专利名称：汽轮机冗余数字电液控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及汽轮机的控制系统，特别是涉及一种汽轮机冗余数字电液控制系统。
背景技术：
汽轮机数字电液控制系统由电子控制系统部分和液压调节保安系统部分组成。汽 轮机数字电液调节系统的主要任务就是调节汽轮发电机组的转速、功率，使其满足电网的 要求，采用数字电液控制可以提高高、中压调门的控制精度，为实现CCS协调控制及提高整 个汽轮机机组的控制水平提供了基本保障，更有利于汽轮机的运行。现有技术中的汽轮机 数字电液控制系统在可靠性设计方面，大部分的做法是将重要信号或回路采用冗余设计， 但对信号接收单元和信号综合处理环节没有考虑冗余，控制系统本身一旦出现故障就会对 汽轮机组的正常运行造成威胁，难以保证汽轮机组在各种工况下安全、可靠运行。同时现有 技术中采用两路电源实现冗余供电，如果其中一路电源故障，立即切换到另一路，但在切换 过程中存在切换时间长、干扰用电设备等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种汽轮机冗余数字电液控制系统，其中的控 制单元采用双控制机和双信号采集模块的冗余设计，可防止因控制系统本身故障对汽轮机 组的正常运行造成威胁，以保证汽轮机组在各种工况下安全、可靠运行。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种汽轮机冗余数字电液控 制系统，包括双电源切换装置、控制单元和人机接口，其中双电源切换装置和控制单元安装 在控制柜中，双电源切换装置为控制单元和人机接口提供电源，控制单元接收、处理现场信 号并与人机接口进行信息交互，所述控制单元包括A控制机、B控制机、A组信号采集模块、 B组信号采集模块、双机切换模块和多个通讯模块，其中A控制机通过A组信号采集模块与 汽轮机组及伺服系统进行信号交互，B控制机通过B组信号采集模块与汽轮机组及伺服系 统进行信号交互，A控制机和B控制机相连且可分别通过通讯模块与人机接口进行信息交 互，A控制机和B控制机的信号同时还连接到双机切换模块并通过通讯模块与人机接口进 行信息交互。作为优选，所述双电源切换装置包括交流模块，交流模块中含有交流电源故障切 换板，其中切换板中的电压基准芯片与电阻、电位器配合输出2路大小不同的基准电压信 号作为高低切换动作电压，2路220VAC电源通过电压互感器转换成2路独立的直流电压信 号，分别与切换动作电压做比较，当直流信号大于高切换动作电压或小于低切换动作电压 时，晶体管导通，继电器动作，电源装置自动将另一路输入电源作为工作电源。作为优选，所述控制机包括主机模块、多功能接口板、状态显示板和通讯卡，其中 主机模块通过多功能接口板与状态显示板、通讯卡和信号采集模块进行信息交互，主机模 块连接有显示器接口和鼠标键盘接口，通讯卡连接有通讯接口。作为优选，所述双机切换模块包括切换主板和切换显示板，所述切换主板用于信号输入、输出、内部电源变换、切换逻辑组合及状态指示输出，当A机工作时双机切换模块 将A机的控制输出切换至系统的控制输出，当B机工作时双机切换模块将B机的控制输出 切换至系统的控制输出，所述切换显示板接收切换主板输出的状态指示信号，通过LED指 示灯指示。作为优选，所述通讯模块包括电源单元、232控制单元和422控制单元，所述电源 单元接收外部24V直流电源，经独立的DC/DC转换模块转换成2路5V电源，分别供232控 制单元、422控制单元使用，所述232控制单元和422控制单元之间的信号传输需通过光电
