馬偉東，吳勝華，吳 科

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

0 引言

汽輪機(jī)是一組大型高速運(yùn)轉(zhuǎn)的原動(dòng)機(jī)，是火力發(fā)電廠機(jī)組的主要設(shè)備之一，用汽輪機(jī)來(lái)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)從而可使機(jī)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(jī)組中汽輪機(jī)均采用數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH 系統(tǒng)）進(jìn)行控制，無(wú)論是啟動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速控制，還是正常運(yùn)行中的負(fù)荷調(diào)節(jié)以及主汽壓力控制，最終都是通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)的高中壓調(diào)節(jié)閥門和高壓主汽門的閥位控制來(lái)實(shí)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(hù)相關(guān)功能是DEH 系統(tǒng)的重要功能，汽輪機(jī)從開始的啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)到同期再到并網(wǎng)帶負(fù)荷，都是通過(guò)控制汽輪機(jī)的閥門開度及轉(zhuǎn)速控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，汽輪機(jī)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(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定及效率[1,4]。

1 閥控卡轉(zhuǎn)速卡設(shè)計(jì)方案現(xiàn)狀

閥門的開度管理及轉(zhuǎn)速的超速保護(hù)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(lái)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(jì)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(guò)采集汽輪機(jī)閥門的當(dāng)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(guò)比例積分運(yùn)算，最終輸出調(diào)節(jié)電流控制調(diào)節(jié)閥門的運(yùn)動(dòng)，使閥門的開度到達(dá)給定期望到達(dá)的位置。

轉(zhuǎn)速卡接收汽輪機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速信號(hào)，同時(shí)可接收油開關(guān)跳閘和緊急停車干觸點(diǎn)等信號(hào)以及上位機(jī)指令，諸如汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速超限時(shí)可發(fā)出快速可靠的汽輪機(jī)超速報(bào)警或動(dòng)作信號(hào)。通過(guò)繼電器輸出驅(qū)動(dòng)超速保護(hù)電磁閥和危急遮斷電磁閥，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)超速限制、保護(hù)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(guò)程濾波、異常處理、線性修正、過(guò)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(hào)采集、內(nèi)部邏輯處理判斷、輸出信號(hào)建立速度直接影響到汽輪機(jī)閥門開度控制、超速保護(hù)的響應(yīng)快慢，從而直接影響到整個(gè)機(jī)組的安全性、經(jīng)濟(jì)性。

如圖1 所示，目前，各汽輪機(jī)制造廠商多配備有其專用的閥控卡與轉(zhuǎn)速卡，同時(shí)，諸多數(shù)字電液調(diào)節(jié)DEH 控制系統(tǒng)廠家也設(shè)計(jì)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(wú)法根據(jù)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)，控制單元與閥控卡間的數(shù)據(jù)通訊交互對(duì)整體控制邏輯的響應(yīng)速度帶來(lái)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(jìn)行升級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]，往往可操作性非常差，從另一個(gè)方面無(wú)法完成快速響應(yīng)。

同時(shí)，基于所采用內(nèi)部設(shè)計(jì)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(jì)

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

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

2） 實(shí)現(xiàn)板卡側(cè)控制邏輯的直接重新配置，無(wú)需上位控制單元參與邏輯運(yùn)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(jì)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(jì)示意圖為例，展示本設(shè)計(jì)的具體方案?？刂瓢蹇ㄊ褂矛F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA 作為內(nèi)部處理器，設(shè)計(jì)中可采用50MHz 時(shí)鐘頻率進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，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(jí)的速度通過(guò)自身IO 管腳來(lái)時(shí)時(shí)更新開關(guān)量輸入狀態(tài)及驅(qū)動(dòng)開關(guān)量輸出。模擬量輸入信號(hào)采用當(dāng)前業(yè)界內(nèi)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集，其轉(zhuǎn)換頻率高于250K，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于5μs，其采集數(shù)據(jù)通過(guò)高速SPI 專用總線發(fā)送至FPGA 內(nèi)部軟核進(jìn)行邏輯運(yùn)算。模擬量輸出信號(hào)采用當(dāng)前業(yè)界高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器完成，其輸出信號(hào)建立時(shí)間用時(shí)約20μs。高速處理器及輸入輸出硬件通道保證了從輸入信號(hào)采集、經(jīng)過(guò)內(nèi)部邏輯運(yùn)算、最終完成輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)內(nèi)部邏輯的復(fù)雜程度，整體時(shí)間只需2ms ～5ms?？杀ＷC本方案內(nèi)閥控卡與轉(zhuǎn)速卡對(duì)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(jìn)一步提高。

同時(shí)，閥控卡與轉(zhuǎn)速卡板卡本身對(duì)外設(shè)計(jì)有內(nèi)部控制邏輯更新接口，在板卡無(wú)需掉電、不影響板卡當(dāng)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(duì)新獲取到的控制邏輯數(shù)據(jù)進(jìn)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(yùn)行更新后的控制邏輯數(shù)據(jù)，將其更新為當(dāng)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(jī)等設(shè)備可編寫新的控制邏輯代碼，并編譯成板卡可識(shí)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(guò)板卡設(shè)計(jì)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(jì)的閥控卡與轉(zhuǎn)速卡不同，基于本方案設(shè)計(jì)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(shí)，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(duì)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(jì)的閥控卡與轉(zhuǎn)速卡對(duì)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定及效率有有效增益，設(shè)計(jì)的閥控卡與轉(zhuǎn)速卡板卡已進(jìn)行工程實(shí)踐應(yīng)用，具有較高的實(shí)用性和市場(chǎng)價(jià)值。