一种汽轮机蒸汽阀门的控制电路的制作方法

1.本实用新型涉及一种汽轮机蒸汽阀门的控制电路，尤其涉及一种用于汽轮机蒸汽阀门、具有两级阀芯反馈的控制电路，属于电站汽轮机数字式电液控制技术领域。


背景技术：

2.在汽轮机（特别是30wkw以上）的应用场合中，普遍使用大功率电液转换装置，来控制汽轮机中蒸汽阀门的进气量。其中，在使用比例电磁铁作为阀门驱动部件的比例阀应用中，需两级阀芯结构（驱动电磁铁的先导级和驱动液压阀门的主级）来实现大功率驱动阀门。
3.目前，国内这种两级电液比例阀在控制产品上主要依赖国外厂家，而针对高功率液压应用而言，两级阀芯可有效实现功率放大，在保持大功率的同时具有很好的动态性能；在结构设计上要实现这种“电做功”转化为“液压做功”的方式，需采用电磁铁驱动的阀芯来驱动液压油路用于驱动下一级液压阀芯，再通过液压阀芯的作用来驱动更大的功率油路。这种两级阀芯结构分为先导级阀芯和主级阀芯，先导级阀芯的作用适用于驱动比例电磁铁，控制主级阀芯运动；主级阀芯驱动外部液压油路，从而实现功率放大，完成大功率场景应用。
4.因此，根据大功率液压应用需要，需研制一种能够配套两级阀芯反馈的大功率电液比例阀的控制电路，其需带有先导级和主级两级阀芯反馈，能够实现各级阀芯反馈的控制电路，从控制原理的角度上看，要在先导级和主级上实现阀内的两级闭环控制，加上外部阀体运动的位移传感器环路则为三个闭环控制。目前，由于国内厂家普遍采用模拟电路对液压阀进行控制，对于数据的采集非常不方便，特别是针对在比例阀两级阀芯断线的情况下，无法检测定位现场的故障，控制装置也无法及时地处理类似故障，在特定的情况下回引起应用场景下蒸汽阀门顶开，这对汽轮机这样涉及重大安全、经济利益的设备而言，是极为严重的问题及不足。
5.于2019年08月27日公开了一种公开号为cn110173310a，名称为“一种核电站汽轮机蒸汽阀门调节系统及其安全控制方法”的专利文献，其中，具体公开：汽轮机蒸汽阀门调节系统包括油路单元、gse单元、gre单元和控制器，其中安全控制方法包括响应于控制器的开阀指令以控制gse单元和gre单元进行的开阀操作，或者响应于控制器的关阀指令以控制gse单元和gre单元进行的关阀操作；安全控制方法在开阀操作或关阀操作中均采用了gse单元和gre单元分开进油或失油的操作顺序，避免瞬时耗油量过大而引起的系统油压扰动情形。
6.于2020年05月15日公开了一种公开号为cn210531720u，名称为“一种电磁比例阀控制系统“的专利文献，其中，具体公开：主要包括mcu控制模块、电源模块、信号采集模块以及阀门控制模块，mcu控制模块控制连接信号采集模块和阀门控制模块；阀门控制模块控制连接电磁比例阀；电源模块与其它模块进行电连接。
7.于2019年03月26日公开了一种公开号为cn109519233a，名称为“用于核电厂汽轮
机进汽调节阀的在线监测方法和系统”的专利文献，其中，具体公开：根据核电厂汽轮机进汽调节阀控制卡的控制策略，构建pid控制模型，pid控制模型的输入信号为汽轮机控制器输出指令、调节阀阀门反馈信号和比例阀先导阀反馈信号，pid控制模型的输出信号为调节阀控制卡模拟输出指令；实时采集并存储核电厂汽轮机进汽调节阀控制卡的多个监测信号；根据pid控制模型和预设的判断策略，判断多个监测信号是否触发报警条件，在触发报警条件时，输出对应的预警信号。通过该实用新型可以提前预警故障，及时和快速锁定现场进汽调节阀的故障部位，查找引发的人为操作不当风险，保障机组安全稳定运行，同时大大提高核电厂的经济性。


技术实现要素：