隔离器。作为优选，所述人机接口包括由主机、显示器、键盘、鼠标、打印机构成的传统操作 终端和智能操作盘。作为优选，所述智能操作盘包括柔性按键电路板和主板，所述柔性按键电路板主 要完成所有按键操作，包括实现参数修改、参数查询及对机组的控制，所述主板集成了 DC/ DC转换回路，CPU控制回路、专用控制芯片和标准RS232串行通讯 接口。本发明汽轮机冗余数字电液控制系统，其中的控制单元包括A控制机、B控制机、 A组信号采集模块、B组信号采集模块、双机切换模块和多个通讯模块，这里采用了相互连 接的两台控制机并配备两组信号采集模块的结构设计，同时还在两台控制机之间连接有双 机切换模块，这样便组成了两组独立的信号接收和处理系统，并且当其中一组出现故障时 可自动或手动进行快速切换，实现了汽轮机数字电液控制系统核心模块控制单元的冗余设 计，大大提高了设备运行的稳定性。本发明汽轮机冗余数字电液控制系统，双电源切换装置的交流模块中含有交流电 源故障切换板，当输入电源中任意一路电压高于250V或低于180V并且另一路正常时，自动 将另一路切换为工作电源，反之亦然；当任意一路电源故障后，另一路电源不再进行越限判 断，即使故障也将作为工作电源并输出，直到先故障的电源恢复。当两路电源均正常时，可 人为在线切换，切换动作电压高低可通过板件内部的电位器调整。模块内部切换逻辑回路 由继电器与交流接触器直接连接组成，减小了切换时间。本发明汽轮机冗余数字电液控制系统，其中的人机接口包括由主机、显示器、键 盘、鼠标、打印机构成的传统操作终端和智能操作盘，冗余的人机接口用于保证实现对控制 系统各冗余单元之间无扰切换，且简化了现场运行人员对控制系统的操作过程。综上所述，本发明汽轮机冗余数字电液控制系统，通过双控制机和双信号采集模 块、双电源切换装置、传统操作终端和智能操作盘实现了汽轮机数字电液控制系统的控制 单元、电源单元和人机接口的三重冗余设计，极大地防止了因控制系统本身故障对汽轮机 组的正常运行造成威胁，保证了汽轮机组在各种工况下安全、可靠运行。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。图1是本发明汽轮机冗余数字电液控制系统框图。图2是本发明汽轮机冗余数字电液控制系统中的双电源切换装置电路图。图3是本发明汽轮机冗余数字电液控制系统中的控制机框图。图4是本发明汽轮机冗余数字电液控制系统中的双机切换模块框图。
图5是本发明汽轮机冗余数字电液控制系统中的通讯模块框图。图6是本发明汽轮机冗余数字电液控制系统中的智能操作盘框图。
具体实施例方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥 的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙 述，均可被其他等效 或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只 是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。如图1所示，本发明汽轮机冗余数字电液控制系统，包括双电源切换装置、控制单 元和人机接口，其中双电源切换装置和控制单元安装在控制柜中，双电源切换装置为控制 单元和人机接口提供电源，控制单元接收、处理现场汽轮机组及伺服系统信号并与人机接 口进行信息交互，所述控制单元包括A控制机、B控制机、A组信号采集模块、B组信号采集 模块、双机切换模块和多个通讯模块，其中A控制机通过A组信号采集模块与汽轮机组及伺 服系统进行信号交互，B控制机通过B组信号采集模块与汽轮机组及伺服系统进行信号交 互，A控制机和B控制机相连且可分别通过通讯模块与人机接口进行信息交互，A控制机和 B控制机的信号同时还连接到双机切换模块并通过通讯模块与人机接口进行信息交互。现 场信号通过电线连接到机柜上的接线端子，再将各种信号由内部电线连接到信号采集模块 中的对应板件上，由信号采集模块对信号做相应处理，处理后的信号通过预制电缆直接连 接到控制机，控制机将接收到的信号计算后，输出控制信号到信号采集模块，再通过电线连 接到机柜上的输出接线端子传递给现场设备。A控制机和B控制机中的所有临时数据及参 数都通过控制机上的通讯口相互传输，以保证两控制机中的参数及运行状态一致，实现相 互冗余，互为备用的功能。