专利名称：水轮机调速器的微机控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种水力发电机组的配套设备，确切地说，涉及一种水电站的水轮机调速器的微机控制器，属于非电变量的流量自动控制装置技术领域。
水轮机、发电机、调速器是水力发电站的三大关键设备，其中调速器是用于控制水轮发电机组的转速的自动控制设备，它由控制器和执行机构两部分组成，用于确保水电站输出电能负荷均衡和供电可靠。目前我国生产和正在使用的水轮机调速器，大部分为机械液压调速器，小部分为电液调速器和由8位CPU构成的单片微机或单板机控制的调速器。前者采用机械液压方法实现调速自动控制，其中采样、控制、决策等控制部件都由机械或液压部件完成，控制精度低、稳定性差、功能简单、维修困难，甚至没有备件可以更换。后者主要以运算放大器或八位CPU作基础元件，同样存在功能少、线路繁杂和可靠性低等缺陷。
本实用新型的目的是提供一种以准16位CPU为核心器件的水轮机调速器的微机控制器，用于替换上述机械液压调速器、电液调速器或八位微机调速器的控制器部分，再与原调速器的执行机构组成准16位微机控制的调速器。
本实用新型是这样实现的包括有液压组件与准16位CPU为核心的控制电路，其特征在于其中液压组件是由分别用作机电切换阀和手自动切换阀的两个二位三通电磁阀以及用作电液转换器的一个三位四通电磁阀所组成，该液压组件应安装在调速器的引导阀前端压力油与控制油两条液压管路上；其中控制电路包括有8098准16位CPU芯片，以监测水轮机转速快慢的测速电路和分别监测辅助接力器、主接力器和开限机构位移的三个位移传感器构成的8098输入电路，由通用逻辑阵列芯片和ROM、EEP-EOM、RAM芯片构成的地址译码、锁存及存储电路，由数/模转换芯片构成的8098输出驱动电路和由可编程键盘/显示接口芯片与两个可编程外设接口芯片组成的开关量输出/输入接口构成的外围接口电路；其中8098输出驱动电路的输出端接至液压组件中电液转换器的电信号输入端。
控制电路中设有MC3486、MC3487两个RS422串行通信接口芯片作为其与上位机实现远距离通信接口。
控制电路中选用DAC1230数模转换芯片作为其数/模转换输出接口。
控制电路中的数模转换输出接口中设置有由多个TL082、OP07、555芯片、达林顿功放驱动电路及多个开关构成的不同输出通道。
上述液压组件可以是只有一个用作电液转换器的三位四通电磁阀。
上述液压组件中的电液转换器可以是比例阀，也可以是伺服阀，还可以是位移输出的电液转换器。
上述液压组件的各个阀的入油口应与调速器引导阀前端的压力油管路连通，而这些阀的回油口可以经过引导阀构成通路，也可以直接连接自行闭合而与引导阀脱离连接。
本实用新型的特点是选用8098准16位CPU作为控制电路的核心，再配以液压组件和相关位移传感器、测速电路和其他输出/输入控制电路，就可将原水轮机调速器改造成为功能齐全、通用性强、工作稳定可靠的微机控制调速器。由于8098芯片本身带有高速输入口、高速输出口、模/数转换和串行通信等接口，使得其外围电路大为简化，不仅可以拓宽丰富本实用新型的控制功能，满足不同水电机组中不同型号调速器的多种需求，具有很强的通用性；又能克服原来的8位CPU芯片功能较少，必须在其外围增设各种繁琐控制接口电路而引起的电路复杂、稳定性差的缺陷。本实用新型配设有两块完全相同的控制电路主机板，互为热备用，以确保工作稳定可靠。该装置还设有串行通信接口，可以配置PC机作其上位机，为电站控制中心的PC机实现远距离集中控制提供了硬件环境。