWM发波窗口，可以通过电路进行可控制的电路发波功能。

此外，控制器上设置RS485接口和以太网调试接口，便于让调试工程师或用户通过PC接入，其中，RS485接口可实现常规控制功能的调试，支持MODBUS RTU协议，可让其与该通信协议相兼容的设备进行通信；以太网调试接口则使用了TCP/IP协议，在MCU主芯片内部使用了TCP/IP协议，便于PC可以通过网线直接与控制系统相连，通过100Mbps的通信速率，可快速将内部数据实时反馈出来，让用户可得到更为真实的汽轮机蒸汽阀门内部数据，同时通过软件功能设计，将内部数据进行存储，用户可通过实时和历史存储两种方式来实现数据展示，可有效地对数据进行分析，可让用户实时定量对汽轮机蒸汽阀门的运动进行跟踪分析。

此外，控制系统内设置有电池，保证实时时钟（RTC）的工作，同时确保在一定稳定时间范围内为用户提供带有时间标记的数据。此外，控制系统中设置有FRAM存储芯片，可将控制参数进行存储。

此外，控制系统还包括故障检测模块，故障检测模块一端与控制器连接，另一端连接有LED灯。在硬件通道出现故障时，障检测模块通过LED灯报出故障。对于故障检测模块，其通过采集电路将输入的值控制在一定范围内，超出该范围就会判断为异常。对于故障检测模块，涉及的故障包括AD故障、AI通道断线故障、DI通道故障、DO通道故障和PWM发波电路电流通道故障。

此外，控制系统还包括状态机，控制系统接受外部DI信号后，控制其内部的状态机进行状态切换，具体为：控制系统接收硬件电信号，在CPU中的程序中设计有状态机，通过硬件信号可控制状态机，即实现状态机的状态切换。

实施例2

如图5-6所示：本实施例提供一种用于汽轮机蒸汽阀门的控制方法，具体包括如下步骤：根据汽轮机蒸汽阀门控制卡的控制策略，向汽轮机蒸汽阀门的控制系统发出给定信号，控制系统采集给定信号并计算，向比例阀中先导级阀芯1发出驱动信号；先导级阀芯1接收驱动信号，先导级阀芯1驱动主级阀芯2运动，主级阀芯2驱动油缸运动，油缸控制汽轮机蒸汽阀门的位置；

以及，油动机向控制系统发出反馈信号，控制系统采集反馈信号并计算，进行故障诊断及预警或/和汽轮机蒸汽阀门状态机管理。

其中，给定信号来自于系统卡的模拟信号，因此，设计了4路模拟量输入的AI采集信号，通过控制器（核心控制芯片STM32F407）内部的AD采集完成数字量的转换。

其中，反馈信号包括先导级反馈信号、主级反馈信号和位移传感器信号，其中，先导级反馈信号来自于比例阀中先导级阀芯1反馈，主级反馈信号来自于比例阀中主级阀芯2反馈，位移传感器信号来自于油动机行程LVDT（线性位移传感器）反馈。

其中，驱动信号包括两路PWM发波信号，用于通过控制比例电磁铁上的电流来让先导级阀芯1运动。其中，控制系统提供两路驱动信号（PWM发波信号），便于不同类型比例阀驱动信号组合，也可通过本控制系统配置比例阀工作方式。信号驱动模块通过功率驱动电路连接有外部电源，由于信号驱动模块为电路上功率较大的部分，需使用外部供电电源为功率驱动电路供电，控制器（核心控制芯片STM32F407）内部通过发出脉宽调制波（PWM）来控制功率驱动电路上的电流。

此外，根据工作状态管理，状态机管理包括打闸、阀芯调试、开环控制、阀门校验和自动控制，其中，

打闸：控制系统在工作状态下，将阀门迅速关闭，保护汽轮机机组；在该状态下，闭合环路都工作于正常状态，接收外部硬件DI打闸信号，以最快速度反应关闭油动机阀门；

阀芯调试：控制系统在工作状态下，阀门反馈环路开路，并且比例阀的主级阀芯2反馈环路开路，仅将先导级比例电磁铁工作在闭环状态下，此时，控制系统接收来自外部的阀芯位置控制指令，通过设置该种状态可帮助调试工程师了解阀芯工作特性和外部环路中的部件工作状态；