8.本实用新型旨在克服现有技术的不足，针对汽轮机的应用场景，提出了一种汽轮机蒸汽阀门的控制电路，匹配于汽轮机蒸汽阀门的控制系统。在本技术方案中，通过驱动功率电路及反馈电路等设置，实现对汽轮机蒸汽阀门液压驱动装置（油动机）的控制，实时调节和控制比例阀状态，最终实现对汽轮机蒸汽阀门的控制；其中，所涉及的数据可通过以太网进行上传采集，供用户进行定量分析蒸汽阀门数据等。
9.为了实现上述技术目的，提出如下的技术方案：
10.一种汽轮机蒸汽阀门的控制电路，与液压驱动装置连接，所述液压驱动装置包括与汽轮机蒸汽阀门相连的油动机，油动机包括比例阀和油缸，比例阀包括设置有先导级比例电磁铁的先导级阀芯和主级阀芯，先导级阀芯与主级阀芯之间通过油路连接，主级阀芯与油缸之间通过油路连接，油缸连接有线性位移传感器；
11.所述控制电路包括处理器、驱动功率电路及反馈电路，
12.处理器：通过驱动功率电路传出驱动信号，接收经反馈电路传入的反馈信号；
13.驱动功率电路：一端与处理器连接，另一端与先导级阀芯连接；
14.反馈电路：包括先导级阀芯反馈电路、主级阀芯反馈电路及油动机线性位移反馈电路，先导级阀芯反馈电路一端与先导级阀芯连接，另一端与处理器连接，处理器、驱动功率电路、先导级阀芯及先导级阀芯反馈电路之间形成先导级阀芯控制电路；
15.主级阀芯反馈电路一端与主级阀芯连接，另一端与处理器连接，处理器、驱动功率电路、先导级阀芯、主级阀芯及主级阀芯反馈电路之间形成主级阀芯控制电路；
16.油动机线性位移反馈电路一端与油缸连接，另一端与处理器连接，处理器、驱动功率电路、先导级阀芯、主级阀芯、油缸及油动机线性位移反馈电路之间形成油缸控制电路。
17.进一步的，所述处理器为包括有pi控制算法模块、死区补偿控制算法模块、斜坡计算控制算法模块、阀门颤动控制算法模块以及滤波控制算法模块的处理器。
18.进一步的，所述处理器为包括有状态机管理模块、以太网收发模块及故障诊断模块的处理器，状态机管理模块通过状态机管理电路连接有状态机管理硬件接口，以太网收发模块通过以太网收发电路连接有以太网下载调试接口，故障诊断模块通过故障诊断电路连接有故障诊断输出系统。
19.进一步的，所述状态机管理硬件包括打闸模块、开环控制模块、阀门校验模块、自动控制模块及阀芯调试模块。
20.进一步的，所述处理器通过rs485通信电路连接有rs485通信接口。
21.进一步的，所述处理器连接有为实时时钟供电的电池，保证实时时钟（rtc）的工作，同时确保在一定稳定时间范围内为用户提供带有时间标记的数据。
22.进一步的，所述处理器通过fram储存电路连接有fram储存器，可将控制参数进行存储。
23.进一步的，所述驱动功率电路连接有驱动功率电源。
24.进一步的，所述驱动信号为pwm驱动信号。
25.进一步的，所述反馈信号包括先导级阀芯行程电压反馈信号、主级反馈信号及油动机线性位移反馈信号。
26.在本技术方案中，涉及的标准包括：gb 9254
‑
2008 《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》、 gb 4824
‑
2013 《工业、科学和医疗(ism)射频设备骚扰特性 限值和测量方法》及dl/t 824
‑
2002 《汽轮机电液调节系统性能验收导则》。
27.本技术方案中，涉及
ꢀ“
一端”、“另一端”等位置关系，是根据实际使用状态下的情况而定义的，为本技术领域内的常规用语，也是本领域术人员在实际使用过程中的常规用语。