这样，上位机就可以同屏多机组、同屏多参数、多窗口、多菜单及图象方式实时反映调速器及发电机组的工况，为水电站实现计算机自动控制提供了重要装备。本实用新型另一特点是通用性强，该装置的设计充分考虑到我国中小型水力发电站的机组设置繁杂混乱现状，不仅可以替换原调速器的控制部分，使调速器实现准16位微机控制；也可以将本实用新型与原来的机械液压调速器或电液调速器并联运行、互为备用，使电站可以用较低的投资费用、较少的技术改动而提高发电机组的技术性能和安全可靠性，获取最大的效益。该装置既可以用于改造T-100、ST-100、T-100A、ST-100A、CT-40、YT-3000、YT-1800等机械液压调速器，也可以用于改造DT、YDT等系列的电气液压调速器，还可以与新近制造的水轮机调速器整机配套使用。该装置体积小、重量轻，携带、安装都很简单、方便。
以下结合附图，具体介绍本实用新型的结构和工作原理。
图1是本实用新型的结构原理框图。
图2是本实用新型用于机械液压调速器时的液压系统原理图。
图3是本实用新型用于电气液压调速器时的液压系统原理图。
图4是本实用新型的控制电路原理框图。
图5是本实用新型控制电路中CPU及其接口电原理图。
图6是本实用新型控制电路中D/A转换输出电原理图。
参见图1，本实用新型是水轮机调速器中的控制器部分，其结构组成如图中虚线框内所示。其控制原理是微型计算机通过采集水轮发电机组的工作转速F、主接力器的位移信号Y、辅助接力器的位移信号YF以及与事先给定的水轮发电机组工作转速F0等数据，并对这些数据进行计算机处理，给出一个控制电液转换器(比例阀或伺服阀)的电信号(例如电压值)，由该电信号决定电液转换器(图2、3所示为比例阀)的开关动作及开启量的大小；同时，该电液转换器将电信号转换为液压流量信号控制辅助接力器的运动方向，再由辅助接力器经过主配压阀进行液压放大，控制主接力器移动而改变其开口大小，从而实现对水轮机转速的控制。图1中虚线框外部分为水轮机调速器的原执行机构，本实用新型主要是对调速器的控制器进行技术改造，包括有液压组件(由比例阀或伺服阀或位移式输出液压阀构成的电液转换器)、微机控制电路和由若干位移传感器与测速电路组成的反馈电路(也即计算机输入电路)。对于调速器的原执行机构仍可继续使用而发挥其功效。本实用新型是集计算机技术、微电子技术和液压技术于一体的机电一体化设备，是运用现代信息技术和控制理论的高科技产品，也是运用先进电子技术改造传统机电设备，少化钱、办实事、挖潜增产的又一成果。
本实用新型主要由液压部分(参见图2、图3)和控制电路(参见图4、图5、图6)两部分构成，下面分别阐述其组成结构及工作原理。
参见图2所示的用于机械液压调速器时的本实用新型中液压组件结构。该液压组件主要由分别用作机电切换阀和手自动切换阀的两个二位三通电磁阀V1、V2和一个用作电液转换器—比例阀的三位四通电磁阀V3所构成，并安装在调速器引导阀V4前端的压力油Ps与控制油T′两条液压管路上，各个电磁阀之间的液压管路连接方式如图所示。图中V5为主配压阀，G1为辅助接力器，G2为主接力器，M为水轮发电机，MC为微机控制电路，M1、M2分别为辅助接器G1和主接力器G2的位移传感器，F为测速电路。该液压组件有三种工作方式(1)原机械调速器的自动运行方式此时，手自动切换阀V2断电，其阀芯处于b侧自动状态，即压力油的P口与B口断开；比例阀V3也断电，其阀芯处于中间位置，P口与A口断开。然后将机电切换阀V1切换到a侧，即其P口与A口相连通，压力油从A口经A′口至引导阀V4，再经B′到T′及辅助接力器G1。