CPLD可編程邏輯器件在汽輪機(jī)危急跳閘系統(tǒng)（ETS）中的應(yīng)用與研究①

陳東彪

摘 ? 要：在原有ETS控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，取消該系統(tǒng)原有的開關(guān)量輸入和輸出開模件，用專用的保護(hù)回路卡代替，該保護(hù)回路卡的核心元件部分是CPLD（多樣可編程邏輯芯片）， 是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路， 可由使用方根據(jù)所需生成特定的集成電路結(jié)構(gòu)，完成特定的邏輯控制功能。ETS控制系統(tǒng)中的邏輯功能是直接通過 CPLD判斷完成的，所以延時非常短、反應(yīng)迅速，且該模件具有DCS及PLC系統(tǒng)SOE卡的功能，能將保護(hù)回路卡中的輸入量和輸出量具體動作時間，以毫秒級記錄下來，因此它十分適用于各種需要保護(hù)快速、可靠動作的控制系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：CPLD ?汽輪機(jī) ?高可靠性 ?編程便捷

中圖分類號：TN911 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（b）-0062-02

1 ?汽輪機(jī)危急跳閘系統(tǒng)（ETS）的問題及現(xiàn)狀

（1）隨著機(jī)組發(fā)電能力的不斷加大，各種介質(zhì)參數(shù)越來越高，熱力系統(tǒng)構(gòu)成更為復(fù)雜。為了提高發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，汽輪機(jī)的汽封間隙、軸封間隙都選擇得越小越好。因汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速很高，機(jī)組在啟動、停止、運(yùn)行過程中，如果沒有嚴(yán)格完全按照運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行操作控制，則很容易造成汽輪機(jī)的葉片損壞、大軸彎曲、推力瓦燒毀等嚴(yán)重事故。為了確保發(fā)電機(jī)組安全可靠，需對汽輪機(jī)組的位移、膨脹、轉(zhuǎn)速、振動、偏心度等重要指標(biāo)及參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)視和異常保護(hù)，當(dāng)參數(shù)達(dá)到甚至超過保護(hù)動作值時，汽輪機(jī)危急跳閘系統(tǒng)（ETS）的跳閘回路動作，關(guān)閉主汽門，采取立即停機(jī)措施，保證發(fā)電機(jī)組及人員的安全。

（2）當(dāng)前ETS系統(tǒng)多采用DCS和PLC，普遍以Intel CPU為核心，配以必需的高性能存儲設(shè)備和外置I/O 端口，通過特定程序?qū)崿F(xiàn)對各種I/O信號的邏輯控制。邏輯在執(zhí)行過程中，其核心CPU與各外圍設(shè)備之間的通信交換、信號采集、控制變量的輸出等運(yùn)算都是按照特有的順序以由上而下周期重復(fù)掃描的方式完成，每個運(yùn)算周期都要對所邏輯程序能進(jìn)行查詢、判斷和輸出。在一個掃描運(yùn)算周期內(nèi)，CPU對整個邏輯程序只運(yùn)算一遍。這種運(yùn)算過程雖然方便，但運(yùn)算間隔比較長、實(shí)時效果差。過長的運(yùn)算掃描周期和執(zhí)行時間，直接影響系統(tǒng)對輸入、輸出信號響應(yīng)的結(jié)果。在確?？刂七\(yùn)算功能和執(zhí)行效果的必要條件下，最大限度地減少控制邏輯的運(yùn)算掃描周期是一個很復(fù)雜的問題，一般只能縮短控制程序執(zhí)行步驟，增加方案頁等方面來采取措施。ETS系統(tǒng)要求整個系統(tǒng)的采集周期時間要小于50ms，這么短的采集和執(zhí)行周期，就要求每各方案頁的程序非常少，同時采用大量的方案頁，這樣造成DCS和PLC系統(tǒng)的CPU負(fù)擔(dān)非常重，引起CPU短時間假死和死機(jī)的發(fā)生，如果這時恰巧汽輪機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重問題，需ETS系統(tǒng)的跳閘回路動作，關(guān)閉主汽門，實(shí)行緊急停機(jī)，而這時DPU假死或死機(jī)，ETS系統(tǒng)就不會動作，無法跳機(jī)，產(chǎn)生不可估量的后果。

