響應更快速的汽輪機閥控卡與轉速卡設計

馬偉東，吳勝華，吳 科

（1.國電南京自動化股份有限公司，南京 210032；2.南京國電南自維美德自動化有限公司，南京 210032）

0 引言

汽輪機是一組大型高速運轉的原動機，是火力發電廠機組的主要設備之一，用汽輪機來拖動發電機從而可使機械能轉化為電能，最終完成發電供電網使用。

現代發電廠機組中汽輪機均采用數字電液控制系統（DEH 系統）進行控制，無論是啟動過程中的轉速控制，還是正常運行中的負荷調節以及主汽壓力控制，最終都是通過對汽輪機的高中壓調節閥門和高壓主汽門的閥位控制來實現的，因此閥門及轉速控制是DEH 的必備功能。

閥門的開度管理及轉速的超速保護相關功能是DEH 系統的重要功能，汽輪機從開始的啟動沖轉到同期再到并網帶負荷，都是通過控制汽輪機的閥門開度及轉速控制來實現的，汽輪機數字電液調節系統中的閥門管理及轉速控制是一個非常重要的環節，它直接關系到機組運行的穩定及效率[1,4]。

1 閥控卡轉速卡設計方案現狀

閥門的開度管理及轉速的超速保護相關功能在DEH 系統內大多由專用功能板卡直接完成，相比于由上位處理單元協同下位多種輸入輸出板卡配合來完成相同功能，具有更快速的響應速度，因此被廣泛應用。

圖1 現有技術中的兩種設計方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of two design schemes in the prior art

閥控卡的主要工作原理是通過采集汽輪機閥門的當前開度與控制系統發出的給定開度構成比較環節，然后通過比例積分運算，最終輸出調節電流控制調節閥門的運動，使閥門的開度到達給定期望到達的位置。

轉速卡接收汽輪機當前轉速信號，同時可接收油開關跳閘和緊急停車干觸點等信號以及上位機指令，諸如汽輪機轉速超限時可發出快速可靠的汽輪機超速報警或動作信號。通過繼電器輸出驅動超速保護電磁閥和危急遮斷電磁閥，實現汽輪機超速限制、保護功能[5,6]。

除主要工作內容外，閥控卡與轉速卡在上層控制單元的配合下同樣需要完成諸如過程濾波、異常處理、線性修正、過程判斷等內容[3]。

閥控卡與轉速卡是否具有快速的輸入信號采集、內部邏輯處理判斷、輸出信號建立速度直接影響到汽輪機閥門開度控制、超速保護的響應快慢，從而直接影響到整個機組的安全性、經濟性。

如圖1 所示，目前，各汽輪機制造廠商多配備有其專用的閥控卡與轉速卡，同時，諸多數字電液調節DEH 控制系統廠家也設計有專用閥控卡與轉速卡。但其控制板卡內部大多執行固定的基礎控制邏輯，部分廠家的閥控卡與轉速卡還可執行必要的附加復雜邏輯，但上述基礎控制邏輯及附加復雜邏輯在板卡出廠后即已固定，電廠操作人員無法根據復雜的現場需求靈活調整基礎控制邏輯及附加邏輯，這些附加復雜邏輯往往不得不在上位控制單元側加以實現，控制單元與閥控卡間的數據通訊交互對整體控制邏輯的響應速度帶來了一定的延遲，如必須在控制板卡側完成邏輯調整，則板卡需要返廠進行升級來實現[2]，往往可操作性非常差，從另一個方面無法完成快速響應。

同時，基于所采用內部設計回路的不同，各廠家的閥控卡與轉速卡目前控制周期均停留在十幾毫秒至幾十毫秒。

2 響應更快速的閥控卡與轉速卡設計

不同于現有技術中的閥控卡與轉速卡設計，本方案設計的閥控卡與轉速卡具有兩處增益：

1） 設計有響應更快速的整體控制邏輯執行軟硬件。

2） 實現板卡側控制邏輯的直接重新配置，無需上位控制單元參與邏輯運算，減少因上下位通訊所產生的控制延遲。

圖2 響應更快速的閥控卡轉速卡設計方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of design scheme of speed card of valve control card with faster response

如圖2 所示設計示意圖為例，展示本設計的具體方案?？刂瓢蹇ㄊ褂矛F場可編程門陣列FPGA 作為內部處理器，設計中可采用50MHz 時鐘頻率進行驅動，FPGA 內部集成自身嵌入式軟核，用于完成控制邏輯固件的接收處理、控制邏輯的譯碼執行、輸入通道的采集、輸出通道的控制等功能。FPGA 使用納秒級的速度通過自身IO 管腳來時時更新開關量輸入狀態及驅動開關量輸出。模擬量輸入信號采用當前業界內高速模數轉換器進行采集，其轉換頻率高于250K，轉換時間小于5μs，其采集數據通過高速SPI 專用總線發送至FPGA 內部軟核進行邏輯運算。模擬量輸出信號采用當前業界高速數模轉換器完成，其輸出信號建立時間用時約20μs。高速處理器及輸入輸出硬件通道保證了從輸入信號采集、經過內部邏輯運算、最終完成輸出信號驅動，根據內部邏輯的復雜程度，整體時間只需2ms ～5ms。可保證本方案內閥控卡與轉速卡對更快速邏輯響應的需求。如選用性能更高的內部器件，理論上該控制速度仍可進一步提高。

同時，閥控卡與轉速卡板卡本身對外設計有內部控制邏輯更新接口，在板卡無需掉電、不影響板卡當前工作狀況的情況下，可響應于外部輸入的重編譯的控制邏輯數據。板卡對新獲取到的控制邏輯數據進行譯碼，得到相應的可執行控制邏輯數據；根據外部指令設定選擇運行更新后的控制邏輯數據，將其更新為當前控制邏輯；該控制邏輯更新工作不需要占用上位單元與板卡間的內部通訊通道，由板卡自身所屬的專有接口完成。這里，需要諸如外部編譯機等設備可編寫新的控制邏輯代碼，并編譯成板卡可識別的基于統一編碼譯碼規則而生成的執行文件，該執行文件將通過板卡設計的專用接口完成在線更新，具體編碼譯碼規則可采用現有技術、可自定義編碼規則。

3 結論

與目前各廠家所設計的閥控卡與轉速卡不同，基于本方案設計的專用閥控卡及轉速卡可在2ms ～5ms 內完成內部控制邏輯的執行，具有更快速的響應速度。同時，板卡側直接可在線更新的內部控制邏輯屏蔽了上位控制單元對控制邏輯的參與，減少上下位間內部通訊產生的控制周期延遲。使用該方案設計的閥控卡與轉速卡對機組運行的穩定及效率有有效增益，設計的閥控卡與轉速卡板卡已進行工程實踐應用，具有較高的實用性和市場價值。