一种核电站多功能输入监视器模块的制作方法

一种核电站多功能输入监视器模块
[技术领域]
[0001]
本发明属于汽轮机监视保护仪表技术领域，具体地说是一种核电站多功能输入监视器模块。
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背景技术：
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[0002]
汽轮机监视保护仪表(turbine supervisory instruments，简称tsi仪表) 的常规如下所述：
[0003]
核电站中使用了大量大型的旋转机械，如：汽轮发电机组、泵轴泵组系统等，tsi仪表除了应用于汽轮发电机组外，还可以应用于泵轴泵组系统，可以扩展延伸至旋转机械的监视和保护，是确保旋转机械安全运行的关键设备之一。目前，为了保证核电站的安全运行，按照核电站的运行规程要求，核电站的所有旋转机械都必须安装tsi仪表，包括汽轮发电机组、大型泵轴泵组机组等主设备、还包括风机、循环系统等辅助设备。tsi仪表需要监测和保护的参数信号很多，常用的测量参数有：振动(包括轴承振动、相对振动、轴振动)、轴向位移、胀差、偏心、转速、零转速、键相、汽缸膨胀、油动机行程、同步器行程等。由于各测量参数不同，其测量原理各异，造成了非电量转换和电信号的处理方式是完全不同的，所以目前各tsi仪表的生产厂家所采取的解决方案，提供多种类型的监视器测量模块，如：振动监视器、轴向位移监视器、胀差监视器、偏心监视器、转速监视器、零转速监视器、键相监视器、汽缸膨胀监视器、行程监视器等，分别监视保护振动(包括轴承振动、相对振动、轴振动)、轴向位移、胀差、偏心、转速、零转速、键相、汽缸膨胀、油动机行程、同步器行程等测量参数。涉及了10多种监视器模块(品种)、每一个品种下还有因为测量的量程、安装方式、继电器逻辑组合等的差异，又会形成许多规格，各类品种和各种规格，使得整个tsi仪表的组成结构相当复杂，用户使用时，备品备件的品种、规格繁多，造成成本高昂。
[0004]
目前，在我国的核电站，基本上使用的都是国外进口的tsi产品，使用较多的国际品牌有：美国本特利(bn)公司、德国erpo公司、日本新川(shinkawa) 公司、瑞士vibro-meter公司等tsi产品。尽管如此，进口产品的监视器模块还是多品种，但规格比较少，通过软件组态的方式，实现了减少规格的目的，但是备品备件的品种还是很多。
[0005]
为此，若能实现将多种测量参数监视和保护功能集合在一个监视器模块内，通道的参数信号类型可以通过软件设置，各种整定参数根据参数类型自动适应；并提供超速保护和模块之间复杂逻辑设计的继电器输出等功能，将具有非常重要的意义。
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技术实现要素：
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[0006]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种核电站多功能输入监视器模块，通过将多种测量参数监视和保护功能集合在一个监视器模块内，简化了 tsi仪表的复杂结构，减少了备品备件数量，降低了用户使用成本，提高了tsi 仪表的安全性和可靠性。
[0007]
为实现上述目的设计一种核电站多功能输入监视器模块，包括模拟量输入 ai通道、模拟量输出ao通道、开关量输出do通道和网络通讯电路，其中，所述模拟量输入ai通道，
传感器信号输入送到监视器模块后，经过缓冲电路进行交、直流分离；直流信号经衰减，交流信号经过程控放大器放大后输入到模数 ad转换器，在键相信号的同步下做ad转换；数据经中央处理器cpu处理后转换成工程量，中央处理器cpu分别连接模拟量输出ao通道、开关量输出do通道和网络通讯电路；所述模拟量输出ao通道，中央处理器cpu送出的数字量，经数模转换器dac数模转换、放大、阻抗匹配、转换成记录输出；所述开关量输出do通道，中央处理器cpu送出的数字量，经继电器输出开关量信号，开关量输出与模拟量输入ai通道的对应关系自由组态或跨模块进行复杂逻辑组合输出；所述网络通讯电路提供一路rs485接口和两路can总线接口。
[0008]