开环控制：控制系统于油动机反馈控制环路的闭环状态下工作，接收来自外部的主级阀芯2开度指令，能够将比例阀的主级阀芯2工作在指定开度，用于调试人员研究油动机反馈控制环路状态；

阀门校验：整个控制系统于油动机反馈控制环路的闭环状态下工作，接收来自控制系统的阀门校验指令，能够正常控制比例阀的两级驱动，并将主级阀芯2处于正常的状态；同时，通过自动控制油动机开关，拟合阀门行程曲线，将整个油动机的运行参数存储到FRAM中，供控制系统在工艺自动控制状态下调用；

自动控制：整个控制系统于油动机反馈控制环路的闭环状态下工作，接收来自控制系统的阀门开度指令，能够正常控制比例阀的两级驱动，并将主级阀芯2控制为处于正常的状态。

上述五种工作状态通过外部硬件DI输入的方式进行配置，其中，涉及的打闸根据应急保护需要设计的专用功能，涉及的开环控制和阀芯调试两种方式都是通过修改控制环路的方式实现，用于工作人员故障分析。保证本控制系统被期望工作于自动控制状态下。

此外，在算法方面，根据本控制系统的应用需要，包括PI控制算法模块、死区补偿控制算法模块、斜坡计算控制算法模块、阀门颤动控制算法模块以及滤波控制算法模块，其中，

PI控制算法模块：实现比例积分闭环控制算法，提供可供系统集成用的算法接口，实现先导级比例电磁铁、主级阀芯2和线性位移传感器的三个环路嵌套的环路控制算法。先导级控制环路实现PWM电流输出、先导级阀芯1运动以及比例电磁铁位移传感器电信号反馈的环路；主级控制环路实现先导级控制环路输出、主级阀芯2运动以及主级位移传感器电信号反馈的环路；线性位移传感器实现主机阀芯环路输出、油动机阀门运动以及油动机线性位移反馈的环路；

死区补偿算法模块：比例阀作为标准电磁铁阀的产物，由于电磁铁阀设计了带有相对于阀体台间的阀芯台肩正遮盖，阀体本身设计了鼠尾槽，减少了正遮盖。只有消除正遮盖，油路3才能正常流动，该打开正遮盖的过程就是消除死区。

因此减少正遮盖或者消除正遮盖带来的影响就非常重要。在电气控制的角度上，必须认识到正遮盖是固有存在的，通过设计死区补偿算法可将阀芯在零位状态下跳过死区，可提高阀芯在零位区域的控制灵敏度。在一个非常低的指令电压情况下，会产生一个相对大的电磁铁电流，使阀芯移动一个消除正遮盖的距离。

斜坡算法模块：主要用于实现阀芯打开的加减速控制。对于具体设计而言，涉及到阀芯在两个方向上的打开和关闭速度的控制，其配合死区补偿算法的基础上进行设计。将阀芯打开和关闭的时间控制在预定的设计区间，使比例阀工作在预定的阀芯设计状态下，表现出比例阀不同的工作状态；

阀门颤动算法模块：阀门颤动的设计是应对油动机在长期运行的情况下，出现内部油质下降，造成阀门卡塞的状况。在这种不能更换油动机抗燃油的工况下，让主级阀芯2进行来回往复高速抖动，去除油液环境中的杂质，可以改善比例阀所处的阀芯状态，使比例阀在控制状态下更满足控制期望；

滤波算法模块：其根据AI、DI的输入设计算法模块，提高数据稳定性，避免不合理数据对控制系统造成的扰动，设计多种算法和软件接口，供软件系统集成进行调用。

Claims (10)

1.一种用于汽轮机蒸汽阀门的控制系统，其特征在于，与液压驱动装置连接，所述液压驱动装置包括与汽轮机蒸汽阀门相连的油动机，油动机包括比例阀、油缸和线性位移传感器，控制系统与比例阀连接，比例阀与油缸连接，油缸与线性位移传感器连接，线性位移传感器与控制系统连接，控制系统、比例阀、油缸和线性位移传感器之间形成闭环控制通路；

