專利名稱：一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及汽輪機保安系統領域，尤指汽輪機保安系統中的測速及超速保護組 件， 一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板。
背景技術：
汽輪機超速事故是汽輪發電機組設備破壞性最大的事故，超速事故的發生往往會產 生毀滅性的后果，為此所有的汽輪機均設置了超速保護裝置，在經歷了傳統機械式危急 遮斷裝置、機械式危急遮斷裝置與采用DEH高壓抗燃油技術的電氣超速保護裝置并存 以及完全采用電氣超速保護三個階段后，目前的汽輪機超速保護系統基本都采用電氣與 機械超速保護并存。在電氣超速保護裝置中，汽輪機超速保護模板就是控制的核心部件。 目前常見的汽輪機超速保護模板功能均比較單一，且有的模板在低速測量時并不準 確，而低轉速測量性能是衡量其性能的重要指標之一，同時由于目前市面上的汽輪機超 速保護模板多是國外進口產品，價格昂貴，售后維修困難。
實用新型內容
本實用新型的目的是在保證和同類汽輪機超速保護模板相比，可以可靠實現防止汽 輪機發生超速事故的前提下提高模板的性能指標，增強功能、提高集成度同時降低成本。 本實用新型的技術方案如下
一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，包括信號處理系統和電 源子系統，其特征在于所述信號處理系統包括速度信號調理模塊、電流信號調理模塊、 ADC模塊、DAC模塊、MCU模塊、CPLD模塊、繼電器控制模塊、數碼顯示模塊；所述速 度信號調理模塊中設置有磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號采集處理電路，并 與ADC模塊連接；所述DAC模塊、繼電器控制模塊與用于控制ADC模塊采樣頻率的CPLD 模塊連接；所述CPLD模塊與MCU模塊通過SPI連接；所述數碼顯示模塊與MCU模塊通 過UART相連。
所述ADC模塊是模數轉換模塊，DAC模塊是數模轉換模塊，MCU模塊是單片機,CPLD 模塊是編程邏輯控制模塊，SPI就i全雙工同步通信接口， UART就是異步串行通信接口。 所述MCU模塊包括傳輸信號的MCU硬件模塊和處理信號的MCU軟件模塊。 所述速度信號調理模塊包括頻率信號整波電路、精密放大電路、鎖相環電路，所述
鎖相環電路和磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號采集處理電路連接。 所述電流信號調理模塊由采用隔離放大處理的四個模塊組成。 所述繼電器控制模塊包括四個繼電器。
所述MCU硬件模塊包括用于MCU軟件模塊計算時擴展數據空間的電可擦除可編程只 讀存儲器EEROM電路和用于靜態保存必需工作參數的非易失性鐵電存儲器FRAM電路。 由MCU軟件模塊對MCU硬件模塊經CPLD模塊采集到的速度信號和電流信號進行計算并 判斷速度是否超限、加速度是否超限、功率、負荷的平衡情況，再控制DAC模塊輸出和 繼電器控制模塊的繼電器動作。
所述磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器為跳線選擇配置。速度信號調理模塊中 同時配置的磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號采集處理電路，將采集到的速度 信號經整波、放大處理后同時送入ADC模塊和鎖相環電路，經電流信號調理模塊調理過 的電流信號直接送入ADC模塊，再把經ADC模塊和鎖相環電路處理后的信號送入CPLD 模塊。
所述模板為兩路24VDC電源供電，所述電源子系統由兩個直流變直流(不同直流電 源值的轉換)的DC-DC總電源變換模塊和六個隔離DC-DC電源模塊組成。 本發明的有益效果如下
本實用新型整個模板采用的是模塊化設計，提高了模板的集成度及抗干擾性，能可 靠實現防止汽輪機發生超速事故的前提下提高模板的性能指標，增強功能、提高集成度， 同時還可降低生產成本；保證了外接不同種類速度傳感器的需求，提高了模板的信號處 理能力；模板采用兩路24VDC電源供電，任意一路電源故障，不影響模板正常工作，電 源子系統由兩個DC-DC總電源變換模塊和六個隔離DC-DC電源模塊組成，保證了電流信 號調理模塊、DAC模塊、繼電器控制模塊與模板模擬、數字通道之間的工作獨立性，提 高了模板的工作安全性。
