專(zhuān)利名稱(chēng)：一種新型多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及汽輪機(jī)保安系統(tǒng)領(lǐng)域，尤指汽輪機(jī)保安系統(tǒng)中的測(cè)速及超速保護(hù)組 件， 一種新型多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板。
背景技術(shù)：
汽輪機(jī)超速事故是汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備破壞性最大的事故，超速事故的發(fā)生往往會(huì)產(chǎn) 生毀滅性的后果，為此所有的汽輪機(jī)均設(shè)置了超速保護(hù)裝置，在經(jīng)歷了傳統(tǒng)機(jī)械式危急 遮斷裝置、機(jī)械式危急遮斷裝置與采用DEH高壓抗燃油技術(shù)的電氣超速保護(hù)裝置并存 以及完全采用電氣超速保護(hù)三個(gè)階段后，目前的汽輪機(jī)超速保護(hù)系統(tǒng)基本都采用電氣與 機(jī)械超速保護(hù)并存。在電氣超速保護(hù)裝置中，汽輪機(jī)超速保護(hù)模板就是控制的核心部件。 目前常見(jiàn)的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板功能均比較單一，且有的模板在低速測(cè)量時(shí)并不準(zhǔn) 確，而低轉(zhuǎn)速測(cè)量性能是衡量其性能的重要指標(biāo)之一，同時(shí)由于目前市面上的汽輪機(jī)超 速保護(hù)模板多是國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格昂貴，售后維修困難。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是在保證和同類(lèi)汽輪機(jī)超速保護(hù)模板相比，可以可靠實(shí)現(xiàn)防止汽 輪機(jī)發(fā)生超速事故的前提下提高模板的性能指標(biāo)，增強(qiáng)功能、提高集成度同時(shí)降低成本。 本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下
一種新型多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板，包括信號(hào)處理系統(tǒng)和電 源子系統(tǒng)，其特征在于所述信號(hào)處理系統(tǒng)包括速度信號(hào)調(diào)理模塊、電流信號(hào)調(diào)理模塊、 ADC模塊、DAC模塊、MCU模塊、CPLD模塊、繼電器控制模塊、數(shù)碼顯示模塊；所述速 度信號(hào)調(diào)理模塊中設(shè)置有磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號(hào)采集處理電路，并 與ADC模塊連接；所述DAC模塊、繼電器控制模塊與用于控制ADC模塊采樣頻率的CPLD 模塊連接；所述CPLD模塊與MCU模塊通過(guò)SPI連接；所述數(shù)碼顯示模塊與MCU模塊通 過(guò)UART相連。
所述ADC模塊是模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，DAC模塊是數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，MCU模塊是單片機(jī),CPLD 模塊是編程邏輯控制模塊，SPI就i全雙工同步通信接口， UART就是異步串行通信接口。 所述MCU模塊包括傳輸信號(hào)的MCU硬件模塊和處理信號(hào)的MCU軟件模塊。 所述速度信號(hào)調(diào)理模塊包括頻率信號(hào)整波電路、精密放大電路、鎖相環(huán)電路，所述
鎖相環(huán)電路和磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號(hào)采集處理電路連接。 所述電流信號(hào)調(diào)理模塊由采用隔離放大處理的四個(gè)模塊組成。 所述繼電器控制模塊包括四個(gè)繼電器。
所述MCU硬件模塊包括用于MCU軟件模塊計(jì)算時(shí)擴(kuò)展數(shù)據(jù)空間的電可擦除可編程只 讀存儲(chǔ)器EEROM電路和用于靜態(tài)保存必需工作參數(shù)的非易失性鐵電存儲(chǔ)器FRAM電路。 由MCU軟件模塊對(duì)MCU硬件模塊經(jīng)CPLD模塊采集到的速度信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行計(jì)算并 判斷速度是否超限、加速度是否超限、功率、負(fù)荷的平衡情況，再控制DAC模塊輸出和 繼電器控制模塊的繼電器動(dòng)作。