所述控制系统包括控制器、用于采集给定信号和反馈信号的信号采集模块以及用于输出驱动信号的信号驱动模块，信号采集模块一端与控制器连接，另一端与油动机连接；信号驱动模块一端与控制器连接，另一端与油动机连接；

所述比例阀包括先导级阀芯（1）和主级阀芯（2），先导级阀芯（1）中设置有先导级比例电磁铁，先导级比例电磁铁与信号采集模块连接，信号驱动模块与先导级比例电磁铁连接，先导级比例电磁铁、信号采集模块、控制器及信号驱动模块之间形成先导级控制环路；

先导级阀芯（1）与主级阀芯（2）之间通过油路（3）连接，主级阀芯（2）与信号采集模块连接，先导级阀芯（1）、主级阀芯（2）、信号采集模块、控制器及信号驱动模块之间形成主级阀芯（2）控制环路；

主级阀芯（2）与油缸之间通过油路（3）连接，油缸上线性位移传感器与信号采集模块连接，先导级阀芯（1）、主级阀芯（2）、线性位移传感器、信号采集模块、控制器及信号驱动模块之间形成油动机控制环路；

控制系统还包括PI控制算法模块、死区补偿控制算法模块、斜坡计算控制算法模块、阀门颤动控制算法模块以及滤波控制算法模块。

2.根据权利要求1所述的用于汽轮机蒸汽阀门的控制系统，其特征在于，所述油动机上设置多个接口，接口包括PWM电流驱动接口、先导级反馈接口、主级反馈接口及线性位移传感器接口。

3.根据权利要求2所述的用于汽轮机蒸汽阀门的控制系统，其特征在于，所述控制器采用的核心控制芯片为STM32F407。

4.根据权利要求3所述的用于汽轮机蒸汽阀门的控制系统，其特征在于，所述控制器上设置RS485接口和以太网调试接口。

5.根据权利要求4所述的用于汽轮机蒸汽阀门的控制系统，其特征在于，所述信号驱动模块包括AD驱动模块、DI驱动模块、DO驱动模块、以太网驱动模块、RS485驱动功能、定时器驱动模块、时钟晶振电路驱动模块、实时时钟电路驱动模块、FRAM芯片驱动模块、LED驱动模块及PWM发波驱动模块。

6.根据权利要求5所述的用于汽轮机蒸汽阀门的控制系统，其特征在于，所述信号驱动模块通过功率驱动电路连接有外部电源。

7.根据权利要求5所述的用于汽轮机蒸汽阀门的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括故障检测模块、FRAM存储芯片和状态机，故障检测模块一端与控制器连接，另一端连接有LED灯。

8.一种根据权利要求1-7中任意一项所述用于汽轮机蒸汽阀门的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据汽轮机蒸汽阀门控制卡的控制策略，向汽轮机蒸汽阀门的控制系统发出给定信号，控制系统采集给定信号并计算，向比例阀中先导级阀芯（1）发出驱动信号；先导级阀芯（1）接收驱动信号，先导级阀芯（1）驱动主级阀芯（2）运动，主级阀芯（2）驱动油缸运动，油缸控制汽轮机蒸汽阀门的位置；

以及，油动机向控制系统发出反馈信号，控制系统采集反馈信号并计算，进行故障诊断及预警或/和汽轮机蒸汽阀门状态机管理。

9.根据权利要求8所述的用于汽轮机蒸汽阀门的控制方法，其特征在于，所述给定信号为模拟信号，采用4路模拟量输入；

所述驱动信号包括用于控制比例电磁铁上电流，并让先导级阀芯（1）运动的两路PWM发波信号；

所述反馈信号包括来自于比例阀中先导级阀芯（1）反馈的先导级反馈信号、来自于比例阀中主级阀芯（2）反馈的主级反馈信号和来自于油动机行程反馈的位移传感器信号；

所述故障包括AD故障、AI通道断线故障、DI通道故障、DO通道故障和PWM发波电路电流通道故障；

所述状态机管理包括打闸、阀芯调试、开环控制、阀门校验和自动控制。

10.根据权利要求8所述的用于汽轮机蒸汽阀门的控制方法，其特征在于，计算算法包括PI控制算法、死区补偿算法、斜坡算法、阀门颤动算法及滤波算法。

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