2 ?CPLD在ETS系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢

（1）它具有編程簡單靈活、集成度高、程序設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、適用范圍廣泛、開發(fā)工具智能化、設(shè)計(jì)制造成本低廉、對開發(fā)者的硬件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)要求低、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化無需測試、保密性高、可反復(fù)編程并可現(xiàn)場模擬調(diào)試驗(yàn)證等特點(diǎn)，更容易完成各種邏輯算法和組合方式，非常適合應(yīng)用在類似ETS系統(tǒng)保護(hù)中。

（2）CPLD很重要的一個特點(diǎn)是在對輸入輸出信號進(jìn)行邏輯控制和判斷時，不需要執(zhí)行指令和程序，不需要執(zhí)行控制邏輯掃描循環(huán)，沒有“指令周期”概念，輸入信號僅通過該芯片內(nèi)硬件邏輯門陣列的不同邏輯組合來控制輸出信號，系統(tǒng)對輸入信號的響應(yīng)時間僅取決于門陣列的傳輸延時，從而實(shí)現(xiàn)時序可預(yù)測。CPLD允許使用高達(dá)數(shù)百兆赫茲的全局時鐘信號驅(qū)動，因此其響應(yīng)時間僅為數(shù)十納秒。避免了常規(guī)ETS系統(tǒng)的CPU假死或死機(jī)，保護(hù)動作迅速，從根本上解決了保護(hù)拒動的發(fā)生。

3 ?CPLD可編程邏輯器件在ETS系統(tǒng)中的應(yīng)用原理及方法

（1）在原有ETS控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，取消該系統(tǒng)的開關(guān)量輸入和輸出開模件，用專用的保護(hù)回路卡代替，該保護(hù)回路卡的核心元件部分是CPLD（多樣可編程邏輯芯片）， 是一種用戶根據(jù)各自需要而自行組合邏輯功能的數(shù)字集成芯片， 可由用戶根據(jù)實(shí)際功能需要轉(zhuǎn)換成特定的電路結(jié)構(gòu)，完成特定的程序功能。ETS控制系統(tǒng)中的邏輯運(yùn)算判斷是直接通過 CPLD實(shí)現(xiàn)的，因此反應(yīng)時間很短，且該模件具有DCS及PLC系統(tǒng)SOE卡的功能，能將所有輸入量和輸出量的具體動作時間，以毫秒級記錄下來，因此它非常適用于各種需要保護(hù)快速、可靠動作的控制系統(tǒng)中。當(dāng)需要修改ETS跳閘邏輯時，通過連上專用通訊連接電纜，由CPLD芯片生產(chǎn)廠商提供的軟件程序包裝載特定應(yīng)用程序，把ETS跳閘邏輯燒錄進(jìn)去（通常是“一取一”“二取二”、“三取二”“四取二”“五取三”），正常運(yùn)行時，去掉專用通訊連接電纜，選擇看門狗起作用。ETS控制系統(tǒng)本身的DPU只是通過RS485與CPLD通信，把專用的保護(hù)回路卡的輸入和輸出狀態(tài)及報(bào)警傳給DCS或PLC系統(tǒng)。

（2）結(jié)構(gòu)組成和原理框圖

綜上，通過CPLD可編程邏輯器件在汽輪機(jī)危急跳閘系統(tǒng)（ETS）中的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)從根本上解決了由于ETS控制系統(tǒng)的 DPU假死或死機(jī)引起保護(hù)拒動的發(fā)生，極大提高了保護(hù)的可靠性，把ETS控制系統(tǒng)的采集動作周期從50ms一下提高到了10ms以下。該項(xiàng)成果可以在任何方式組成的汽輪機(jī)危急跳閘系統(tǒng)（ETS）使用，同時也可應(yīng)用在各種需要快速保護(hù)的場合，如高鐵安全保護(hù)系統(tǒng)中，具備很好的全行業(yè)市場推廣價值。

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