響應(yīng)更快速的汽輪機閥控卡與轉(zhuǎn)速卡設(shè)計

馬偉東，吳勝華，吳 科

（1.國電南京自動化股份有限公司，南京 210032；2.南京國電南自維美德自動化有限公司，南京 210032）

0 引言

汽輪機是一組大型高速運轉(zhuǎn)的原動機，是火力發(fā)電廠機組的主要設(shè)備之一，用汽輪機來拖動發(fā)電機從而可使機械能轉(zhuǎn)化為電能，最終完成發(fā)電供電網(wǎng)使用。

現(xiàn)代發(fā)電廠機組中汽輪機均采用數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH 系統(tǒng)）進行控制，無論是啟動過程中的轉(zhuǎn)速控制，還是正常運行中的負荷調(diào)節(jié)以及主汽壓力控制，最終都是通過對汽輪機的高中壓調(diào)節(jié)閥門和高壓主汽門的閥位控制來實現(xiàn)的，因此閥門及轉(zhuǎn)速控制是DEH 的必備功能。

閥門的開度管理及轉(zhuǎn)速的超速保護相關(guān)功能是DEH 系統(tǒng)的重要功能，汽輪機從開始的啟動沖轉(zhuǎn)到同期再到并網(wǎng)帶負荷，都是通過控制汽輪機的閥門開度及轉(zhuǎn)速控制來實現(xiàn)的，汽輪機數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的閥門管理及轉(zhuǎn)速控制是一個非常重要的環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到機組運行的穩(wěn)定及效率[1,4]。

1 閥控卡轉(zhuǎn)速卡設(shè)計方案現(xiàn)狀

閥門的開度管理及轉(zhuǎn)速的超速保護相關(guān)功能在DEH 系統(tǒng)內(nèi)大多由專用功能板卡直接完成，相比于由上位處理單元協(xié)同下位多種輸入輸出板卡配合來完成相同功能，具有更快速的響應(yīng)速度，因此被廣泛應(yīng)用。

圖1 現(xiàn)有技術(shù)中的兩種設(shè)計方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of two design schemes in the prior art

閥控卡的主要工作原理是通過采集汽輪機閥門的當前開度與控制系統(tǒng)發(fā)出的給定開度構(gòu)成比較環(huán)節(jié)，然后通過比例積分運算，最終輸出調(diào)節(jié)電流控制調(diào)節(jié)閥門的運動，使閥門的開度到達給定期望到達的位置。

轉(zhuǎn)速卡接收汽輪機當前轉(zhuǎn)速信號，同時可接收油開關(guān)跳閘和緊急停車干觸點等信號以及上位機指令，諸如汽輪機轉(zhuǎn)速超限時可發(fā)出快速可靠的汽輪機超速報警或動作信號。通過繼電器輸出驅(qū)動超速保護電磁閥和危急遮斷電磁閥，實現(xiàn)汽輪機超速限制、保護功能[5,6]。

除主要工作內(nèi)容外，閥控卡與轉(zhuǎn)速卡在上層控制單元的配合下同樣需要完成諸如過程濾波、異常處理、線性修正、過程判斷等內(nèi)容[3]。

閥控卡與轉(zhuǎn)速卡是否具有快速的輸入信號采集、內(nèi)部邏輯處理判斷、輸出信號建立速度直接影響到汽輪機閥門開度控制、超速保護的響應(yīng)快慢，從而直接影響到整個機組的安全性、經(jīng)濟性。

如圖1 所示，目前，各汽輪機制造廠商多配備有其專用的閥控卡與轉(zhuǎn)速卡，同時，諸多數(shù)字電液調(diào)節(jié)DEH 控制系統(tǒng)廠家也設(shè)計有專用閥控卡與轉(zhuǎn)速卡。但其控制板卡內(nèi)部大多執(zhí)行固定的基礎(chǔ)控制邏輯，部分廠家的閥控卡與轉(zhuǎn)速卡還可執(zhí)行必要的附加復(fù)雜邏輯，但上述基礎(chǔ)控制邏輯及附加復(fù)雜邏輯在板卡出廠后即已固定，電廠操作人員無法根據(jù)復(fù)雜的現(xiàn)場需求靈活調(diào)整基礎(chǔ)控制邏輯及附加邏輯，這些附加復(fù)雜邏輯往往不得不在上位控制單元側(cè)加以實現(xiàn)，控制單元與閥控卡間的數(shù)據(jù)通訊交互對整體控制邏輯的響應(yīng)速度帶來了一定的延遲，如必須在控制板卡側(cè)完成邏輯調(diào)整，則板卡需要返廠進行升級來實現(xiàn)[2]，往往可操作性非常差，從另一個方面無法完成快速響應(yīng)。