进一步地，传感器信号接入至监视器模拟量输入ai通道，根据所接入的传感器类型，通过开关逻辑控制数控电子开关，送给传感器所需要的+24vdc供电电源、-24vdc供电电源、二线制有源信号输入或二线制无源信号输入。
[0009]
作为优选，传感器信号接入至传感器类型201，根据接入的传感器类型，开关逻辑202控制数控电子开关203，使电源输出204判断送给传感器的供电电源是+24vdc、-24vdc，或者二线制信号输入205送出，且传感器输入端子接线方式206中，端子sgn接输入信号，端子com接信号公共线，端子pow接传感器电源。
[0010]
作为优选，传感器输入的模拟信号经程控放大器301进行信号放大，程控放大器301根据通道组态确定放大器倍率，并将输入信号规范到ad转换器302 的适用范围，ad转换器302将模拟信号进行a/d转换，并将规范后的模拟信号转换为原始数字量送至数据转换及计算3，数据转换及计算303将原始数字量进行滤波，根据组态内容转换为工程数值，并检查报警状态，将数值存入模块的实时数据库，由实时数据通讯304将实时数据库中的内容发送给就地通讯组态模块和其他监视器模块，作为结果输出305，根据组态内容和实时数据，确定记录输出和开关工作状态；组态数据通讯306根据组态软件的命令，接收组态信息存入监视器模块非易失介质，或将本地组态发送给组态软件。
[0011]
进一步地，所述模拟量输入ai通道中，传感器信号从传感器输入端101接入，送入信号保护回路102，信号保护回路102对输入信号进行限流、限压，其对外接输入信号的限压范围为
±
24v，限流范围为30ma，信号保护回路102输出端分别连接信号跟随回路103、信号跟随器输出115，信号跟随器输出115的输出信号接至db9接口信号输出116，db9接口信号输出116连接bnc接口输出117；信号跟随器103的输出端连接交直流分离回路104，并经交直流分离回路104将信号进行交直流分离后分成二路，分别进行交流取样和直流取样；交流信号经过交流取样回路105送至程控放大回路106，将信号调整至合适的范围，经ad 转换回路一107完成模数转换，将连续的模拟信号转换为数字信号，ad转换回路一107的输出端连接数字滤波回路108，数字滤波回路108对所采集的输入信号进行数字滤波后，在振动信号输出109送入cpu；直流信号经直流取样、程控放大回路110、ad转换回路二111调整为合适的信号，并在间隙信号输出112 送入cpu；cpu根据所接收的交直流信号的大小，自适应地输出一个直流信号，此信号经偏置信号输入113和da转换回路114后，输入到直流信号程控放大器，以控制放大器的放大倍数。
[0012]
作为优选，所述模拟量输入ai通道中，直流分量允许输入的电压范围为
ꢀ‑
24vdc～0～+24vd，组态成单通道测量方式或双通道组合型测量；交流分量允许输入的电压范围为4vpk-pk，信号最大值20vacrms，信号频率范围0-20khz；转速信号由交流信号通过计算得
到，检波计算方法，可选为峰峰值测量、过零测量、指定触发点测量；给现场传感器供电，以及bnc输出的输入信号经跟随后输出，供其他设备使用。
[0013]
进一步地，所述模拟量输出ao通道中，cpu与数模转换器之间采取了数据隔离和电源隔离，模拟量输出ao通道有四路独立4-20ma模拟量输出ao，模拟量输出ao对应的上下限、比例、滞后可组态，模拟量输出与模拟量输入ai通道的对应关系可自由组态。
[0014]
作为优选，所述开关量输出do通道中，cpu送出的数字量，经大电流达林顿管驱动密封继电器输出开关量信号，并采取了数据隔离和电源隔离，提供八路电磁继电器输出，八路继电器干触点输出对应于哪一个模拟量输入ai通道，由软件任意组态选定，或进行复杂逻辑组态输出，同时可跨模块执行逻辑组合输出。
[0015]
进一步地，所述网络通讯电路中，rs485与键相&就地组态模块之间通讯，接收组态信息，使用专用协议，主从通讯方式；can1/2互为热备，冗余通讯方式，在模块间传递实时数据，使用专用协议，令牌通讯方式和触发通讯方式并行。
[0016]