所述磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器為跳線(xiàn)選擇配置。速度信號(hào)調(diào)理模塊中 同時(shí)配置的磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號(hào)采集處理電路，將采集到的速度 信號(hào)經(jīng)整波、放大處理后同時(shí)送入ADC模塊和鎖相環(huán)電路，經(jīng)電流信號(hào)調(diào)理模塊調(diào)理過(guò) 的電流信號(hào)直接送入ADC模塊，再把經(jīng)ADC模塊和鎖相環(huán)電路處理后的信號(hào)送入CPLD 模塊。
所述模板為兩路24VDC電源供電，所述電源子系統(tǒng)由兩個(gè)直流變直流(不同直流電 源值的轉(zhuǎn)換)的DC-DC總電源變換模塊和六個(gè)隔離DC-DC電源模塊組成。 本發(fā)明的有益效果如下
本實(shí)用新型整個(gè)模板采用的是模塊化設(shè)計(jì)，提高了模板的集成度及抗干擾性，能可 靠實(shí)現(xiàn)防止汽輪機(jī)發(fā)生超速事故的前提下提高模板的性能指標(biāo)，增強(qiáng)功能、提高集成度， 同時(shí)還可降低生產(chǎn)成本；保證了外接不同種類(lèi)速度傳感器的需求，提高了模板的信號(hào)處 理能力；模板采用兩路24VDC電源供電，任意一路電源故障，不影響模板正常工作，電 源子系統(tǒng)由兩個(gè)DC-DC總電源變換模塊和六個(gè)隔離DC-DC電源模塊組成，保證了電流信 號(hào)調(diào)理模塊、DAC模塊、繼電器控制模塊與模板模擬、數(shù)字通道之間的工作獨(dú)立性，提 高了模板的工作安全性。

圖1為本實(shí)用新型汽輪機(jī)超速保護(hù)模板的結(jié)構(gòu)框圖 圖2為本實(shí)用新型汽輪機(jī)超速保護(hù)模板的硬件結(jié)構(gòu)圖 圖3為本實(shí)用新型渦流速度傳感器信號(hào)處理具體電路圖 圖4為本實(shí)用新型轉(zhuǎn)速信號(hào)整波放大處理具體電路圖 圖5為本實(shí)用新型鎖相環(huán)分頻鎖相處理具體電路圖 圖6為本實(shí)用新型電流信號(hào)采集隔離處理具體電路圖
圖7為本實(shí)用新型AD轉(zhuǎn)換處理具體電路圖
圖8為本實(shí)用新型MUC、 CPLD、擴(kuò)展EEROM及擴(kuò)展SRAM連接具體電路圖
圖9為本實(shí)用新型DA轉(zhuǎn)換處理具體電路圖
圖10為本實(shí)用新型繼電器驅(qū)動(dòng)具體電路圖
圖11為本實(shí)用新型液晶顯示及報(bào)警指示具體電路圖
圖12為本實(shí)用新型軟件濾波算法原理圖
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l
如圖1所示， 一種新型多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板，采用模塊 化設(shè)計(jì)，提高了模板的集成度及抗干擾性等，本模板包括信號(hào)處理系統(tǒng)和電源子系統(tǒng)10， 所述信號(hào)處理系統(tǒng)包括速度信號(hào)調(diào)理模塊l、電流信號(hào)調(diào)理模塊2、 ADC模塊3、 DAC模 塊4、 MCU模塊、CPLD模塊5、繼電器拷制模塊6、數(shù)碼顯示模塊7;為了實(shí)現(xiàn)模板對(duì)不 同類(lèi)型速度傳感器的適應(yīng)性，提高其信號(hào)處理能力，所述速度信號(hào)調(diào)理模塊l中設(shè)置有 磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號(hào)采集處理電路，并與ADC模塊3連接；所述 DAC模塊4、繼電器控制模塊6與用于控制ADC模塊3采樣頻率的CPLD模塊5連接；所 述CPLD模塊5與MCU模塊通過(guò)SPI連接；所述數(shù)碼顯示模塊7與MCU模塊通過(guò)UART相 連。
所述MCU模塊包括傳輸信號(hào)的MCU硬件模塊8和處理信號(hào)的MCU軟件模塊9。 所述速度信號(hào)調(diào)理模塊1包括頻率信號(hào)整波電路11、精密放大電路12、鎖相環(huán)電 路13，所述鎖相環(huán)電路13和磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號(hào)采集處理電路連接。
所述電流信號(hào)調(diào)理模塊2由采用隔離放大處理的四個(gè)模塊組成。 所述繼電器控制模塊6包括四個(gè)繼電器。
所述MCU硬件模塊8包括用于MCU軟件模塊9計(jì)算時(shí)擴(kuò)展數(shù)據(jù)空間的電可擦除可編 程只讀存儲(chǔ)器EER0M電路和用于靜態(tài)保存必需工作參數(shù)的非易失性鐵電存儲(chǔ)器FRAM電 路。由MCU軟件模塊9對(duì)MCU硬件模塊8經(jīng)CPLD模塊5采集到的速度信號(hào)和電流信號(hào) 進(jìn)行計(jì)算并判斷速度是否超限、加速度是否超限、功率、負(fù)荷的平衡情況，再控制DAC 模塊4輸出和繼電器控制模塊6的繼電器動(dòng)作。
