CPLD可編程邏輯器件在汽輪機危急跳閘系統（ETS）中的應用與研究①

陳東彪

摘 ? 要：在原有ETS控制系統的基礎上，取消該系統原有的開關量輸入和輸出開模件，用專用的保護回路卡代替，該保護回路卡的核心元件部分是CPLD（多樣可編程邏輯芯片）， 是一種用戶根據各自需要而自行構造邏輯功能的數字集成電路， 可由使用方根據所需生成特定的集成電路結構，完成特定的邏輯控制功能。ETS控制系統中的邏輯功能是直接通過 CPLD判斷完成的，所以延時非常短、反應迅速，且該模件具有DCS及PLC系統SOE卡的功能，能將保護回路卡中的輸入量和輸出量具體動作時間，以毫秒級記錄下來，因此它十分適用于各種需要保護快速、可靠動作的控制系統中。

關鍵詞：CPLD ?汽輪機 ?高可靠性 ?編程便捷

中圖分類號：TN911 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（b）-0062-02

1 ?汽輪機危急跳閘系統（ETS）的問題及現狀

（1）隨著機組發電能力的不斷加大，各種介質參數越來越高，熱力系統構成更為復雜。為了提高發電機組的經濟指標，汽輪機的汽封間隙、軸封間隙都選擇得越小越好。因汽輪機的轉速很高，機組在啟動、停止、運行過程中，如果沒有嚴格完全按照運行規程進行操作控制，則很容易造成汽輪機的葉片損壞、大軸彎曲、推力瓦燒毀等嚴重事故。為了確保發電機組安全可靠，需對汽輪機組的位移、膨脹、轉速、振動、偏心度等重要指標及參數進行嚴密監視和異常保護，當參數達到甚至超過保護動作值時，汽輪機危急跳閘系統（ETS）的跳閘回路動作，關閉主汽門，采取立即停機措施，保證發電機組及人員的安全。

（2）當前ETS系統多采用DCS和PLC，普遍以Intel CPU為核心，配以必需的高性能存儲設備和外置I/O 端口，通過特定程序實現對各種I/O信號的邏輯控制。邏輯在執行過程中，其核心CPU與各外圍設備之間的通信交換、信號采集、控制變量的輸出等運算都是按照特有的順序以由上而下周期重復掃描的方式完成，每個運算周期都要對所邏輯程序能進行查詢、判斷和輸出。在一個掃描運算周期內，CPU對整個邏輯程序只運算一遍。這種運算過程雖然方便，但運算間隔比較長、實時效果差。過長的運算掃描周期和執行時間，直接影響系統對輸入、輸出信號響應的結果。在確保控制運算功能和執行效果的必要條件下，最大限度地減少控制邏輯的運算掃描周期是一個很復雜的問題，一般只能縮短控制程序執行步驟，增加方案頁等方面來采取措施。ETS系統要求整個系統的采集周期時間要小于50ms，這么短的采集和執行周期，就要求每各方案頁的程序非常少，同時采用大量的方案頁，這樣造成DCS和PLC系統的CPU負擔非常重，引起CPU短時間假死和死機的發生，如果這時恰巧汽輪機組發生嚴重問題，需ETS系統的跳閘回路動作，關閉主汽門，實行緊急停機，而這時DPU假死或死機，ETS系統就不會動作，無法跳機，產生不可估量的后果。

2 ?CPLD在ETS系統中應用的優勢

（1）它具有編程簡單靈活、集成度高、程序設計開發周期短、適用范圍廣泛、開發工具智能化、設計制造成本低廉、對開發者的硬件開發經驗要求低、產品標準化無需測試、保密性高、可反復編程并可現場模擬調試驗證等特點，更容易完成各種邏輯算法和組合方式，非常適合應用在類似ETS系統保護中。

（2）CPLD很重要的一個特點是在對輸入輸出信號進行邏輯控制和判斷時，不需要執行指令和程序，不需要執行控制邏輯掃描循環，沒有“指令周期”概念，輸入信號僅通過該芯片內硬件邏輯門陣列的不同邏輯組合來控制輸出信號，系統對輸入信號的響應時間僅取決于門陣列的傳輸延時，從而實現時序可預測。CPLD允許使用高達數百兆赫茲的全局時鐘信號驅動，因此其響應時間僅為數十納秒。避免了常規ETS系統的CPU假死或死機，保護動作迅速，從根本上解決了保護拒動的發生。

3 ?CPLD可編程邏輯器件在ETS系統中的應用原理及方法

（1）在原有ETS控制系統的基礎上，取消該系統的開關量輸入和輸出開模件，用專用的保護回路卡代替，該保護回路卡的核心元件部分是CPLD（多樣可編程邏輯芯片）， 是一種用戶根據各自需要而自行組合邏輯功能的數字集成芯片， 可由用戶根據實際功能需要轉換成特定的電路結構，完成特定的程序功能。ETS控制系統中的邏輯運算判斷是直接通過 CPLD實現的，因此反應時間很短，且該模件具有DCS及PLC系統SOE卡的功能，能將所有輸入量和輸出量的具體動作時間，以毫秒級記錄下來，因此它非常適用于各種需要保護快速、可靠動作的控制系統中。當需要修改ETS跳閘邏輯時，通過連上專用通訊連接電纜，由CPLD芯片生產廠商提供的軟件程序包裝載特定應用程序，把ETS跳閘邏輯燒錄進去（通常是“一取一”“二取二”、“三取二”“四取二”“五取三”），正常運行時，去掉專用通訊連接電纜，選擇看門狗起作用。ETS控制系統本身的DPU只是通過RS485與CPLD通信，把專用的保護回路卡的輸入和輸出狀態及報警傳給DCS或PLC系統。

（2）結構組成和原理框圖

綜上，通過CPLD可編程邏輯器件在汽輪機危急跳閘系統（ETS）中的應用，可實現從根本上解決了由于ETS控制系統的 DPU假死或死機引起保護拒動的發生，極大提高了保護的可靠性，把ETS控制系統的采集動作周期從50ms一下提高到了10ms以下。該項成果可以在任何方式組成的汽輪機危急跳閘系統（ETS）使用，同時也可應用在各種需要快速保護的場合，如高鐵安全保護系統中，具備很好的全行業市場推廣價值。

參考文獻

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