28.在本技术方案的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电路连接，也可以是油路连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。
29.采用本技术方案，带来的有益技术效果为：
30.1）在本实用新型中，通过液压驱动装置、处理器、驱动功率电路及反馈电路等设置，形成先导级阀芯控制电路、主级阀芯控制电路及油缸控制电路，采用层层嵌套的方式，分别调用前一级输出结果，以及分别控制比例阀先导级阀芯、主级阀芯和油动机行程。同时，三个电路可自由组合，通过修改控制结构可以灵活实现不同电路结构，在系统架构上灵活多变性；
31.2）在本实用新型中，处理器为包括有pi控制算法模块、死区补偿控制算法模块、斜坡计算控制算法模块、阀门颤动控制算法模块以及滤波控制算法模块的处理器，其中，pi控制算法模块实现对油动机控制；死区补偿控制算法模块减少或消除阀门正遮盖，提高阀门的实时响应特性；斜坡计算控制算法模块能够有效控制阀门打开和关闭速率，让阀门满足不同工程应用下的需要，让集成产品获得期望的阀门曲线特性；阀门颤动控制算法模块能够有效去除油路杂质，能有效解决现场人员在维护过程遇到的阀门卡塞等问题，提高油动机抗燃油的使用周期，保证阀门工作在可靠状态；滤波控制算法模块根据ai、di的输入设计算法模块，提高数据稳定性，避免不合理数据对控制系统造成的扰动，设计多种算法和软件接口，供软件系统集成进行调用；
32.3）在本实用新型中，处理器为包括有状态机管理模块、以太网收发模块及故障诊断模块的处理器，其中，状态机管理模块实现不同工况，主要通过改变控制结构实现，同时，这些工况设计符合现场工程调试人员的使用经验；采用以太网通信技术，100mbps的传输速率可以保障装置产生大量实时数据，为阀门特性研究奠定基础；故障诊断模块实现故障检测功能，在出现硬件通道出现故障的情况下会报出故障（比如：led灯），目前可报出的故障
包括ad故障、ai通道断线故障、di通道故障、do通道故障和pwm发波电路电流通道故障；
33.4）在本实用新型中，状态机管理硬件接口包括打闸模块、开环控制模块、自动控制模块及阀芯调试模块，适应系统不同工况，并使用优先级管理系统状态，按照优先级排序依次分为打闸、阀芯调试、开环控制、阀门校验和自动控制五种工作状态；
34.5）在本实用新型中，处理器连接有为实时时钟供电的电池，为系统提供实时时间戳，让控制系统产生的数据真实可信，具有分析研究价值，并且该数据可通过以太网口输出可存储于pc机上；
35.6）在本实用新型中，本控制电路使用高度集成方案设计，产品体积更小，功能更强大，更为满足实际需求。
附图说明
36.图1为本实用新型中液压驱动装置结构框图；
37.图2为本实用新型中控制电路框图；
38.图3为本实用新型中涉及控制系统的工作原理图；
39.图4为本实用新型中比例阀结构图；
40.图5为本实用新型的电路图；
41.图中，1、油动机，2、比例阀，201、先导级阀芯，202、主级阀芯，3、油缸，4、线性位移传感器，5、处理器，6、驱动功率电路，7、反馈电路，71、先导级阀芯反馈电路，72、主级阀芯反馈电路，73、油动机线性位移反馈电路，8、状态机管理模块，9、以太网收发模块，10、故障诊断模块，11、状态机管理电路，12、状态机管理硬件接口，13、以太网收发电路，14、以太网下载调试接口，15、故障诊断电路，16、故障诊断输出系统，17、rs485通信电路，18、rs485通信接口，19、实时时钟，20、电池，21、fram储存电路，22、fram储存器，23、驱动功率电源。
具体实施方式