所述磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器為跳線(xiàn)選擇配置。速度信號(hào)調(diào)理模塊1 中同時(shí)配置的磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號(hào)采集處理電路，將采集到的速
度信號(hào)經(jīng)整波、放大處理后同時(shí)送入ADC模塊3和鎖相環(huán)電路13，經(jīng)電流信號(hào)調(diào)理模塊 2調(diào)理過(guò)的電流信號(hào)直接送入ADC模塊3，再把經(jīng)ADC模塊3和鎖相環(huán)電路13處理后的
信號(hào)送入CPLD模塊5。
所述模板采用兩路24VDC電源供電，任意一路電源故障，不影響模板正常工作，電 源子系統(tǒng)10是由兩個(gè)DC-DC總電源變換模塊和六個(gè)隔離DC-DC電源模塊以及幾組電源 變換電路組成，保證了電流信號(hào)調(diào)理模塊、DAC模塊、繼電器控制模塊與模板模擬、 數(shù)字通道之間的工作獨(dú)立性，提高了模板的工作安全性。 實(shí)施例2
一種新型多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板，為實(shí)現(xiàn)新增判斷功率、 負(fù)荷不平衡的功能，模板配置了四路電流信號(hào)接收、調(diào)理電路用于接收傳輸過(guò)來(lái)的分別 表示三路中排壓力、 一路電功率的4-20mA電流信號(hào)，且每路處理電路均采用隔離處理， 保證了其工作的獨(dú)立性，提高了可靠性，采集到的電流信號(hào)經(jīng)ADC模塊3模數(shù)轉(zhuǎn)換后送 入MCU軟件模塊9進(jìn)行計(jì)算作出判斷。
為提高模板的整體處理能力及響應(yīng)速度，模板釆用了高性能快速的16位單片機(jī)和 高性能的可編程邏輯陣列CPLD模塊5構(gòu)成控制核心，該控制核心訪問(wèn)速度極快，同時(shí) 通過(guò)CPLD模塊5豐富的I/O 口，可簡(jiǎn)化模板電路，提高模板的集成度，從而增強(qiáng)模板 可靠性。
為達(dá)到甚至超過(guò)同類(lèi)模板測(cè)速上的性能，模板采用專(zhuān)用16位A/D芯片配MCU內(nèi)部 高速工作單元對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)進(jìn)行采樣及處理，同時(shí)在MCU軟件模塊9內(nèi)采用了獨(dú)特 的軟件濾波算法，有效的提高了轉(zhuǎn)速的測(cè)量范圍及精度，可實(shí)現(xiàn)1-5500轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確測(cè)量。
同時(shí)該模板配備了 DAC模塊4電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的4-20mA電流信號(hào)輸出，以 供其他組件對(duì)轉(zhuǎn)速的獲取。
模板配置的繼電器控制模塊6共含四路繼電器輸出電路，外接線(xiàn)輸出均采用繼電器 千節(jié)點(diǎn)輸出模式，保證在不同類(lèi)型報(bào)警情況出現(xiàn)時(shí)給出不同的報(bào)警控制信號(hào)。
為了提高模板的的使用便利性及狀態(tài)可視性，模板配置了數(shù)碼顯示模塊7，該模塊 采用高速的8位PIC單片機(jī)作為控制核心與模板MCU通過(guò)串行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可實(shí) 時(shí)、穩(wěn)定的顯示轉(zhuǎn)速(單位轉(zhuǎn)/分，rpm)以及指示響應(yīng)的報(bào)警燈。
模板采用兩路24VDC電源供電，任意一路電源故障，不影響模板正常工作，電源子 系統(tǒng)10是由兩個(gè)DC-DC總電源變換模塊和六個(gè)隔離DC-DC電源模塊以及幾組電源變換 電路組成，保證了電流信號(hào)調(diào)理模塊l、 DAC模塊4、繼電器控制模塊6與模板模擬、數(shù)
字通道之間的工作獨(dú)立性，提高了模板的工作安全性。 實(shí)施例3
如圖2所示，本實(shí)用新型采用一套電路板，在該電路板上集成有隔離放大調(diào)理電路 (即電流信號(hào)調(diào)理電路)2、精密放大電路ll、整波電路12、鎖相環(huán)電路13、 ADC模數(shù) 轉(zhuǎn)換電路3、 CPLD電路5、 MCU電路、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換電路4、繼電器控制電路6、存儲(chǔ)器 擴(kuò)展電路、PIC單片機(jī)及液晶顯示電路(即數(shù)碼顯示模塊7)。
