专利名称：一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及汽轮机保安系统领域，尤指汽轮机保安系统中的测速及超速保护组 件， 一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板。
背景技术：
汽轮机超速事故是汽轮发电机组设备破坏性最大的事故，超速事故的发生往往会产 生毁灭性的后果，为此所有的汽轮机均设置了超速保护装置，在经历了传统机械式危急 遮断装置、机械式危急遮断装置与采用DEH高压抗燃油技术的电气超速保护装置并存 以及完全采用电气超速保护三个阶段后，目前的汽轮机超速保护系统基本都采用电气与 机械超速保护并存。在电气超速保护装置中，汽轮机超速保护模板就是控制的核心部件。 目前常见的汽轮机超速保护模板功能均比较单一，且有的模板在低速测量时并不准 确，而低转速测量性能是衡量其性能的重要指标之一，同时由于目前市面上的汽轮机超 速保护模板多是国外进口产品，价格昂贵，售后维修困难。
实用新型内容
本实用新型的目的是在保证和同类汽轮机超速保护模板相比，可以可靠实现防止汽 轮机发生超速事故的前提下提高模板的性能指标，增强功能、提高集成度同时降低成本。 本实用新型的技术方案如下
一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，包括信号处理系统和电 源子系统，其特征在于所述信号处理系统包括速度信号调理模块、电流信号调理模块、 ADC模块、DAC模块、MCU模块、CPLD模块、继电器控制模块、数码显示模块；所述速 度信号调理模块中设置有磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器信号采集处理电路，并 与ADC模块连接；所述DAC模块、继电器控制模块与用于控制ADC模块采样频率的CPLD 模块连接；所述CPLD模块与MCU模块通过SPI连接；所述数码显示模块与MCU模块通 过UART相连。
所述ADC模块是模数转换模块，DAC模块是数模转换模块，MCU模块是单片机,CPLD 模块是编程逻辑控制模块，SPI就i全双工同步通信接口， UART就是异步串行通信接口。 所述MCU模块包括传输信号的MCU硬件模块和处理信号的MCU软件模块。 所述速度信号调理模块包括频率信号整波电路、精密放大电路、锁相环电路，所述
锁相环电路和磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器信号采集处理电路连接。 所述电流信号调理模块由采用隔离放大处理的四个模块组成。 所述继电器控制模块包括四个继电器。
所述MCU硬件模块包括用于MCU软件模块计算时扩展数据空间的电可擦除可编程只 读存储器EEROM电路和用于静态保存必需工作参数的非易失性铁电存储器FRAM电路。 由MCU软件模块对MCU硬件模块经CPLD模块采集到的速度信号和电流信号进行计算并 判断速度是否超限、加速度是否超限、功率、负荷的平衡情况，再控制DAC模块输出和 继电器控制模块的继电器动作。
所述磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器为跳线选择配置。速度信号调理模块中 同时配置的磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器信号采集处理电路，将采集到的速度 信号经整波、放大处理后同时送入ADC模块和锁相环电路，经电流信号调理模块调理过 的电流信号直接送入ADC模块，再把经ADC模块和锁相环电路处理后的信号送入CPLD 模块。
所述模板为两路24VDC电源供电，所述电源子系统由两个直流变直流(不同直流电 源值的转换)的DC-DC总电源变换模块和六个隔离DC-DC电源模块组成。 本发明的有益效果如下
本实用新型整个模板采用的是模块化设计，提高了模板的集成度及抗干扰性，能可 靠实现防止汽轮机发生超速事故的前提下提高模板的性能指标，增强功能、提高集成度， 同时还可降低生产成本；保证了外接不同种类速度传感器的需求，提高了模板的信号处 理能力；模板采用两路24VDC电源供电，任意一路电源故障，不影响模板正常工作，电 源子系统由两个DC-DC总电源变换模块和六个隔离DC-DC电源模块组成，保证了电流信 号调理模块、DAC模块、继电器控制模块与模板模拟、数字通道之间的工作独立性，提 高了模板的工作安全性。
图1为本实用新型汽轮机超速保护模板的结构框图 图2为本实用新型汽轮机超速保护模板的硬件结构图 图3为本实用新型涡流速度传感器信号处理具体电路图 图4为本实用新型转速信号整波放大处理具体电路图 图5为本实用新型锁相环分频锁相处理具体电路图 图6为本实用新型电流信号采集隔离处理具体电路图
图7为本实用新型AD转换处理具体电路图
图8为本实用新型MUC、 CPLD、扩展EEROM及扩展SRAM连接具体电路图
图9为本实用新型DA转换处理具体电路图
图10为本实用新型继电器驱动具体电路图
图11为本实用新型液晶显示及报警指示具体电路图
图12为本实用新型软件滤波算法原理图
具体实施方式
实施例l
如图1所示， 一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，采用模块 化设计，提高了模板的集成度及抗干扰性等，本模板包括信号处理系统和电源子系统10， 所述信号处理系统包括速度信号调理模块l、电流信号调理模块2、 ADC模块3、 DAC模 块4、 MCU模块、CPLD模块5、继电器拷制模块6、数码显示模块7;为了实现模板对不 同类型速度传感器的适应性，提高其信号处理能力，所述速度信号调理模块l中设置有 磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器信号采集处理电路，并与ADC模块3连接；所述 DAC模块4、继电器控制模块6与用于控制ADC模块3采样频率的CPLD模块5连接；所 述CPLD模块5与MCU模块通过SPI连接；所述数码显示模块7与MCU模块通过UART相 连。