两控制机的信号连接到通讯模块，模块内部将RS232通讯模式的 数据转换成RS422通讯模式(实现数据的远距离、快速传输)，再由网线连接到另一个通讯 模块，最后将数据传输到人机接口的主机上，配套显示器、键盘、鼠标、打印机等外围设备， 完成对控制系统的数据交换及各项功能的操作。A控制机和B控制机的信号同时还连接到 双机切换模块，由双机切换模块切换一路RS232通讯信号，A机工作时，将A机的通讯信号 切换输出，B机工作时将B机的通讯信号切换输出，切换后的信号也需要配套通讯模块才能 将信号传输到智能操作盘。如图2所示，本发明汽轮机冗余数字电液控制系统，双电源切换装置的交流模块 中含有交流电源故障切换板，双电源切换装置的输入电源过压、欠压切换功能，由交流模块 中的交流电源故障切换板实现。切换板中电压基准芯片与电阻、电位器配合输出2路大小 不同的基准电压信号(可调整)，作为高低切换动作电压，2路220VAC电源通过电压互感器 转换成2路独立的直流电压信号，分别与切换动作电压做比较，当直流信号大于高切换动 作电压或小于低切换动作电压时，切换板内部的晶体管导通，继电器动作，电源装置自动将 另一路输入电源作为工作电源。切换动作电压的值可使用内部电位器调整，用于检测不同 输入范围的交流电压。当输入电源中任意一路电压高于250V或低于180V并且另一路正常 时，自动将另一路切换为工作电源，反之亦然；当任意一路电源故障后，另一路电源不再进 行越限判断，即使故障也将作为工作电源并输出，直到先故障的电源恢复。当两路电源均正常时，可人为在线切换，切换动作电压高低可通过切换板内部的电位器调整。模块内部切换 逻辑回路由继电器与交流接触器直接连接组成，减小了切换时间。 如图3所示，本发明汽轮机冗余数字电液控制系统，控制机包括主机模块、多功能 接口板、状态显示板和通讯卡，其中主机模块通过多功能接口板与状态显示板、通讯卡和信 号采集模块进行信息交互，主机模块连接有显示器接口和鼠标键盘接口，通讯卡连接有通 讯接口。所述主机模块采用标准的PC104插件结构，模块含CPU、内存、BIOS、IDE(HDD及 ⑶ROM)接口、软驱接口、显示器接口、鼠标键盘接口等，通过CPU可完成各种数据的运算、分 析、处理，内存用于存储内部逻辑程序，通过显示器接口和鼠标键盘接口可实现控制机中数 据与外围设备的传输，便于控制机在出厂前的调试。所述多功能接口板配备PC104总线接 口，通过DDK插座与外部接口板连接。可实现32路A/D转换(模拟量输入模块与模入接口 板配套使用，接收模入接口板的1 5VDC电压信号，该信号通过多路选择开关逐个经高性 能A/D转换芯片处理后变为数字量信号，再经光电隔离后送至可编程逻辑阵列进行处理， 处理后的数据通过PC104插件以数据总线的形式传输到主机模块的CPU中，由CPU进行相 关运算)，4路D/A转换(经主机模块中CPU运算后的数据通过PC104插件以数据总线的形 式传输到可编程逻辑阵列中，由可编程逻辑阵列对数据进行整理、输出，输出的数字量信号 经光电隔离后，送至D/A转换器，通过D/A转换后，将其变为模拟量信号(1 5VDC)送至模 出接口板)，3路脉冲量测量(脉冲量输入模块与转速前置器模块、转速接口板配套使用，接 收现场转速传感器的脉冲信号，内部经施密特触发器送至可编程逻辑阵列进行处理，处理 后的数据通过PC104插件以数据总线的形式传输到主机模块的CPU中，由CPU进行相关运 算)。48路开关量输入状态监视(开关量输入模块与开入接口板配套使用，接收来自开入 接口板的开关量信号，内部经施密特触发器送至可编程逻辑阵列进行处理，处理后的数据 通过PC104插件以数据总线的形式传输到主机模块的CPU中，由CPU进行相关运算)和32 路开关量输出(开关量输出模块接收可编程逻辑阵列的开关量输出信号，与开出接口板配 套使用，驱动输出继电器及通道输出指示灯)。所述通讯卡具备标准通讯口，完成控制机内 部数据与控制机机箱上的通讯接口的连接，实现控制机内部数据与人机接口的远程数据传 输。