这样就通过引导阀V4实现原机械调速器的自动运行。(2)利用本实用新型的微机控制调速运行方式此时，用户应交将手自动切换阀V2切换到自动一侧(即b侧)，将机电切换阀V1切换到电动一侧(b侧)，这样，机电切换阀V1的压力油P口与A口断开，手自动切换阀V2的P口与B口断开，压力油只有通过比例阀V3方可进入辅助接力器G1，这时，就可以通过本实用新型的微机控制电路对比例阀V3的阀芯位置和位移量进行调节控制，从而实现对调速器的自动控制了。(3)手动控制方式此时，只需将手自动切换阀V2通电，使其阀芯处于a侧手动状态，则压力油P口与B口接通，压力油可以直接经过手自动切换阀V2进入辅助接力器，实现对调速器的手动控制。从上面阐述也可知悉，所以要设置机电切换阀V1和手自动切换阀V2是为了适应机械液压调速器的不同工况需求既可将其液压组件自行闭合构成回路，直接利用本实用新型的微机控制器调速；也可将液压组件与引导阀连通，利用与本实用新型并联相接的原机械调速器控制部分进行调速，本实用新型则处于备用状态；还可利用手动直接调速；为用户提供了尽可能多的工作方式选择。对于电液调速器的控制器液压组件(参见图3)，本实用新型只配置了一个三位四通电磁阀V6作为电液转换器比例阀，由本实用新型的微机控制电路对该比例阀V6的阀芯位置及位移量进行调节控制，以实现调速器的自动控制。
参见图4，本实用新型的控制电路包括有8098准16位CPU芯片，以监测水轮发电机转速的测速电路和分别监测辅助接力器，主接力器和开限机构位移的三个位移传感器构成的8098输入电路，由通用逻辑阵列芯片GAL20V8、地址锁存器芯片373和ROM27512、EEPROM2864、RAM6264等芯片构成的地址译码、锁存及存储电路，由数模转换芯片DAC1230等构成的8098输出驱动电路，由可编程键盘/显示接口芯片8279与两个可编程外设接口芯片8255组成的电站机组其他装置开关量输入/输出接口构成的外围接口电路，以及由两个串行通信接口芯片MC3486、MC3487构成的与上位机实现远距离通信的RS422串行通信接口。
图5、图6具体描述了本实用新型控制电路的实施例的电原理图。其工作原理简述如下水轮发电机的工作转速经测速电路监测整形转化为矩形波，经8098高速输入口(HSI)送入8098芯片，同时三个位移传感器也将辅助接力器、主接力器和开限机构的位移量转化为电压信号送至8098的模数转换输入口(ACH)，8098芯片会自动将其电压值转换成相应数码值，并存入其内部存储器，并用读取指令直接读取。此时，CPU便可根据人们事先编制的控制律程序，经过数据处理、运算，得出比例阀是否需要位移、位移方向及位移大小的控制信息，这个控制信息是数字量，CPU将该数字量控制信号直接输出至数/模转换芯片DAC1230构成的输出驱动电路，由D/A转换芯片将其转换成相应的电压信号，并用该电压直接驱动电液转换器—比例阀V3或V6。而比例阀V3、V6(或伺服阀)则是一个电液转换装置，它会根据输入的电压信号通过位移转化为流量信号来控制辅助接力器，进而调整水轮机转速及发电机组的输出电力频率。
如同本实用新型中的液压组件能够适应多种工况，其控制电路的硬件设计也具有很强的兼容特性，可针对不同用户、不同机型而选用不同通道完成各种不同类型调速器的控制。其中尤以D/A转换输出电路最为突出。