本发明同现有技术相比，将tsi仪表的10多种测量参数，能够集成在一个通用的监视器模块上，采用软件设置、测量参数自适应等先进的计算机技术，完成测量参数的整定、报警参数的设置，完成对各种tsi仪表的多参数测量、在线监视保护、记录输出、保护动作输出等多功能，4个独立通道的记录输出、8个独立通道的报警开关量输出，可以跨通道自由组合，保护动作的开关量输出，可以进行跨模块复杂逻辑的组合输出，简化了tsi仪表的复杂结构、减少了备品备件数量、降低了用户使用成本、提高了tsi仪表的安全性和可靠性。此外，本发明将多种测量参数监视和保护功能集合在一个监视器模块内，通道的参数信号类型可以通过软件设置，各种整定参数根据参数类型自动适应，并提供超速保护和模块之间复杂逻辑设计的继电器输出等功能，值得推广应用。
[附图说明]
[0017]
图1为本发明监视器模块系统流程示意图；
[0018]
图2为本发明模拟量输入模块示意图；
[0019]
图3为本发明传感器供电示意图；
[0020]
图4为本发明模拟量输出模块示意图；
[0021]
图5为本发明开关量输出模块示意图；
[0022]
图6为本发明监视器模块软件通讯流程示意图；
[0023]
图中：101、传感器输入端102、信号保护回路103、信号跟随回路104、交直流分离回路105、交流取样回路106、程控放大回路107、ad转换回路一108、数字滤波回路109、振动信号输出110、程控放大回路111、ad转换回路二112、间隙信号输出113、偏置信号输入114、da转换回路115、信号跟随器输出116、db9接口信号输出117、bnc接口输出201、传感器类型202、开关逻辑203、数控电子开关204、电源输出205、二线制信号输入206、传感器输入端子接线方式301、程控放大器302、ad转换器303、数据转换及计算304、实时数据通讯305、输出结果306、组态数据通讯。
[具体实施方式]
[0024]
如附图所示，本发明提供了一种核电站多功能输入监视器模块，包括模拟量输入
(ai)通道、模拟量输出(ao)通道、开关量输出do通道和网络通讯电路。模拟量输入(ai)通道：传感器信号输入送到监视器模块后，经过缓冲电路进行交、直流分离；直流信号经衰减，交流信号经过程控放大器放大后输入到模数ad转换器，在键相信号的同步下做ad转换；数据经中央处理器(cpu) 处理后转换成工程量；传感器信号接入至监视器模拟量输入(ai)通道，根据所接入的传感器类型，通过开关逻辑控制数控电子开关，送给传感器所需要的 +24vdc供电电源、或-24vdc供电电源，或二线制有源信号输入、或二线制无源信号输入；中央处理器(cpu)分别连接模拟量输出(ao)通道、开关量输出do 通道和网络通讯电路；模拟量输出(ao)通道，中央处理器(cpu)送出的数字量，经数模转换器dac数模转换、放大、阻抗匹配、转换成记录输出；开关量输出do通道，中央处理器(cpu)送出的数字量，经继电器输出开关量信号，开关量输出与模拟量输入(ai)通道的对应关系自由组态或跨模块进行复杂逻辑组合输出；网络通讯电路：具有多种网络通讯功能，提供一路rs485接口和两路can总线接口，rs485与键相&就地组态模块之间通讯，接收组态信息；使用专用协议，主从通讯方式；can1/2互为热备，冗余通讯方式，在模块间传递实时数据；使用专用协议，令牌通讯方式和触发通讯方式并行，1000kbps。
[0025]
其中，传感器信号输入送到监视器模块后，经过缓冲电路进行交、直流分离，将交、直流信号通过软件分别进行程控放大，单独处理，并分别转换成需要的工程量。根据所接入的传感器类型，开关逻辑控制数控电子开关，送给传感器所需要的+24vdc供电电源、或-24vdc供电电源、或二线制有源信号输入、或二线制无源信号输入，以满足tsi仪表所使用的各类传感器的供电要求。模拟量输出(ao)通道，有四路独立4-20ma模拟量输出(ao)，ao对应的上下限、比例、滞后可组态，模拟量输出与输入通道的对应关系可以自由组态。设有八路开关量输出do通道，提供八路1ac电磁继电器输出，开关量输出与输入通道的对应关系可以自由组态，也可以跨模块进行复杂逻辑组合输出。
[0026]
本发明所述的通用的监视器模块，将tsi仪表的各类测量参数、各测量参数的多个品种的监视和保护功能集成在一个通用的监视器模块中，采用软件设置、测量参数自适应等先进的计算机技术，完成测量参数的整定、报警设定值的设置，4个通道的记录输出、8个通道的报警输出，可以跨通道自由组合等。该多功能输入监视器模块，具体说明如下：
[0027]