42.下面通过对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
43.实施例1
44.一种汽轮机蒸汽阀门的控制电路，与液压驱动装置连接，如图1所示，所述液压驱动装置包括与汽轮机蒸汽阀门相连的油动机1，油动机1包括比例阀2和油缸3，如图4所示，比例阀2包括设置有先导级比例电磁铁的先导级阀芯201和主级阀芯202，先导级阀芯201与主级阀芯202之间通过油路连接，主级阀芯202与油缸3之间通过油路连接，油缸3连接有线性位移传感器4；
45.所述控制电路包括处理器5、驱动功率电路6及反馈电路7，
46.处理器5：采用核心控制芯片为stm32f407，通过驱动功率电路6传出驱动信号，接收经反馈电路7传入的反馈信号；
47.如图2
‑
3所示，驱动功率电路6：一端与处理器5连接，另一端与先导级阀芯201连接；
48.反馈电路7：包括先导级阀芯反馈电路71、主级阀芯反馈电路72及油动机线性位移反馈电路73，先导级阀芯反馈电路71一端与先导级阀芯201连接，另一端与处理器5连接，处理器5、驱动功率电路6、先导级阀芯201及先导级阀芯反馈电路71之间形成先导级阀芯201控制电路；
49.主级阀芯反馈电路72一端与主级阀芯202连接，另一端与处理器5连接，处理器5、驱动功率电路6、先导级阀芯201、主级阀芯202及主级阀芯反馈电路72之间形成主级阀芯202控制电路；
50.油动机线性位移反馈电路73一端与油缸3连接，另一端与处理器5连接，处理器5、驱动功率电路6、先导级阀芯201、主级阀芯202、油缸3及油动机线性位移反馈电路73之间形成油缸3控制电路。
51.其中，处理器5为包括有pi控制算法模块、死区补偿控制算法模块、斜坡计算控制算法模块、阀门颤动控制算法模块以及滤波控制算法模块的处理器。
52.其中，处理器5为包括有状态机管理模块8、以太网收发模块9及故障诊断模块10的处理器，状态机管理模块8通过状态机管理电路11连接有状态机管理硬件接口12，以太网收发模块9通过以太网收发电路13连接有以太网下载调试接口14，故障诊断模块10通过故障诊断电路15连接有故障诊断输出系统16。
53.其中，状态机管理硬件包括打闸模块、开环控制模块、阀门校验模块、自动控制模块及阀芯调试模块。
54.其中，处理器5通过rs485通信电路17连接有rs485通信接口18。
55.其中，处理器5连接有为实时时钟19供电的电池20，保证实时时钟19（rtc）的工作，同时确保在一定稳定时间范围内为用户提供带有时间标记的数据。
56.其中，处理器5通过fram储存电路21连接有fram储存器22，可将控制参数进行存储。
57.其中，驱动功率电路6连接有驱动功率电源23。
58.其中，驱动信号为pwm驱动信号。
59.其中，反馈信号包括先导级阀芯201行程电压反馈信号、主级反馈信号及油动机1线性位移反馈信号。
60.如图5所示，根据汽轮机蒸汽阀门控制卡的控制策略，向汽轮机蒸汽阀门的控制系统发出给定信号，控制系统采集给定信号并计算，向比例阀2中先导级阀芯201发出驱动信号；先导级阀芯201接收驱动信号，先导级阀芯201驱动主级阀芯202运动，主级阀芯202驱动油缸3运动，油缸3控制汽轮机蒸汽阀门的位置；
61.以及，油动机1向控制系统发出反馈信号，控制系统采集反馈信号并计算，进行故障诊断及预警或/和汽轮机蒸汽阀门状态机管理。
62.实施例2
63.基于实施例1，本实施例更进一步的，
64.状态机管理硬件包括打闸模块、开环控制模块、阀门校验模块、自动控制模块及阀芯调试模块，其中，状态机管理硬件接口12包括打闸模块接口、开环控制模块接口、阀门校验模块接口、自动控制模块接口及阀芯调试模块接口。