渦流傳感器信號(hào)在接入模板后需要先進(jìn)行整波處理，調(diào)理出可供其他電路處理的穩(wěn) 定波形，具體電路圖如圖3所示。
模板通過(guò)跳線(xiàn)J10選擇是處理渦流傳感器信號(hào)還是處理磁阻傳感器信號(hào)，然后對(duì)信 號(hào)經(jīng)儀表放大器AD620放大處理，再對(duì)放大過(guò)的信號(hào)由運(yùn)放OP07及雙運(yùn)放0PA2364進(jìn) 行信號(hào)的平移處理，因?yàn)锳D的比較電壓為2.5V，為了配合模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD73360采集 需求，所以需要把采集到的信號(hào)平移到2.5V左右，同時(shí)經(jīng)AD620放大處理的信號(hào)再由 雙運(yùn)放0PA2364、電壓比較器LM311、緩沖器2G34、光藕TLP115A組成的電路進(jìn)行濾波、 整形、平移處理，然后輸出給鎖相環(huán)電路，如圖4所示。
鎖相環(huán)電路是把經(jīng)模擬電路處理后的信號(hào)整形及對(duì)信號(hào)進(jìn)行8分頻后再傳輸給 CPU，在保證信號(hào)質(zhì)量的同時(shí)，大的分頻數(shù)可以降低CPU的負(fù)荷，具體電路圖如圖5所 示。
對(duì)于輸入到模板上的四路4-20mA電流信號(hào)均需要進(jìn)行隔離放大處理，然后再輸入 到AD芯片，具體電路圖如圖6所示。
AD芯片對(duì)經(jīng)處理過(guò)的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過(guò)CPLD (EPM7128STC100-10)以SPI 總線(xiàn)方式傳輸給CPU處理，如圖7所示。
MCU采用的是Infineon公司先進(jìn)的高檔16位單片機(jī)XC16化S，同時(shí)擴(kuò)展了一片 EER(M (CYZC1021)和一片F(xiàn)RAM (FM26640), MCU與CPLD之間通過(guò)SPI總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交 換，如圖8。
對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速值的4-20mA電流信號(hào)，由MCU經(jīng)CPLD控制16位DA芯片(AD420)輸出， 具體電路如圖9所示。
繼電器報(bào)警信號(hào)，由MCU經(jīng)CPLD控制相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，如圖10所示。
通過(guò)TXD、 RXD串口把相應(yīng)的轉(zhuǎn)速值及報(bào)警信息傳輸給由PIC芯片(PIC18F2520) 及狀態(tài)指示燈等組成的顯示電路，電路如圖ll所示。
對(duì)于轉(zhuǎn)速的計(jì)算采用了 IIR型數(shù)字濾波器的原理進(jìn)行軟件濾波處理，原理如下
2個(gè)式所示<formula>formula see original document page 8</formula>
其中<formula>formula see original document page 8</formula> 對(duì)于每一個(gè)二階基本節(jié)，可以轉(zhuǎn)置直接
II型結(jié)構(gòu)加以實(shí)現(xiàn)，原理圖如圖12所示，所表示為差分方程的形式如下
<formula>formula see original document page 8</formula> 本發(fā)明多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板與傳統(tǒng)汽輪機(jī)超速保護(hù)模
板相比區(qū)別在于在保證能可靠實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)超速保護(hù)功能的前提下，提高了轉(zhuǎn)速的測(cè)量 精度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了適用不同種類(lèi)速度傳感器的需求，并且增加了功率、負(fù)荷不平衡判斷 功能及增加了數(shù)碼顯示功能，以及提供了穩(wěn)定的干接點(diǎn)報(bào)警保護(hù)信號(hào)輸出。
