汽輪機監(jiān)測保護系統(tǒng)的設(shè)計

汽輪機監(jiān)測保護系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：隨著我國電力工業(yè)科技進步和電力體制改革的變化，發(fā)電企業(yè)對汽輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)提出了新的要求;現(xiàn)行的設(shè)備檢修體制已阻礙了電力生產(chǎn)企業(yè)效益的進一步提高，采用先進的檢修體制已勢在必行。提出了一套完整的汽輪發(fā)電機組的在線保護方法（TSI）系統(tǒng)，進行了軟硬件設(shè)計。

關(guān)鍵詞：汽輪機；監(jiān)測；保護系統(tǒng)

1汽輪機監(jiān)測保護系統(tǒng)概述

汽輪機熱工監(jiān)視和保護系統(tǒng)以及由其所組成的信號報警系統(tǒng)和保護控制系統(tǒng)，是保護汽輪機安全運行的重要設(shè)備。隨著機組容量的增大，汽輪機安全監(jiān)視和保護就顯得更加重要，同時對汽輪機的安全監(jiān)視和保護裝置動作的準確性和可靠性也提出了更高的要求。原有及早期設(shè)計的保護系統(tǒng)大多為繼電器及硬件邏輯搭接的，可靠性較差，維護量較大。汽輪機振動及監(jiān)控保護系統(tǒng)是為了監(jiān)視汽輪機在運行過程中主軸和軸承的振動狀況及大軸彎曲而設(shè)計的，它由振動監(jiān)視組件，速度監(jiān)視組件和偏心監(jiān)視組件三部分組成，每個部分可由用戶的需要提供若干組件，以完成用戶需要監(jiān)視的測點。其中監(jiān)視振動組件和偏心監(jiān)視組件配渦流傳感器，用來監(jiān)視主軸的振動狀況，渦流傳感器的輸出信號大小為－4—-20V，它是一個含有直流分量的交流信號，速度監(jiān)視組件配電磁式傳感器，用來監(jiān)視軸瓦的振動情況。

2汽輪機監(jiān)測保護系統(tǒng)監(jiān)視組件

振動監(jiān)視組件是以單片機為核心研制的，為了對輸入信號進行有效的處理，要求所選用的CPU速度快，集成度高，指令系統(tǒng)簡單，根據(jù)目前世界上在線控制發(fā)展的趨勢和市場上提供的產(chǎn)品，監(jiān)視組件選用8098單片機。8098單片機為準16位單片機，外接芯片簡單，具有16位處理速度，典型指令的執(zhí)行時間為2μs，它的主要特性：十六位中央處理器；具有高效的指令系統(tǒng)；集成了采樣保持器和四路十位A/D轉(zhuǎn)換器；具有高速輸入口HSI，高速輸出口HSO和脈寬調(diào)制輸出PWM；具有監(jiān)視定時器，可以在產(chǎn)生軟硬件故障時，使系統(tǒng)復(fù)位，恢復(fù)CPU工作。監(jiān)視保護系統(tǒng)的設(shè)計方法和步驟分為：系統(tǒng)總體設(shè)計，硬件設(shè)計，軟件設(shè)計。它是指根據(jù)測量系統(tǒng)的功能要求和技術(shù)特性，反復(fù)進行系統(tǒng)構(gòu)思，綜合考慮硬件和軟件的特點，原則：能用軟件實現(xiàn)的就不用硬件，但值得一提的是軟件會占用CPU的時間。為了縮短研制周期，盡可能利用熟悉的機型或利用現(xiàn)有的資料進行改進和移值，并采用可利用的軟硬件資源，然后根據(jù)系統(tǒng)的要求增加所需要的功能，在完全滿足系統(tǒng)功能的同時，為提高系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性，還必須充分考慮到系統(tǒng)的抗干擾能力。

3汽輪機監(jiān)測保護系統(tǒng)的硬件設(shè)計

主要是指單片機的選擇和功能擴展，傳感器的選擇，I/O口的選擇，通道的配置，人機對話設(shè)備的配置。振動監(jiān)視組件由三個相互聯(lián)系的部分組成，分別是顯示板模塊，主板模塊，繼電器板模塊。矢量監(jiān)視組件原理圖如下：

