基于单片机的汽轮机安全保护装置的制作方法

本实用新型涉及船舶汽轮机自动化技术领域，特别是一种基于单片机的汽轮机安全保护装置。

背景技术：

汽轮机是高速旋转的大型精密动力设备，汽轮机的启停和正常运行中的许多因素都会引起机组状态的变化，如不对其进行严密的监视和准确的控制保护，极可能造成设备的损坏，甚至带来灾难性的后果。目前，计算机网络技术飞速发展，使资源达到充分共享，实现集中、高效、便利的管理是必然的趋势，这也对汽轮机控制的自动化水平，系统集成度提出了更多、更高的要求。近年来，西方国家正在研究开发新型的、开放性更高的平台，研究并力图推行实时数据通讯，对大型汽轮机组不仅可以在线故障检测、利用专家系统对故障进行评估，还可以进行远程监测和诊断。相比国际上的先进技术，目前国内汽轮机监控报警系统还有很多功能尚不完善，其智能化、模块化、标准化等发展水平亦有一定的差距。因此，如何将汽轮机各种设备整合在一个具有高度智能化的系统网络，如何把汽轮机数据信息高度集成和共享，是国内汽轮机安全保护技术所需要突破的难题。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：汽轮机一般由监测控制系统保护其设备的运行安全，这种系统架构忽视了汽轮机监控设备自身故障的隐患。基于单片机构建模块化的汽轮机安全保护装置，其独立于汽轮机监控系统，设置以太网接口实现两者的数据通讯。其通过连续、有效的监视汽轮机主要运行参数，当参数超过极限允许值时，能够输出及时可靠的停机动作，避免事故发生，确保机组安全；同时接受越控指令，在某些紧急情况下忽略停机故障，使汽轮机持续运行。

本实用新型解决其技术问题采用以下的技术方案：

本实用新型提供的基于单片机的汽轮机安全保护装置，其独立于汽轮机监测控制系统；该装置设有输入信号调理接口电路、单片机最小系统电路、数字量输出接口电路和通信接口电路，各电路封装在置于汽轮机安全保护装置控制柜内的同一电路板上；所述输入信号调理接口电路将汽轮机越控信号和其运行参数信号变送和调理后输入至单片机最小系统电路；单片机最小系统电路输出分为两路，分别与数字量输出接口电路和通信接口电路相连，其中数字量输出接口电路又与柜外停机电磁阀、蜂鸣器和报警灯相连，通信接口电路通过以太网完成与监控系统之间的通信，对汽轮机运行的实时状态进行监视。

所述的输入信号调理接口电路，包括数字量接口电路、位移信号接口电路、热电阻温度信号调理接口电路、压力信号调理接口电路和磁电式转速信号调理接口电路，所述数字量接口电路接收汽轮机停机越控信号；位移信号接口电路过滤去主汽轮机转子轴向位移信号的杂波；热电阻温度信号调理接口电路接收传感器测得的汽轮机轴承温度信号和主汽轮机机组滑油温度信号；压力信号调理接口电路接收传感器测得的主汽轮机机组滑油总管压力信号；磁电式转速信号调理接口电路接收传感器测得的主汽轮机机组转速信号。

所述的数字量接口电路采用光耦PC817器件。

所述的位移信号接口电路采用LM358构成巴特沃斯二阶滤波电路，滤除汽轮机转子轴向位移信号中夹杂的高频干扰信号，输出电压信号至单片机最小系统电路。

所述的热电阻温度信号调理接口电路采用恒流源式测温电路，恒流源为热电阻提供激励电流，热电阻接在对应电路之间，对应0～200℃的电压信号输出。

所述的压力信号调理接口电路采用150Ω1‰精密电阻将传感器输出的电流信号转换为电压信号，在后端利用INA118构成的放大电路调理，放大信号的输出端采用BAT54S对放大电压信号稳压，使其电压分布在AD输入能够接受的范围内。

所述的磁电式转速信号调理接口电路，设有施密特触发器LM555CM、放大电路INA118和XC886CLM定时捕捉模块；所述LM555CM将位移信号接口电路滤波后的信号整形成方波进行输入，该方波信号由转速传感器得到后经INA118调整成单片机最小系统电路许可的电压信号，此信号经XC886CLM定时捕捉模块处理得到主汽轮机机组转速的测量。

所述的数字量输出接口电路为报警电路，其釆用达林顿管ULN2003进行驱动，此时引脚9将接在负载的供电电源上，从而形成续流回路。

所述的通信接口电路采用以太网控制芯片RTL8019AS。

本实用新型与现有技术相比具有以下主要优点：

1.提高了汽轮机运行的安全。

基于单片机构建模块化、网络化和数字化的汽轮机安全保护装置，其独立于汽轮机检测控制系统，对被监视的参数进行连续、有效、准确的监视。停机越控功能的投入，使得装置的功能更加完善，大大提高了汽轮机运行的安全。