所述MCU模块包括传输信号的MCU硬件模块8和处理信号的MCU软件模块9。 所述速度信号调理模块1包括频率信号整波电路11、精密放大电路12、锁相环电 路13，所述锁相环电路13和磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器信号采集处理电路连接。
所述电流信号调理模块2由采用隔离放大处理的四个模块组成。 所述继电器控制模块6包括四个继电器。
所述MCU硬件模块8包括用于MCU软件模块9计算时扩展数据空间的电可擦除可编 程只读存储器EER0M电路和用于静态保存必需工作参数的非易失性铁电存储器FRAM电 路。由MCU软件模块9对MCU硬件模块8经CPLD模块5采集到的速度信号和电流信号 进行计算并判断速度是否超限、加速度是否超限、功率、负荷的平衡情况，再控制DAC 模块4输出和继电器控制模块6的继电器动作。
所述磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器为跳线选择配置。速度信号调理模块1 中同时配置的磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器信号采集处理电路，将采集到的速
度信号经整波、放大处理后同时送入ADC模块3和锁相环电路13，经电流信号调理模块 2调理过的电流信号直接送入ADC模块3，再把经ADC模块3和锁相环电路13处理后的
信号送入CPLD模块5。
所述模板采用两路24VDC电源供电，任意一路电源故障，不影响模板正常工作，电 源子系统10是由两个DC-DC总电源变换模块和六个隔离DC-DC电源模块以及几组电源 变换电路组成，保证了电流信号调理模块、DAC模块、继电器控制模块与模板模拟、 数字通道之间的工作独立性，提高了模板的工作安全性。 实施例2
一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，为实现新增判断功率、 负荷不平衡的功能，模板配置了四路电流信号接收、调理电路用于接收传输过来的分别 表示三路中排压力、 一路电功率的4-20mA电流信号，且每路处理电路均采用隔离处理， 保证了其工作的独立性，提高了可靠性，采集到的电流信号经ADC模块3模数转换后送 入MCU软件模块9进行计算作出判断。
为提高模板的整体处理能力及响应速度，模板釆用了高性能快速的16位单片机和 高性能的可编程逻辑阵列CPLD模块5构成控制核心，该控制核心访问速度极快，同时 通过CPLD模块5丰富的I/O 口，可简化模板电路，提高模板的集成度，从而增强模板 可靠性。
为达到甚至超过同类模板測速上的性能，模板采用专用16位A/D芯片配MCU内部 高速工作单元对转速传感器信号进行采样及处理，同时在MCU软件模块9内采用了独特 的软件滤波算法，有效的提高了转速的测量范围及精度，可实现1-5500转的准确测量。
同时该模板配备了 DAC模块4电路，可实现对应转速的4-20mA电流信号输出，以 供其他组件对转速的获取。
模板配置的继电器控制模块6共含四路继电器输出电路，外接线输出均采用继电器 千节点输出模式，保证在不同类型报警情况出现时给出不同的报警控制信号。
为了提高模板的的使用便利性及状态可视性，模板配置了数码显示模块7，该模块 采用高速的8位PIC单片机作为控制核心与模板MCU通过串行通信进行数据交换，可实 时、稳定的显示转速(单位转/分，rpm)以及指示响应的报警灯。
模板采用两路24VDC电源供电，任意一路电源故障，不影响模板正常工作，电源子 系统10是由两个DC-DC总电源变换模块和六个隔离DC-DC电源模块以及几组电源变换 电路组成，保证了电流信号调理模块l、 DAC模块4、继电器控制模块6与模板模拟、数
字通道之间的工作独立性，提高了模板的工作安全性。 实施例3
如图2所示，本实用新型采用一套电路板，在该电路板上集成有隔离放大调理电路 (即电流信号调理电路)2、精密放大电路ll、整波电路12、锁相环电路13、 ADC模数 转换电路3、 CPLD电路5、 MCU电路、DAC数模转换电路4、继电器控制电路6、存储器 扩展电路、PIC单片机及液晶显示电路(即数码显示模块7)。
涡流传感器信号在接入模板后需要先进行整波处理，调理出可供其他电路处理的稳 定波形，具体电路图如图3所示。
模板通过跳线J10选择是处理涡流传感器信号还是处理磁阻传感器信号，然后对信 号经仪表放大器AD620放大处理，再对放大过的信号由运放OP07及双运放0PA2364进 行信号的平移处理，因为AD的比较电压为2.5V，为了配合模数转换芯片AD73360采集 需求，所以需要把采集到的信号平移到2.5V左右，同时经AD620放大处理的信号再由 双运放0PA2364、电压比较器LM311、缓冲器2G34、光藕TLP115A组成的电路进行滤波、 整形、平移处理，然后输出给锁相环电路，如图4所示。
锁相环电路是把经模拟电路处理后的信号整形及对信号进行8分频后再传输给 CPU，在保证信号质量的同时，大的分频数可以降低CPU的负荷，具体电路图如图5所 示。
对于输入到模板上的四路4-20mA电流信号均需要进行隔离放大处理，然后再输入 到AD芯片，具体电路图如图6所示。
AD芯片对经处理过的信号进行模数转换，再通过CPLD (EPM7128STC100-10)以SPI 总线方式传输给CPU处理，如图7所示。