圖1為本實用新型汽輪機超速保護模板的結構框圖 圖2為本實用新型汽輪機超速保護模板的硬件結構圖 圖3為本實用新型渦流速度傳感器信號處理具體電路圖 圖4為本實用新型轉速信號整波放大處理具體電路圖 圖5為本實用新型鎖相環分頻鎖相處理具體電路圖 圖6為本實用新型電流信號采集隔離處理具體電路圖
圖7為本實用新型AD轉換處理具體電路圖
圖8為本實用新型MUC、 CPLD、擴展EEROM及擴展SRAM連接具體電路圖
圖9為本實用新型DA轉換處理具體電路圖
圖10為本實用新型繼電器驅動具體電路圖
圖11為本實用新型液晶顯示及報警指示具體電路圖
圖12為本實用新型軟件濾波算法原理圖
具體實施方式
實施例l
如圖1所示， 一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，采用模塊 化設計，提高了模板的集成度及抗干擾性等，本模板包括信號處理系統和電源子系統10， 所述信號處理系統包括速度信號調理模塊l、電流信號調理模塊2、 ADC模塊3、 DAC模 塊4、 MCU模塊、CPLD模塊5、繼電器拷制模塊6、數碼顯示模塊7;為了實現模板對不 同類型速度傳感器的適應性，提高其信號處理能力，所述速度信號調理模塊l中設置有 磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號采集處理電路，并與ADC模塊3連接；所述 DAC模塊4、繼電器控制模塊6與用于控制ADC模塊3采樣頻率的CPLD模塊5連接；所 述CPLD模塊5與MCU模塊通過SPI連接；所述數碼顯示模塊7與MCU模塊通過UART相 連。
所述MCU模塊包括傳輸信號的MCU硬件模塊8和處理信號的MCU軟件模塊9。 所述速度信號調理模塊1包括頻率信號整波電路11、精密放大電路12、鎖相環電 路13，所述鎖相環電路13和磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號采集處理電路連接。
所述電流信號調理模塊2由采用隔離放大處理的四個模塊組成。 所述繼電器控制模塊6包括四個繼電器。
所述MCU硬件模塊8包括用于MCU軟件模塊9計算時擴展數據空間的電可擦除可編 程只讀存儲器EER0M電路和用于靜態保存必需工作參數的非易失性鐵電存儲器FRAM電 路。由MCU軟件模塊9對MCU硬件模塊8經CPLD模塊5采集到的速度信號和電流信號 進行計算并判斷速度是否超限、加速度是否超限、功率、負荷的平衡情況，再控制DAC 模塊4輸出和繼電器控制模塊6的繼電器動作。
所述磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器為跳線選擇配置。速度信號調理模塊1 中同時配置的磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號采集處理電路，將采集到的速
度信號經整波、放大處理后同時送入ADC模塊3和鎖相環電路13，經電流信號調理模塊 2調理過的電流信號直接送入ADC模塊3，再把經ADC模塊3和鎖相環電路13處理后的
信號送入CPLD模塊5。
所述模板采用兩路24VDC電源供電，任意一路電源故障，不影響模板正常工作，電 源子系統10是由兩個DC-DC總電源變換模塊和六個隔離DC-DC電源模塊以及幾組電源 變換電路組成，保證了電流信號調理模塊、DAC模塊、繼電器控制模塊與模板模擬、 數字通道之間的工作獨立性，提高了模板的工作安全性。 實施例2
一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，為實現新增判斷功率、 負荷不平衡的功能，模板配置了四路電流信號接收、調理電路用于接收傳輸過來的分別 表示三路中排壓力、 一路電功率的4-20mA電流信號，且每路處理電路均采用隔離處理， 保證了其工作的獨立性，提高了可靠性，采集到的電流信號經ADC模塊3模數轉換后送 入MCU軟件模塊9進行計算作出判斷。
為提高模板的整體處理能力及響應速度，模板釆用了高性能快速的16位單片機和 高性能的可編程邏輯陣列CPLD模塊5構成控制核心，該控制核心訪問速度極快，同時 通過CPLD模塊5豐富的I/O 口，可簡化模板電路，提高模板的集成度，從而增強模板 可靠性。