2.提高了监测系统的便利性和信息资源的网络利用率。

以太网技术的引入，使数据的通讯速率大大提高，更容易实现数据的存储，并且由于以太网技术采用当今比较流行的TCP/IP协议，可以解决不同厂商设备无法互联的瓶颈。通过汽轮机实时状态监测数据通讯，对大型汽轮机组进行在线故障检测，这样不仅提高监测系统的便利性，而且同时也提高信息资源的网络利用率。

3.实用性强。

主控单元采用8位英飞凌单片机微控制器，同时采用以太网完成安全保护装置和汽轮机监测控制系统之间的通讯，可以替代国外进口的同类型设备，在汽轮机的安全监测系统或者其它监测保护系统中都具有十分广阔的市场前景和良好的社会效益。

附图说明

图1是汽轮机安全保护装置结构图。

图2是汽轮机安保装置本地信号控制图。

图中：1.主汽轮机机组转速信号；2.主汽轮机转子轴向位移信号；3.汽轮机轴承温度信号；4.主汽轮机机组滑油温度信号；5.主汽轮机机组滑油总管压力信号；6.紧急停机信号；7.汽轮机停机越控信号；8.水力测功器；9.飞轮；10.叶片；11.汽轮机；12.停机电磁阀；13.过热蒸汽总管；14.主机滑油总管。

具体实施方式

本实用新型提供的基于单片机的汽轮机安全保护装置，其独立于汽轮机监测控制系统，运用以太网技术实现和监控系统之间的通信。连续、有效的监视汽轮机主要运行参数，当参数超过极限允许值时，及时可靠的停机动作，避免事故发生，确保机组安全；装置同时接受越控指令，在特殊情况下忽略停机故障，使汽轮机持续运行。若装置信号输入传感变送模块故障，则可通过以太网接收汽轮机监控系统的检测参数，对汽轮机实施保护动作；若装置设备因故停止工作，汽轮机亦能通过监控系统输出报警，确保机组安全。

下面结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

本实用新型提供的基于单片机的汽轮机安全保护装置，其结构如图1所示：主要由输入信号调理接口电路、电源电路、单片机最小系统电路(MCU)、数字量输出接口电路和通信接口电路组成，各电路封装在同一电路板上，电路板置于汽轮机安全保护装置控制柜内。其中：电源电路为整个装置提供5V电源。输入信号调理接口电路将汽轮机越控信号和其运行参数信号变送和调理后输入至MCU。MCU输出分为两路，分别与数字量输出接口电路和通信接口电路相连，其中数字量输出接口电路又与柜外停机电磁阀、蜂鸣器和报警灯相连；通信接口电路通过以太网完成与监控系统之间的通信，对汽轮机运行的实时状态进行监视。所述监控系统是现有汽轮机自身带有的设备。

该汽轮机安全保护装置的本地信号控制图如图2所示：主汽轮机机组转速信号1、汽轮机轴承温度信号3、主汽轮机机组滑油温度信号4、主汽轮机机组滑油总管压力信号5和主汽轮机转子轴向位移信号2由置于汽轮机本体的磁电式转速传感器、温度传感器、压力传感器和位移传感器等测得，并通过输入信号调理接口电路与整个装置相连。

磁电式转速传感器采用CZ300磁电式转速传感器，其置于汽轮机飞轮外侧，与飞轮相距1.5mm，用于测量主汽轮机机组转速1，汽轮机超速限定值常为110％和112％的额定转速。

温度传感器采用PT100温度传感器，其置于滑油总管内部和汽轮机主轴承表面，用于测量主汽轮机机组滑油温度4和汽轮机轴承温度3，轴承温度达121℃，或滑油温度达75℃时，跳闸停机。

压力传感器采用NS-P22压力传感器，其置于滑油总管内部，用于测量主汽轮机机组滑油总管压力5，滑油油压低至0.08MPa时，输出控制汽轮机参数报警，滑油油压低至0.055MPa时，跳闸停机。

位移传感器采用NS-WY01位移传感器，其置于汽轮机转子金属表面外一定距离，并将此距离转换成与其成比例的电压，用于检测主汽轮机转子轴向位移2。各类机组的轴向弹性位移值不相同，一般约在0.2～0.4mm范围，机组的轴向位移报警值为±0.8mm，跳闸值为±1mm。

所述的输入信号调理接口电路，包括数字量接口电路、位移信号接口电路、热电阻温度信号调理接口电路、压力信号调理接口电路和磁电式转速信号调理接口电路，其中：数字量接口电路接收汽轮机停机越控信号7；位移信号接口电路过滤去主汽轮机转子轴向位移信号2的杂波；热电阻温度信号调理接口电路接收传感器测得的汽轮机轴承温度信号3和主汽轮机机组滑油温度信号4；压力信号调理接口电路接收传感器测得的主汽轮机机组滑油总管压力信号5；磁电式转速信号调理接口电路接收传感器测得的主汽轮机机组转速信号1。该输入信号调理接口电路采集的信号经处理后送入MCU进行分析处理。