同時，基于所采用內(nèi)部設(shè)計回路的不同，各廠家的閥控卡與轉(zhuǎn)速卡目前控制周期均停留在十幾毫秒至幾十毫秒。

2 響應(yīng)更快速的閥控卡與轉(zhuǎn)速卡設(shè)計

不同于現(xiàn)有技術(shù)中的閥控卡與轉(zhuǎn)速卡設(shè)計，本方案設(shè)計的閥控卡與轉(zhuǎn)速卡具有兩處增益：

1） 設(shè)計有響應(yīng)更快速的整體控制邏輯執(zhí)行軟硬件。

2） 實現(xiàn)板卡側(cè)控制邏輯的直接重新配置，無需上位控制單元參與邏輯運算，減少因上下位通訊所產(chǎn)生的控制延遲。

圖2 響應(yīng)更快速的閥控卡轉(zhuǎn)速卡設(shè)計方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of design scheme of speed card of valve control card with faster response

如圖2 所示設(shè)計示意圖為例，展示本設(shè)計的具體方案。控制板卡使用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA 作為內(nèi)部處理器，設(shè)計中可采用50MHz 時鐘頻率進行驅(qū)動，F(xiàn)PGA 內(nèi)部集成自身嵌入式軟核，用于完成控制邏輯固件的接收處理、控制邏輯的譯碼執(zhí)行、輸入通道的采集、輸出通道的控制等功能。FPGA 使用納秒級的速度通過自身IO 管腳來時時更新開關(guān)量輸入狀態(tài)及驅(qū)動開關(guān)量輸出。模擬量輸入信號采用當前業(yè)界內(nèi)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采集，其轉(zhuǎn)換頻率高于250K，轉(zhuǎn)換時間小于5μs，其采集數(shù)據(jù)通過高速SPI 專用總線發(fā)送至FPGA 內(nèi)部軟核進行邏輯運算。模擬量輸出信號采用當前業(yè)界高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器完成，其輸出信號建立時間用時約20μs。高速處理器及輸入輸出硬件通道保證了從輸入信號采集、經(jīng)過內(nèi)部邏輯運算、最終完成輸出信號驅(qū)動，根據(jù)內(nèi)部邏輯的復(fù)雜程度，整體時間只需2ms ～5ms?？杀ＷC本方案內(nèi)閥控卡與轉(zhuǎn)速卡對更快速邏輯響應(yīng)的需求。如選用性能更高的內(nèi)部器件，理論上該控制速度仍可進一步提高。

同時，閥控卡與轉(zhuǎn)速卡板卡本身對外設(shè)計有內(nèi)部控制邏輯更新接口，在板卡無需掉電、不影響板卡當前工作狀況的情況下，可響應(yīng)于外部輸入的重編譯的控制邏輯數(shù)據(jù)。板卡對新獲取到的控制邏輯數(shù)據(jù)進行譯碼，得到相應(yīng)的可執(zhí)行控制邏輯數(shù)據(jù)；根據(jù)外部指令設(shè)定選擇運行更新后的控制邏輯數(shù)據(jù)，將其更新為當前控制邏輯；該控制邏輯更新工作不需要占用上位單元與板卡間的內(nèi)部通訊通道，由板卡自身所屬的專有接口完成。這里，需要諸如外部編譯機等設(shè)備可編寫新的控制邏輯代碼，并編譯成板卡可識別的基于統(tǒng)一編碼譯碼規(guī)則而生成的執(zhí)行文件，該執(zhí)行文件將通過板卡設(shè)計的專用接口完成在線更新，具體編碼譯碼規(guī)則可采用現(xiàn)有技術(shù)、可自定義編碼規(guī)則。

3 結(jié)論

與目前各廠家所設(shè)計的閥控卡與轉(zhuǎn)速卡不同，基于本方案設(shè)計的專用閥控卡及轉(zhuǎn)速卡可在2ms ～5ms 內(nèi)完成內(nèi)部控制邏輯的執(zhí)行，具有更快速的響應(yīng)速度。同時，板卡側(cè)直接可在線更新的內(nèi)部控制邏輯屏蔽了上位控制單元對控制邏輯的參與，減少上下位間內(nèi)部通訊產(chǎn)生的控制周期延遲。使用該方案設(shè)計的閥控卡與轉(zhuǎn)速卡對機組運行的穩(wěn)定及效率有有效增益，設(shè)計的閥控卡與轉(zhuǎn)速卡板卡已進行工程實踐應(yīng)用，具有較高的實用性和市場價值。