模擬通道設(shè)計：

8098內(nèi)有一個脈沖寬度調(diào)置器PWM可用來完成數(shù)字信號至模擬信號的轉(zhuǎn)換。我們將PWM用于產(chǎn)生鍵相輸入比較電路的界限電壓。同時8098單片機的HSO也可以軟件編程構(gòu)成脈沖調(diào)寬輸出，我們利用HSO.0、HSO.1構(gòu)成兩路脈沖調(diào)寬輸出,用于通頻振幅及1信頻振幅模擬量輸出.脈沖調(diào)寬輸出信號TTL電平的調(diào)制脈沖,經(jīng)CD4053緩沖電平變換.使信號振幅變?yōu)?－5V，再經(jīng)過RC濾波，得到直流電壓信號，再經(jīng)過一級同相跟隨，實現(xiàn)阻抗變換，得到要求的0－2.5V或1－5V的直流電壓信號輸出，其輸出阻抗R0=0.電壓信號經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換，便可得到0－10mA或4－20mA電流輸出。顯示接口：

顯示接口采用8279芯片，可直接與8098單片機相連，其工作方式可通過編程設(shè)定。接口電路采用了通用的可編程鍵盤，顯示器接口器件8279，它是鍵盤顯示控件的專用器件，與單片機接口簡單方便，其工作方式可通過編程設(shè)置。8279的監(jiān)測輸入線RL0－RL7工作再選通輸入方式，可輸入8個撥動開關(guān)信號，以選擇該系統(tǒng)的工作方式。

I/O通道擴展：

8098單片機本身只有32根I/O線，其中16根作為系統(tǒng)地址、數(shù)據(jù)總線，8根HIS/HSO線，4根模擬量輸入線，還有4根多功能線，可用作TXD、RXD以及外中斷輸入、脈寬調(diào)制輸出，這些I/O口各有用途，監(jiān)視組件為了進行參數(shù)設(shè)定及響應(yīng)系統(tǒng)監(jiān)視組件信號，必須進行I/O功能擴展。當單片機提供的I/O接口不夠用時，需要擴展I/O接口以實現(xiàn)TSI功能。8098有四個端口即p0、p2、p3、p4，共32根I/O線，監(jiān)視保護系統(tǒng)設(shè)計時，p0一部分作為模擬量輸入線；p2一部分作為串行口，另有一部分作為脈沖寬度調(diào)制輸出；p3作為數(shù)據(jù)總線和地址總線低八位復(fù)用；p4的一部分提供地址總線的高八位。I/O通道擴展電路：一種以8155作為外圍接口，另一種以8255作為外圍接口。外圍接口主要有8155，8255，8279，EPROM選用的是2764，掉電保護用的是EPROM2864。8155和8255是作為普通的輸入和輸出口使用的，它們主要用于設(shè)定開關(guān)狀態(tài)的輸入及報警狀態(tài)的輸出。8279是顯示接口，用來控制顯示器的顯示，監(jiān)控保護系統(tǒng)顯示部分采用的是由128根發(fā)光二極管組成的兩根光柱，每根光柱對應(yīng)一根通道。8279的回掃線RL0－RL7用作選通輸入方式。

4汽輪機監(jiān)測保護系統(tǒng)的軟件設(shè)計

主要是應(yīng)用軟件的設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計。在設(shè)計應(yīng)用軟件時，必須考慮到單片機的指令系統(tǒng)和軟件功能，并與硬件統(tǒng)籌考慮。單片機的系統(tǒng)開發(fā)，其軟件設(shè)計不可能相對于硬件而獨立，其軟件總要與硬件結(jié)合在一起，實現(xiàn)要求的功能。當應(yīng)用系統(tǒng)總體方案一經(jīng)審定，硬件系統(tǒng)設(shè)定基本定型，大量的工作將是軟件系統(tǒng)的程序設(shè)計與調(diào)試。振動監(jiān)視組件軟件的設(shè)計采用模塊編程法，模塊法的優(yōu)點是把一個較為復(fù)雜的程序化為編制和裝配幾個比較簡單的程序，使程序設(shè)計容易實現(xiàn)。由于塊與塊之間具有一定的獨立性，如果其程序模塊需要修改或變動時，將只影響模塊內(nèi)部程序，而對其它程序模塊的影響很小，或基本沒影響就很方便，它主要由下面幾個部分組成：標準的自檢程序模塊；采樣以及通道計算程序模塊；設(shè)定值調(diào)整程序模塊，報警程序模塊。