如图4所示，本发明汽轮机冗余数字电液控制系统，双机切换模块包括切换主板 和切换显示板，所述切换主板用于信号输入、输出、内部电源变换、切换逻辑组合及状态指 示输出，当A机工作时双机切换模块将A机的控制输出切换至系统的控制输出，当B机工作 时双机切换模块将B机的控制输出切换至系统的控制输出，所述切换显示板接收切换主板 输出的状态指示信号，通过LED指示灯指示。切换主板接收来自控制机的Watchdog及I/O 正常信号(A/B控制机I/O自检OK时送出的开关量信号)，两种信号经隔离后由驱动器送入 CPLD控制器，控制器内部对Watchdog信号的周期性脉冲进行判断。当Watchdog信号的脉 冲周期大于切换模块所设定的时间时，切换模块判断Watchdog信号故障，当Watchdog及I/ 0自检均正常时，切换模块判断为本机正常，否则本机故障，同时将正常信号隔离后送至A/ B控制机。在A/B控制机同时起动时，切换模块选择A控制机为当前工作机，此时将A控制 机的模拟量输出信号切到输出回路作为系统控制信号输出，将开出电源公共端切换至A控 制机开关量输出电源端。A控制机故障时或手动切B控制机时(系统自动将A机瞬间置位 故障)，切换模块将B控制机的模拟量输出信号切至输出回路作为系统控制信号输出，将开出电源公共端切换至B控制机开关量输出电源端。同时系统切换一路RS232通讯信号，A控 制机工作时，将A控制机的通讯信号切换到与操作盘连接，B控制机工作时将B控制机的通 讯信号切换至与操作盘连接。在A/B控制机正常时，最终输出信号的控制机为工作机，并把 工作机工作的信号通过开关量送至指示灯及A/B控制机。如图5所示，本发明汽轮机冗余数字电液控制系统，通讯模块包括电源单元、232 控制单元和422控制单元，所述电源单元接收外部24V直流电源，经独立的DC/DC转换模块 转换成2路5V电源，分别供232控制单元、422控制单元使用，保证两部分电路的电源相互 隔离、互不干扰。所述232控制单元和422控制单元之间的信号传输需通过光电隔离器。所 述232控制单元中232通讯接口与A/B控制机上的通讯接口连接，用于接收来自控制机中 的数据，数据以标准232数据模式传输，经232专用芯片实现电平转换后连接到驱动器上， 经驱动后的信号用指示灯来实现信号的状态显示，接收指示灯闪烁表示422通讯接口正在 接收数据，发送指示灯闪烁表示422通讯接口正在发送数据，同时驱动后的信号经光电隔 离器隔离后连接到422专用芯片，由422专用芯片将232信号转换成422信号，再经422通 讯接口输出。当422专用芯片接收外部信号时，将接收的信号连接到驱动器上，经光电隔离 器隔离后传输到232专用芯片上，由232专用芯片实现422信号到232信号的转换，最后经 232通讯接口输出。 如图1和图6所示，本发明汽轮机冗余数字电液控制系统，人机接口包括由主机、 显示器、键盘、鼠标、打印机构成的传统操作终端和智能操作盘。所属智能操作盘包括柔性 按键电路板和主板，所述柔性按键电路板主要完成所有按键操作，包括实现参数修改、参 数查询及对机组的控制，所述主板集成了 DC/DC转换回路(为操作盘提供直流24V稳定 电源)，CPU控制回路(内部存储了完成操作盘各种功能的主程序)、专用控制芯片和标准 RS232串行通讯接口。专用控制芯片是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及 μ P监控的多功能外围芯片，主要用于键盘显示接口的扩展，具有接口简单、占用CPU资源 少、外围器件简单、性价比高等优点。标准RS232串行通讯接口，用于和上位机进行数据通 讯，配套专用操作盘通讯模块可以转换成RS422通讯方式。另外，智能操作盘还设置有LED 指示(主要用于当前机组及设备的运行状态指示)和数码管显示(主要用于当前机组主机 运行参数的显示)。智能操作盘与传统操作终端构成了冗余人机接口系统，当传统操作终端 出现故障时，可用智能操作盘完全替代传统操作终端与控制系统交换数据，保证控制系统 安全、可靠运行。