65.打闸模块：控制系统在工作状态下，将阀门迅速关闭，保护汽轮机机组；在该状态
下，闭合环路都工作于正常状态，接收外部硬件di打闸信号，以最快速度反应关闭油动机1阀门；
66.阀芯调试模块：控制系统在工作状态下，阀门反馈环路开路，并且比例阀2的主级阀芯202反馈环路开路，仅将先导级比例电磁铁工作在闭环状态下，此时，控制系统接收来自外部的阀芯位置控制指令，通过设置该种状态可帮助调试工程师了解阀芯工作特性和外部环路中的部件工作状态；
67.开环控制模块：控制系统于油动机1反馈控制环路的闭环状态下工作，接收来自外部的主级阀芯202开度指令，能够将比例阀2的主级阀芯202工作在指定开度，用于调试人员研究油动机1反馈控制环路状态；
68.阀门校验模块：整个控制系统于油动机1反馈控制环路的闭环状态下工作，接收来自控制系统的阀门校验指令，能够正常控制比例阀2的两级驱动，并将主级阀芯202处于正常的状态；同时，通过自动控制油动机1开关，拟合阀门行程曲线，将整个油动机1的运行参数存储到fram中，供控制系统在工艺自动控制状态下调用；
69.自动控制模块：整个控制系统于油动机1反馈控制环路的闭环状态下工作，接收来自控制系统的阀门开度指令，能够正常控制比例阀2的两级驱动，并将主级阀芯202控制为处于正常的状态。
70.实施例3
71.基于实施例1
‑
2，本实施例更进一步的，
72.在算法方面，根据本控制系统的应用需要，包括pi控制算法模块、死区补偿控制算法模块、斜坡计算控制算法模块、阀门颤动控制算法模块以及滤波控制算法模块，配合于本控制电路。其中，
73.pi控制算法模块：实现比例积分闭环控制算法，提供可供系统集成用的算法接口，实现先导级比例电磁铁、主级阀芯202和线性位移传感器4的三个环路嵌套的环路控制算法。先导级控制环路实现pwm电流输出、先导级阀芯201运动以及比例电磁铁位移传感器电信号反馈的环路；主级控制环路实现先导级控制环路输出、主级阀芯202运动以及主级位移传感器电信号反馈的环路；线性位移传感器4实现主机阀芯环路输出、油动机1阀门运动以及油动机1线性位移反馈的环路；
74.死区补偿算法模块：比例阀2作为标准电磁铁阀的产物，由于电磁铁阀设计了带有相对于阀体台间的阀芯台肩正遮盖，阀体本身设计了鼠尾槽，减少了正遮盖。只有消除正遮盖，油路才能正常流动，该打开正遮盖的过程就是消除死区。
75.因此减少正遮盖或者消除正遮盖带来的影响就非常重要。在电气控制的角度上，必须认识到正遮盖是固有存在的，通过设计死区补偿算法可将阀芯在零位状态下跳过死区，可提高阀芯在零位区域的控制灵敏度。在一个非常低的指令电压情况下，会产生一个相对大的电磁铁电流，使阀芯移动一个消除正遮盖的距离。
76.斜坡算法模块：主要用于实现阀芯打开的加减速控制。对于具体设计而言，涉及到阀芯在两个方向上的打开和关闭速度的控制，其配合死区补偿算法的基础上进行设计。将阀芯打开和关闭的时间控制在预定的设计区间，使比例阀2工作在预定的阀芯设计状态下，表现出比例阀2不同的工作状态；
77.阀门颤动算法模块：阀门颤动的设计是应对油动机1在长期运行的情况下，出现内
部油质下降，造成阀门卡塞的状况。在这种不能更换油动机1抗燃油的工况下，让主级阀芯202进行来回往复高速抖动，去除油液环境中的杂质，可以改善比例阀2所处的阀芯状态，使比例阀2在控制状态下更满足控制期望；
78.滤波算法模块：其根据ai、di的输入设计算法模块，提高数据稳定性，避免不合理数据对控制系统造成的扰动，设计多种算法和软件接口，供软件系统集成进行调用。