權(quán)利要求1、一種新型多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板，包括信號(hào)處理系統(tǒng)和電源子系統(tǒng)(10)，其特征在于所述信號(hào)處理系統(tǒng)包括信號(hào)處理系統(tǒng)包括速度信號(hào)調(diào)理模塊(1)、電流信號(hào)調(diào)理模塊(2)、ADC模塊(3)、DAC模塊(4)、MCU模塊、CPLD模塊(5)、繼電器控制模塊(6)、數(shù)碼顯示模塊(7)；所述速度信號(hào)調(diào)理模塊(1)中設(shè)置有磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號(hào)采集處理電路，并與ADC模塊(3)連接；所述DAC模塊(4)、繼電器控制模塊(6)與用于控制ADC模塊(3)采樣頻率的CPLD模塊(5)連接；所述CPLD模塊(5)與MCU模塊通過(guò)SPI連接；所述數(shù)碼顯示模塊(7)與MCU模塊通過(guò)UART相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模 板，其特征在于包括所述MCU模塊包括傳輸信號(hào)的MCU硬件模塊(8)和處理信號(hào)的 MCU軟件模塊(9)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板， 其特征在于所述速度信號(hào)調(diào)理模塊(1)包括頻率信號(hào)整波電路(11)、精密放大電路(12)、鎖相環(huán)電路(13)，所述鎖相環(huán)電路(13)和磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳 感器信號(hào)采集處理電路連接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板， 其特征在于所述電流信號(hào)調(diào)理模塊(2)由采用隔離放大處理的四個(gè)模塊組成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板， 其特征在于所述繼電器控制模塊(6)包括四個(gè)繼電器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板， 其特征在于所述MCU硬件模塊(8)包括用于MCU軟件模塊(9)計(jì)算時(shí)擴(kuò)展數(shù)據(jù)空間 的電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EEROM電路和用于靜態(tài)保存必需工作參數(shù)的非易失性鐵電 存儲(chǔ)器FRAM電路。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板， 其特征在于所述磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器為跳線(xiàn)選擇配置。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板， 其特征在于所述模板為兩路24VDC電源供電，所述電源子系統(tǒng)(10)是由兩個(gè)直流 變直的DC-DC總電源變換模塊和六個(gè)隔離DC-DC電源模塊組成。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種新型多功能可精確測(cè)量低轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)超速保護(hù)模板，包括信號(hào)處理系統(tǒng)和電源子系統(tǒng)，其特征在于所述信號(hào)處理系統(tǒng)包括速度信號(hào)調(diào)理模塊、電流信號(hào)調(diào)理模塊、ADC模塊、DAC模塊、MCU模塊、CPLD模塊、繼電器控制模塊、數(shù)碼顯示模塊；速度信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)有磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號(hào)采集處理電路，與ADC模塊和鎖相環(huán)電路連接；DAC模塊、繼電器控制模塊與CPLD模塊連接；CPLD模塊與MCU模塊通過(guò)SPI全雙工同步通信接口連接；數(shù)碼顯示模塊與MCU模塊通過(guò)UART異步串行通信接口相連，并且通過(guò)通信接口與數(shù)碼顯示模塊連接；本模板采用模塊化設(shè)計(jì)，提高了模板集成度、抗干擾性和模板的性能指標(biāo)，增強(qiáng)功能、提高集成度，同時(shí)降低生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)F01D21/02GK201057059SQ200720080099
公開(kāi)日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2007年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月27日
發(fā)明者曾光明, 滔 游, 閔澤生 申請(qǐng)人:四川東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司