為達到甚至超過同類模板測速上的性能，模板采用專用16位A/D芯片配MCU內部 高速工作單元對轉速傳感器信號進行采樣及處理，同時在MCU軟件模塊9內采用了獨特 的軟件濾波算法，有效的提高了轉速的測量范圍及精度，可實現1-5500轉的準確測量。
同時該模板配備了 DAC模塊4電路，可實現對應轉速的4-20mA電流信號輸出，以 供其他組件對轉速的獲取。
模板配置的繼電器控制模塊6共含四路繼電器輸出電路，外接線輸出均采用繼電器 千節點輸出模式，保證在不同類型報警情況出現時給出不同的報警控制信號。
為了提高模板的的使用便利性及狀態可視性，模板配置了數碼顯示模塊7，該模塊 采用高速的8位PIC單片機作為控制核心與模板MCU通過串行通信進行數據交換，可實 時、穩定的顯示轉速(單位轉/分，rpm)以及指示響應的報警燈。
模板采用兩路24VDC電源供電，任意一路電源故障，不影響模板正常工作，電源子 系統10是由兩個DC-DC總電源變換模塊和六個隔離DC-DC電源模塊以及幾組電源變換 電路組成，保證了電流信號調理模塊l、 DAC模塊4、繼電器控制模塊6與模板模擬、數
字通道之間的工作獨立性，提高了模板的工作安全性。 實施例3
如圖2所示，本實用新型采用一套電路板，在該電路板上集成有隔離放大調理電路 (即電流信號調理電路)2、精密放大電路ll、整波電路12、鎖相環電路13、 ADC模數 轉換電路3、 CPLD電路5、 MCU電路、DAC數模轉換電路4、繼電器控制電路6、存儲器 擴展電路、PIC單片機及液晶顯示電路(即數碼顯示模塊7)。
渦流傳感器信號在接入模板后需要先進行整波處理，調理出可供其他電路處理的穩 定波形，具體電路圖如圖3所示。
模板通過跳線J10選擇是處理渦流傳感器信號還是處理磁阻傳感器信號，然后對信 號經儀表放大器AD620放大處理，再對放大過的信號由運放OP07及雙運放0PA2364進 行信號的平移處理，因為AD的比較電壓為2.5V，為了配合模數轉換芯片AD73360采集 需求，所以需要把采集到的信號平移到2.5V左右，同時經AD620放大處理的信號再由 雙運放0PA2364、電壓比較器LM311、緩沖器2G34、光藕TLP115A組成的電路進行濾波、 整形、平移處理，然后輸出給鎖相環電路，如圖4所示。
鎖相環電路是把經模擬電路處理后的信號整形及對信號進行8分頻后再傳輸給 CPU，在保證信號質量的同時，大的分頻數可以降低CPU的負荷，具體電路圖如圖5所 示。
對于輸入到模板上的四路4-20mA電流信號均需要進行隔離放大處理，然后再輸入 到AD芯片，具體電路圖如圖6所示。
AD芯片對經處理過的信號進行模數轉換，再通過CPLD (EPM7128STC100-10)以SPI 總線方式傳輸給CPU處理，如圖7所示。
MCU采用的是Infineon公司先進的高檔16位單片機XC16化S，同時擴展了一片 EER(M (CYZC1021)和一片FRAM (FM26640), MCU與CPLD之間通過SPI總線進行數據交 換，如圖8。
對應轉速值的4-20mA電流信號，由MCU經CPLD控制16位DA芯片(AD420)輸出， 具體電路如圖9所示。
繼電器報警信號，由MCU經CPLD控制相應的驅動電路驅動繼電器動作，如圖10所示。
通過TXD、 RXD串口把相應的轉速值及報警信息傳輸給由PIC芯片(PIC18F2520) 及狀態指示燈等組成的顯示電路，電路如圖ll所示。
對于轉速的計算采用了 IIR型數字濾波器的原理進行軟件濾波處理，原理如下
2個式所示<formula>formula see original document page 8</formula>
其中<formula>formula see original document page 8</formula> 對于每一個二階基本節，可以轉置直接
II型結構加以實現，原理圖如圖12所示，所表示為差分方程的形式如下
<formula>formula see original document page 8</formula> 本發明多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板與傳統汽輪機超速保護模
板相比區別在于在保證能可靠實現汽輪機超速保護功能的前提下，提高了轉速的測量 精度，同時實現了適用不同種類速度傳感器的需求，并且增加了功率、負荷不平衡判斷 功能及增加了數碼顯示功能，以及提供了穩定的干接點報警保護信號輸出。