所述数字量接口电路采用光耦PC817来实现信号的隔离和电平转换，当外部连接的开关闭合时，光耦导通，由于光耦输出端接地，所以输出电压大约为0V，单片机此时检测信号为逻辑信号0；当开关断开时，光耦前段截止，其输出端与地也断开，此时的电压通过上拉电阻变为+5V，单片机检测为逻辑1信号。

所述位移信号接口电路采用LM358构成巴特沃斯二阶滤波电路，滤除汽轮机转子轴向位移信号2中夹杂的高频干扰信号，输出电压信号至MCU。

所述热电阻温度信号调理接口电路采用恒流源式测温电路，恒流源为热电阻提供激励电流，热电阻接在对应电路之间，对应0～200℃的电压信号输出。

所述压力信号调理接口电路采用150Ω1‰精密电阻将传感器输出的电流信号转换为电压信号，在后端利用INA118构成的放大电路调理，放大信号的输出端采用BAT54S对放大电压信号稳压，使其电压分布在AD输入能够接受的范围内。

所述磁电式转速信号调理接口电路是利用施密特触发器LM555CM将滤波后的信号整形成方波进行输入，转速传感器得到的方波信号经INA118构成的放大电路调整成MCU许可的电压信号，处理后的方波信号送入XC886CLM的定时捕捉模块，利用其内部硬件计数器完成转速的测量。

所述单片机最小系统电路(MCU)采用英飞凌XC800系列8位微控制器XC886CLM，该芯片稳定性高，抗干扰能力强，可适用于船舶恶劣工况；具有多闪存Flash结构支持外部PC机通过专用串行编程接口对内部存储器编程或擦除，程序下载方便；工作温度范围为-40～85℃；工作频率为96MHz；具有六个端口，多达48个数字I/O引脚，8个数字/模拟输入引脚；片内存储器：12KB Boot ROM，256B RAM，1.5KB XRAM，24/32KB Flash。控制器对采集的信号进行分析运算处理，输出故障信号。故障信息包括主汽轮机机组超速、汽轮机轴承温度过高、主汽轮机机组滑油总管压力过低、主汽轮机机组滑油温度过高以及主汽轮机转子轴向位移。当所述故障产生时，发出报警信号至数字量输出接口电路，输出信号釆用达林顿管ULN2003进行驱动，使汽轮机停止工作，并输出声光警告。

所述电源电路为MCU提供所需的5V电压，本装置选用由美国国家半导体公司生产的降压开关型集成稳压芯片LM2596，LM2596芯片输出2脚、电感L4、电容C29以及续流二极管组成一个小型的BUCK降压电路，稳定提供5V的电压输出。

所述数字量输出接口电路为报警电路，其釆用达林顿管ULN2003进行驱动，它由七个硅NPN达林顿管组成，每对达林顿管均串联一2.7KΩ的基极电阻，可承受工作电压高，工作电流大，输入5V的TTL电平时，输出可达500mA/50V，同时内部集成了一个续流二极管，用来消除继电器线圈中的反电动势，此时引脚9将接在负载的供电电源上，从而形成续流回路。

所述通信接口电路采用以太网控制芯片RTL8019AS，RTL8019AS是高度集成以太网控制器，传输速率高达10Mbit/s，与NE2000相兼容，支持以太网全双工通信方式，内置16KB的SRAM，可以方便的与微处理器进行连接。用于安全保护装置和汽轮机监控系统之间的数据传输。

本实用新型提供的基于单片机的汽轮机安全保护装置，其工作过程如下：

输入信号调理接口电路通过检测主汽轮机机组转速信号1、主汽轮机转子轴向位移信号2、汽轮机轴承温度信号3、主汽轮机机组滑油温度信号4、主汽轮机机组滑油总管压力信号5和汽轮机停机越控信号7的情况，信号经调理后输入至控制器XC886CLM，控制器按相应的控制方案，对采集的信号分析处理运算。汽轮机监控系统通过以太网与控制器相连，对检测的参数进行连续、有效、准确的监视。

如果参数超过数据允许值时，汽轮机安全保护装置动作并发出声光报警，监控系统同时显示报警信息，提示运行人员注意，并采取相应的纠正措施。

如果参数超过数据极限值时，保护装置报警电路动作，输出声光报警的同时，实现强迫停机。

如果系统在紧急操纵按下停机越控按钮，此时忽略停机故障，使汽轮机持续运行。

如果安全保护装置信号输入传感变送模块故障，则可通过以太网接收汽轮机监控系统的检测参数，对汽轮机实施保护动作；若装置设备因故停止工作，汽轮机亦能通过监控系统输出报警，确保机组安全。

本装置力图推行状态监测数据通讯，对大型汽轮机组不仅可以在线故障检测，对故障数据进行评估，还可以进行远程监测和诊断，这样不仅提高汽轮机监控系统的便利性，而且同时也提高信息资源的网络利用率。