例如(参见图6)，对于流量输出的电液转换器，应将开关K1合上，K2、K6断开。这时从D/A转换芯片输出的幅度为0～5V之间电压信号经0P07芯片反向变成0～-5V电压，该信号与其8脚输出的参考电压+5V叠加及TL082反向后成为-5V～+5V电压。这时该信号驱动的如是伺服阀，因其驱动功率大，应将开关K4的1～2、K5接通，使该电压信号又经TL082及T1、T2构成的达林顿功放管送给电液伺服阀。由于伺服阀精度高，易卡死，本控制电路又利用555构成振荡电路，合上开关K3，将该振荡信号送给伺服阀，使之可以随时动作。如果驱动的是比例阀，因其驱动功率小，只需将开关K4的2～3接通，不必经功放电路而直接将输出电压送给比例阀；又因比例阀的阀心工作要求精度不高，不需振荡信号，故可将开关K3断开。而对于以前装设的使用位移式输出的电液转换器，应将开关K1、K3、K5断开、将开关K2、K4的2～3与K6接通，此时，D/A转换芯片输出0～5V电压信号，并直接送至电液转换器，使其主接力器的位移行程与输出电压的数值相对应。
权利要求1.一种水轮机调速器的微机控制器，包括有液压组件与准16位CPU为核心的控制电路，其特征在于其中液压组件是由分别用作机电切换阀和手自动切换阀的两个二位三通电磁阀以及用作电液转换器的一个三位四通电磁阀所组成，该液压组件应安装在调速器的引导阀前端压力油与控制油两条液压管路上；其中控制电路包括有8098准16位CPU芯片，以监测水轮机转速快慢的测速电路和分别监测辅助接力器、主接力器和开限机构位移的三个位移传感器构成的8098输入电路，由通用逻辑阵列芯片和ROM、EEPEOM、RAM芯片构成的地址译码、锁存及存储电路，由数/模转换芯片构成的8098输出驱动电路和由可编程键盘/显示接口芯片与两个可编程外设接口芯片组成的开关量输出/输入接口构成的外围接口电路；其中8098输出驱动电路的输出端接至液压组件中电液转换器的电信号输入端。
2.如权利要求1所述的水轮机调速器的微机控制器，其特征在于控制电路中设有MC3486、MC3487两个RS422串行通信接口芯片作为其与上位机实现远距离通信接口。
3.如权利要求1所述的水轮机调速器的微机控制器，其特征在于控制电路中选用DAC1230数模转换芯片作为其数/模转换输出接口。
4.如权利要求1或3所述的水轮机调速器的微机控制器，其特征在于控制电路中的数模转换输出接口中设置有由多个TL082、OP07、555芯片、达林顿功放驱动电路及多个开关构成的不同输出通道。
5.如权利要求1所述的水轮机调速器的微机控制器，其特征在于上述液压组件可以是只有一个用作电液转换器的三位四通电磁阀。
6.如权利要求1所述的水轮机调速器的微机控制器，其特征在于上述液压组件中的电液转换器可以是比例阀，也可以是伺服阀，还可以是位移输出的电液转换器。
7.如权利要求1所述的水轮机调速器的微机控制器，其特征在于上述液压组件的各个阀的入油口应与调速器引导阀前端的压力油管路连通，而这些阀的回油口可以经过引导阀构成通路，也可以直接连接自行闭合而与引导阀脱离连接。
专利摘要一种水轮机调速器的微机控制器，由液压组件与8098准16位CPU为核心的控制电路所组成，液压组件包括有两个二位三通电磁阀和一个用作电液转换器的三位四通电磁阀，并安装在引导阀前端的压力油与控制油两条液压管路上；控制电路还包括有测速电路和位移传感器构成的输入电路、由D/A转换芯片构成的输出驱动电路和外围接口、串行通信接口。该装置功能齐全、通用性强、结构简单、工作稳定可靠，为我国中小水电站进行调速器技术改造的优选设备。
文档编号G06F19/00GK2258635SQ9620948
公开日1997年7月30日 申请日期1996年5月17日 优先权日1996年5月17日
发明者谢森生, 王珩, 王素华 申请人:王素华