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种汽轮机冗余数字电液控制系统，包括双电源切换装置、控制单元和人机接口，其中双电源切换装置和控制单元安装在控制柜中，双电源切换装置为控制单元和人机接口提供电源，控制单元接收、处理现场信号并与人机接口进行信息交互，其特征在于所述控制单元包括A控制机、B控制机、A组信号采集模块、B组信号采集模块、双机切换模块和多个通讯模块，其中A控制机通过A组信号采集模块与汽轮机组及伺服系统进行信号交互，B控制机通过B组信号采集模块与汽轮机组及伺服系统进行信号交互，A控制机和B控制机相连且可分别通过通讯模块与人机接口进行信息交互，A控制机和B控制机的信号同时还连接到双机切换模块并通过通讯模块与人机接口进行信息交互。
2.根据权利要求1所述的汽轮机冗余数字电液控制系统，其特征在于所述双电源切 换装置包括包括交流模块，交流模块中含有交流电源故障切换板，其中切换板中的电压基 准芯片与电阻、电位器配合输出2路大小不同的基准电压信号作为高低切换动作电压，2路 220VAC电源通过电压互感器转换成2路独立的直流电压信号，分别与切换动作电压做比 较，当直流信号大于高切换动作电压或小于低切换动作电压时，晶体管导通，继电器动作， 电源装置自动将另一路输入电源作为工作电源。
3.根据权利要求1所述的汽轮机冗余数字电液控制系统，其特征在于所述控制机包 括主机模块、多功能接口板、状态显示板和通讯卡，其中主机模块通过多功能接口板与状态 显示板、通讯卡和信号采集模块进行信息交互，主机模块连接有显示器接口和鼠标键盘接 口，通讯卡连接有通讯接口。
4.根据权利要求1所述的汽轮机冗余数字电液控制系统，其特征在于所述双机切换 模块包括切换主板和切换显示板，所述切换主板用于信号输入、输出、内部电源变换、切换 逻辑组合及状态指示输出，当A机工作时双机切换模块将A机的控制输出切换至系统的控 制输出，当B机工作时双机切换模块将B机的控制输出切换至系统的控制输出，所述切换显 示板接收切换主板输出的状态指示信号，通过LED指示灯指示。
5.根据权利要求1所述的汽轮机冗余数字电液控制系统，其特征在于所述通讯模块 包括电源单元、232控制单元和422控制单元，所述电源单元接收外部24V直流电源，经独立 的DC/DC转换模块转换成2路5V电源，分别供232控制单元、422控制单元使用，所述232 控制单元和422控制单元之间的信号传输需通过光电隔离器。
6.根据权利要求1所述的汽轮机冗余数字电液控制系统，其特征在于所述人机接口 包括由主机、显示器、键盘、鼠标、打印机构成的传统操作终端和智能操作盘。
7.根据权利要求6所述的汽轮机冗余数字电液控制系统，其特征在于所述智能操作 盘包括柔性按键电路板和主板，所述柔性按键电路板主要完成所有按键操作，包括实现参 数修改、参数查询及对机组的控制，所述主板集成了 DC/DC转换回路，CPU控制回路、专用控 制芯片和标准RS232串行通讯接口。
全文摘要
本发明公开了一种汽轮机冗余数字电液控制系统，该系统包括双电源切换装置、控制单元和人机接口，所述控制单元包括A控制机、B控制机、A组信号采集模块、B组信号采集模块、双机切换模块和多个通讯模块，其中A控制机通过A组信号采集模块与汽轮机组及伺服系统进行信号交互，B控制机通过B组信号采集模块与汽轮机组及伺服系统进行信号交互，A控制机和B控制机相连且可分别通过通讯模块与人机接口进行信息交互，A控制机和B控制机的信号同时还连接到双机切换模块并通过通讯模块与人机接口进行信息交互。本发明实现了汽轮机数字电液控制系统的控制单元、电源单元和人机接口的三重冗余设计，极大地防止了因控制系统本身故障对汽轮机组的正常运行造成威胁，保证了汽轮机组在各种工况下安全、可靠运行。
文档编号G05B19/418GK101846998SQ20101014548
公开日2010年9月29日 申请日期2010年4月13日 优先权日2010年4月13日
发明者李 杰, 陆晓阳 申请人:德阳瑞能电力科技有限公司