一、模拟量输入(ai)通道：有四路模拟量输入(ai)通道，传感器信号输入送到监视器模块后，经过缓冲电路做交、直流分离；直流信号经放大或衰减，交流信号经过程控放大器放大后输入到模数(ad)转换器，在键相信号的同步下做ad转换；数据经中央处理器(cpu)处理后转换成所需要的标准工程量值。
[0028]
二、传感器信号接入至监视器模拟量输入(ai)通道，根据所接入的传感器类型，开关逻辑控制数控电子开关，送给传感器所需要的供电电源是+24vdc、还是-24vdc，或者二线制信号输入。
[0029]
三、模拟量输出(ao)通道：提供四路独立4-20ma模拟量输出，负载能力 0-750ω，隔离电压＞500v。来自模拟量输入的信号经过工程转换后，以4-20ma 的形式输出，供本系统、第三方设备或其他仪表监测使用。ao对应的上下限、比例、滞后可组态，模拟量输出与输入通道的对应关系可以自由组态。
[0030]
四、开关量输出(do)通道：提供八路1ac电磁继电器输出，干节点，带载能力6a 250vac/30vdc。do作为报警输出，可组态为单通道八档报警或四通道各两档报警。四档报
警：正报警1，即正向第一值报警，又称正向报警功能；正报警2，即正向第二值报警，又称正向跳机或危险报警功能；负向报警1，即负向第一值报警，又称负向报警功能；负报警2，即负向第二值报警，又称负向跳机或危险报警功能。两档报警：报警1，即第一值报警，我们俗称的报警功能，将正报警信号和负报警信号经过“与”门输出；报警2，即第二值报警，我们俗称的跳机或危险报警功能，将正跳机信号和负跳机信号经过“与”门输出，开关量输出与输入通道的对应关系可以自由组态，也可以跨模块进行复杂逻辑组合输出。
[0031]
五、网络通讯：提供一路rs485和两路can总线接口，rs485与键相&就地组态模块之间通讯，接收组态信息；使用专用协议，主从通讯方式。can1/2互为热备，冗余通讯方式，在模块间传递实时数据；使用专用协议，令牌通讯方式和触发通讯方式并行，1000kbps。
[0032]
六、其他特殊信号的处理：
①
键相信号：四路同步键相信号，开关量输入类型，来自于键相&就地组态通讯模块。
②
特殊信号：开关量输入信号，来自总线板。旁路功能(bypass)，当键相&就地组态通讯模块接收到旁路信号时，让一部分组态过的含bypass信号不输出；报警倍增功能(sequence)，当键相&就地组态通讯模块接收到报警倍增信号时，报警值和跳机值乘以组态中定义的常数，使得报警限扩展或缩小，以满足机组启停过程中，冲机组临界转速时的特殊要求；报警复位功能(reset)，当键相&就地组态通讯模块接收到报警复位信号时，配置为报警自锁的报警信号，报警状态被解除。
[0033]
关于模拟量输入通道，可选的是，(1)直流分量，允许输入的电压范围：
ꢀ‑
24vdc～0～+24vd，组态成单通道测量方式时，可监视和保护轴向位移、胀差、汽缸膨胀等测量参数，组态成双通道组合型测量时，可监视和保护补偿式胀差、斜面式胀差等测量参数。(2)交流分量，允许输入的电压范围4vpk-pk，信号最大值20vacrms，信号频率范围0-20khz；可监视和保护振动的速度、位移、加速度等测量参数，并具备积分功能，提供可由用户可选配置的带通滤波器。(3) 转速信号，由交流信号通过计算得到，检波计算方法，可选为峰峰值测量、过零测量、指定触发点测量；在转速范围为1～6000rpm，可监视和保护转速、零转速、反转、峰峰偏心、随动偏心等测量参数。(4)给现场传感器供电：每路通道各有一套供电网络，实现自适应供电，状态回读等功能。(5)bnc输出：输入信号经跟随后输出，供其他设备使用，允许短路，数据分析时需对滞后自行补偿。
[0034]
下面结合具体实施例对本发明作以下进一步说明：
[0035]
本发明提供了一种通用的监视器模块，将tsi仪表的各类测量参数、各测量参数的多个品种的监视和保护功能集成在一个通用的监视器模块中，采用软件设置、测量参数自适应等先进的计算机技术，完成测量参数的整定、报警设定值的设置，通道的记录输出、报警输出，可以跨通道自由组合等。该核电站多功能输入监视器模块中各部分的详细说明如下：
[0036]
如图2所示，模拟信号测量部分(接收的各类传感器信号)，传感器信号从传感器输入端101接入，送入信号保护回路102，信号保护回路102的主要功能是对输入信号进行限流、限压，防止过大的输入电压或电流，对监视器模块造成损坏；对外接输入信号的限压范围为：