自檢程序模塊：該模塊檢查系統(tǒng)的電源電壓是否正常，系統(tǒng)將以故障碼的形式提示用戶：系統(tǒng)電源出現(xiàn)故障，并指出哪一路電源處于故障狀態(tài)。系統(tǒng)得自檢功能由上電自檢，循環(huán)自檢和用戶請求自檢三部分組成。在自檢過程中，系統(tǒng)解除所有形式的保護。如果自檢過程中發(fā)現(xiàn)故障，那么監(jiān)視保護系統(tǒng)一直處于自檢狀態(tài)，直至用戶排除了故障為止。

采樣及通道值計算程序模塊：本程序模塊首先對監(jiān)視保護系統(tǒng)處于的狀態(tài)進行判斷，這些狀態(tài)是指監(jiān)視保護系統(tǒng)是否處于通道旁路和危險旁路，如果監(jiān)視保護系統(tǒng)某一通道處于旁路狀態(tài)，那么解除繼電器報警，系統(tǒng)正常燈熄，旁路燈亮，同時通道指示值為0。如果監(jiān)視保護系統(tǒng)某一通道沒有被旁路，則啟動該通道的A/D轉(zhuǎn)換，隨后將采集的數(shù)字信號進行濾波，計算得到通道值。模擬量輸出通道輸出代表該通道值的標準電流值0－10mA.DC或4－20mA.DC。

設(shè)定值調(diào)整程序模塊：設(shè)定值包括警告設(shè)定值和危險設(shè)定值兩個，它存放在EPROM2864中，即使斷電，存放在其中的值也不會丟失，顯示面板上的“警告”或“危險”鍵按下，棒狀光柱上將顯示警告或危險設(shè)定值，如果要對設(shè)定值進行調(diào)整，還需要按下主線路板上的設(shè)定開關(guān)，再按下面板上的“警告”或“危險”鍵，最好按下系統(tǒng)監(jiān)視面板上的“?”或“?”，即可對設(shè)定值調(diào)整。在軟件中，當設(shè)置點調(diào)整后，AF標志置零，程序根據(jù)AF標志判斷是否需要將條調(diào)整值重新寫入2864。

報警程序模塊：如果兩通道的測量值之差即差值超過警告或危險設(shè)定值，那么監(jiān)視保護系統(tǒng)將處于警告或危險狀態(tài)，這時顯示面板上的警告或危險報警燈亮，同時將驅(qū)動警告或危險繼電器，如果處于危險旁路狀態(tài)，那么僅僅是兩個通道的危險燈亮而危險繼電器則不動作。如果監(jiān)視組件處于通電抑制狀態(tài)，那么將解除所有形式的報警。

顯示程序模塊：顯示程序模塊執(zhí)行顯示雙通道的測量值、報警值以及四種故障代碼。在8098內(nèi)部RAM中，開設(shè)一個具有16個寄存器單元緩沖區(qū)，如80H-8FH。將緩沖區(qū)對半分成兩部分，每一部分的寄存單元寄存一個通道的顯示代碼。將顯示代碼送到8279的顯示緩沖區(qū)，8279可以自動掃描顯示。

中斷程序模塊：T1的溢出周期作為輸出脈沖信號的寬度，改變HSO高低電平的觸發(fā)時間就可以改變方波的占空比，從而改變輸出電流大小。

“大型汽輪發(fā)電機組性能監(jiān)測分析與故障診斷軟件系統(tǒng)”在仿真機上運行，能對仿真機運行工況進行監(jiān)視，也能通過實時數(shù)據(jù)庫與實際機組的計算機聯(lián)網(wǎng)，對實際運行機組工作狀況進行監(jiān)測和分析等。

參考文獻

［1］周桐，徐健學(xué).汽輪機轉(zhuǎn)子裂紋的時頻域診斷研究［J］.動力工程，2002，（9）.

［2］劉峻華，黃樹紅，陸繼東．汽輪機故障診斷技術(shù)的發(fā)展與展望