MCU采用的是Infineon公司先进的高档16位单片机XC16化S，同时扩展了一片 EER(M (CYZC1021)和一片FRAM (FM26640), MCU与CPLD之间通过SPI总线进行数据交 换，如图8。
对应转速值的4-20mA电流信号，由MCU经CPLD控制16位DA芯片(AD420)输出， 具体电路如图9所示。
继电器报警信号，由MCU经CPLD控制相应的驱动电路驱动继电器动作，如图10所示。
通过TXD、 RXD串口把相应的转速值及报警信息传输给由PIC芯片(PIC18F2520) 及状态指示灯等组成的显示电路，电路如图ll所示。
对于转速的计算采用了 IIR型数字滤波器的原理进行软件滤波处理，原理如下
2个式所示<formula>formula see original document page 8</formula>
其中<formula>formula see original document page 8</formula> 对于每一个二阶基本节，可以转置直接
II型结构加以实现，原理图如图12所示，所表示为差分方程的形式如下
<formula>formula see original document page 8</formula> 本发明多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板与传统汽轮机超速保护模
板相比区别在于在保证能可靠实现汽轮机超速保护功能的前提下，提高了转速的测量 精度，同时实现了适用不同种类速度传感器的需求，并且增加了功率、负荷不平衡判断 功能及增加了数码显示功能，以及提供了稳定的干接点报警保护信号输出。
权利要求1、一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，包括信号处理系统和电源子系统(10)，其特征在于所述信号处理系统包括信号处理系统包括速度信号调理模块(1)、电流信号调理模块(2)、ADC模块(3)、DAC模块(4)、MCU模块、CPLD模块(5)、继电器控制模块(6)、数码显示模块(7)；所述速度信号调理模块(1)中设置有磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器信号采集处理电路，并与ADC模块(3)连接；所述DAC模块(4)、继电器控制模块(6)与用于控制ADC模块(3)采样频率的CPLD模块(5)连接；所述CPLD模块(5)与MCU模块通过SPI连接；所述数码显示模块(7)与MCU模块通过UART相连。
2、 根据权利要求1所述的一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模 板，其特征在于包括所述MCU模块包括传输信号的MCU硬件模块(8)和处理信号的 MCU软件模块(9)。
3、 根据权利要求1所述的一种多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板， 其特征在于所述速度信号调理模块(1)包括频率信号整波电路(11)、精密放大电路(12)、锁相环电路(13)，所述锁相环电路(13)和磁阻式速度传感器和电涡流速度传 感器信号采集处理电路连接。
4、 根据权利要求1所述的一种多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板， 其特征在于所述电流信号调理模块(2)由采用隔离放大处理的四个模块组成。
5、 根据权利要求1所述的一种多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板， 其特征在于所述继电器控制模块(6)包括四个继电器。
6、 根据权利要求2所述的一种多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板， 其特征在于所述MCU硬件模块(8)包括用于MCU软件模块(9)计算时扩展数据空间 的电可擦除可编程只读存储器EEROM电路和用于静态保存必需工作参数的非易失性铁电 存储器FRAM电路。
7、 根据权利要求1所述的一种多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板， 其特征在于所述磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器为跳线选择配置。
8、 根据权利要求1所述的一种多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板， 其特征在于所述模板为两路24VDC电源供电，所述电源子系统(10)是由两个直流 变直的DC-DC总电源变换模块和六个隔离DC-DC电源模块组成。
专利摘要本实用新型公开了一种新型多功能可精确测量低转速的汽轮机超速保护模板，包括信号处理系统和电源子系统，其特征在于所述信号处理系统包括速度信号调理模块、电流信号调理模块、ADC模块、DAC模块、MCU模块、CPLD模块、继电器控制模块、数码显示模块；速度信号调理模块设有磁阻式速度传感器和电涡流速度传感器信号采集处理电路，与ADC模块和锁相环电路连接；DAC模块、继电器控制模块与CPLD模块连接；CPLD模块与MCU模块通过SPI全双工同步通信接口连接；数码显示模块与MCU模块通过UART异步串行通信接口相连，并且通过通信接口与数码显示模块连接；本模板采用模块化设计，提高了模板集成度、抗干扰性和模板的性能指标，增强功能、提高集成度，同时降低生产成本。
文档编号F01D21/02GK201057059SQ200720080099
公开日2008年5月7日 申请日期2007年6月27日 优先权日2007年6月27日
发明者曾光明, 滔 游, 闵泽生 申请人:四川东方电气自动控制工程有限公司