權利要求1、一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，包括信號處理系統和電源子系統(10)，其特征在于所述信號處理系統包括信號處理系統包括速度信號調理模塊(1)、電流信號調理模塊(2)、ADC模塊(3)、DAC模塊(4)、MCU模塊、CPLD模塊(5)、繼電器控制模塊(6)、數碼顯示模塊(7)；所述速度信號調理模塊(1)中設置有磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號采集處理電路，并與ADC模塊(3)連接；所述DAC模塊(4)、繼電器控制模塊(6)與用于控制ADC模塊(3)采樣頻率的CPLD模塊(5)連接；所述CPLD模塊(5)與MCU模塊通過SPI連接；所述數碼顯示模塊(7)與MCU模塊通過UART相連。
2、 根據權利要求1所述的一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模 板，其特征在于包括所述MCU模塊包括傳輸信號的MCU硬件模塊(8)和處理信號的 MCU軟件模塊(9)。
3、 根據權利要求1所述的一種多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板， 其特征在于所述速度信號調理模塊(1)包括頻率信號整波電路(11)、精密放大電路(12)、鎖相環電路(13)，所述鎖相環電路(13)和磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳 感器信號采集處理電路連接。
4、 根據權利要求1所述的一種多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板， 其特征在于所述電流信號調理模塊(2)由采用隔離放大處理的四個模塊組成。
5、 根據權利要求1所述的一種多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板， 其特征在于所述繼電器控制模塊(6)包括四個繼電器。
6、 根據權利要求2所述的一種多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板， 其特征在于所述MCU硬件模塊(8)包括用于MCU軟件模塊(9)計算時擴展數據空間 的電可擦除可編程只讀存儲器EEROM電路和用于靜態保存必需工作參數的非易失性鐵電 存儲器FRAM電路。
7、 根據權利要求1所述的一種多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板， 其特征在于所述磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器為跳線選擇配置。
8、 根據權利要求1所述的一種多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板， 其特征在于所述模板為兩路24VDC電源供電，所述電源子系統(10)是由兩個直流 變直的DC-DC總電源變換模塊和六個隔離DC-DC電源模塊組成。
專利摘要本實用新型公開了一種新型多功能可精確測量低轉速的汽輪機超速保護模板，包括信號處理系統和電源子系統，其特征在于所述信號處理系統包括速度信號調理模塊、電流信號調理模塊、ADC模塊、DAC模塊、MCU模塊、CPLD模塊、繼電器控制模塊、數碼顯示模塊；速度信號調理模塊設有磁阻式速度傳感器和電渦流速度傳感器信號采集處理電路，與ADC模塊和鎖相環電路連接；DAC模塊、繼電器控制模塊與CPLD模塊連接；CPLD模塊與MCU模塊通過SPI全雙工同步通信接口連接；數碼顯示模塊與MCU模塊通過UART異步串行通信接口相連，并且通過通信接口與數碼顯示模塊連接；本模板采用模塊化設計，提高了模板集成度、抗干擾性和模板的性能指標，增強功能、提高集成度，同時降低生產成本。
文檔編號F01D21/02GK201057059SQ200720080099
公開日2008年5月7日 申請日期2007年6月27日 優先權日2007年6月27日
發明者曾光明, 滔 游, 閔澤生 申請人:四川東方電氣自動控制工程有限公司