±
24v，限流范围为：30ma。信号保护回路102输出端分别连接信号跟随回路103、信号跟随器输出115，信号跟随回路103、信号跟随器输出115主要的作用是阻抗匹配，提高输入阻抗，以减少对所输入的传感器信号影响。其中，信号跟随器103的输出信号，供监视器内部使用，信号跟随器115的输出信号接到db9接口信号输出116，db9接口信号输出116连接bnc
接口输出117，供外接其他系统使用，信号跟随器115的输出增加了限流、限压回路，防止输出端子因错接线，造成大电流、大电压输入至监视器模块。信号跟随器103的输出端，送交直流分离回路104，tsi仪表的传感器信号比较复杂，有交流信号，还有直流信号，其中有些场合交流信号是小信号的，有毫伏级的信号，也有时几十伏的信号；直流信号有正电压信号，也有负电压信号；还有交流信号叠加在直流信号上的，正是因为这些复杂输入信号的原因，传统的tsi仪表将不同测量参数的信号，使用不同的硬件线路进行分别处理，即形成了不同参数的监视器模块，如何解决此问题是本发明的关键点之一。本发明采取的措施是将交直流信号分离，由软件控制分别处理交流和直流信号。经交直流分离回路104后，将信号进行交直流分离后，分成二路，分别进行交流取样和直流取样。交流信号的那路，经过交流取样回路105，由软件程序根据所输入的传感器信号特点，送至程控放大回路106，将信号调整至合适的范围，经ad转换回路107，完成模数转换，将连续的模拟信号转换为数字信号，数字滤波回路108对所采集的输入信号进行数字滤波，消除或减少干扰信号，最后调整为合适的信号，在振动信号输出109送入cpu；直流信号经直流取样、程控放大回路110，ad转换回路111，调整为合适的信号，在间隙信号输出 112送入cpu。cpu根据所接收的交直流信号的大小，自适应地输出一个直流信号，此信号经偏置信号输入113，da转换回路114后，输入到直流信号程控放大器，用以精确控制放大器的放大倍数。
[0037]
如图3所示，传感器供电回路部分，传感器信号接入至传感器类型201，根据所接入的传感器类型，开关逻辑202控制数控电子开关203，使电源输出204 判断送给传感器的供电电源是+24vdc、还是-24vdc，或者二线制信号输入205 送出，作为传感器的供电电源，传感器输入端子接线方式206，详细列出了不同传感器类型所需要的供电要求，分为四种类型，这四种类型已经包含了tsi仪表所有的传感器要求。从传感器输入端子接线方式206中可以看出，端子sgn 接输入信号(对于传感器输出信号)，端子com接信号公共线，端子pow接传感器电源，至于电源的类型完全是由监视器模块内部的开关逻辑控制的，实现了传感器接线端子的统一。
[0038]
如图4所示，模拟量记录输出部分，cpu送出的数字量，经dac数模转换、放大、阻抗匹配、转换成记录输出(电流或电压输出)，并采取了数据隔离和电源隔离，四路模拟量记录输出相互之间不共地，记录输出对应于哪一个输入通道，可以由软件任意组态选定。
[0039]
如图5所示，cpu送出的数字量，经大电流达林顿管驱动密封继电器输出开关量信号，并采取了数据隔离和电源隔离，八路继电器干触点输出对应于哪一个输入通道，可以由软件任意组态选定，可以进行复杂逻辑组态输出，同时也可以跨模块执行逻辑组合输出。
[0040]
如图6所示，传感器输入的模拟信号经程控放大器301进行信号放大，根据通道组态，确定放大器倍率，将各种量程的输入信号规范到a/d转换器的适用范围，把信号规整为
±
10v，ad转换器302将模拟信号进行a/d转换，将规范后的模拟信号转换为原始数字量，数据转换及计算303将原始数字量进行滤波，根据组态内容转换为工程数值，并检查报警状态，将数值存入模块的实时数据库，实时数据通讯304将实时数据库中的内容发送给就地通讯组态模块和其他监视器模块，结果输出305，根据组态内容和实时数据，确定记录输出和开关(继电器)工作状态，组态数据通讯306，根据组态软件的命令，接收组态信息存入监视器模块非易失介质(flash)，或将本地组态发送给组态软件。
[0041]
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理
下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。