汽轮机监测保护系统的设计

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汽轮机监测保护系统的设计

　　摘 要：随着我国电力工业科技进步和电力体制改革的变化，发电企业对汽轮发电机组状态监测和故障诊断技术提出了新的要求;现行的设备检修体制已阻碍了电力生产企业效益的进一步提高，采用先进的检修体制已势在必行。提出了一套完整的汽轮发电机组的在线保护方法（TSI）系统，进行了软硬件设计。
　　关键词：汽轮机；监测；保护系统
　　
　　1 汽轮机监测保护系统概述
　　
　　汽轮机热工监视和保护系统以及由其所组成的信号报警系统和保护控制系统，是保护汽轮机安全运行的重要设备。随着机组容量的增大，汽轮机安全监视和保护就显得更加重要，同时对汽轮机的安全监视和保护装置动作的准确性和可靠性也提出了更高的要求。原有及早期设计的保护系统大多为继电器及硬件逻辑搭接的，可靠性较差，维护量较大。汽轮机振动及监控保护系统是为了监视汽轮机在运行过程中主轴和轴承的振动状况及大轴弯曲而设计的，它由振动监视组件，速度监视组件和偏心监视组件三部分组成，每个部分可由用户的需要提供若干组件，以完成用户需要监视的测点。其中监视振动组件和偏心监视组件配涡流传感器，用来监视主轴的振动状况，涡流传感器的输出信号大小为－4—-20V，它是一个含有直流分量的交流信号，速度监视组件配电磁式传感器，用来监视轴瓦的振动情况。
　　
　　2 汽轮机监测保护系统监视组件
　　
　　振动监视组件是以单片机为核心研制的，为了对输入信号进行有效的处理，要求所选用的 CPU 速度快，集成度高，指令系统简单，根据目前世界上在线控制发展的趋势和市场上提供的产品，监视组件选用 8098 单片机。8098 单片机为准 16 位单片机，外接芯片简单，具有 16 位处理速度，典型指令的执行时间为 2μ s，它的主要特性：十六位中央处理器；具有高效的指令系统；集成了采样保持器和四路十位 A/D 转换器；具有高速输入口 HSI，高速输出口 HSO 和脉宽调制输出 PWM；具有监视定时器，可以在产生软硬件故障时，使系统复位，恢复 CPU 工作。监视保护系统的设计方法和步骤分为：系统总体设计，硬件设计，软件设计。它是指根据测量系统的功能要求和技术特性，反复进行系统构思，综合考虑硬件和软件的特点，原则：能用软件实现的就不用硬件，但值得一提的是软件会占用 CPU 的时间。为了缩短研制周期，尽可能利用熟悉的机型或利用现有的资料进行改进和移值，并采用可利用的软硬件资源，然后根据系统的要求增加所需要的功能，在完全满足系统功能的同时，为提高系统工作的可靠性和稳定性，还必须充分考虑到系统的抗干扰能力。
　　
　　3 汽轮机监测保护系统的硬件设计
　　
　　主要是指单片机的选择和功能扩展，传感器的选择，I/O 口的选择，通道的配置，人机对话设备的配置。振动监视组件由三个相互联系的部分组成，分别是显示板模块，主板模块，继电器板模块。矢量监视组件原理图如下：
　　
　　模拟通道设计：
　　8098 内有一个脉冲宽度调置器PWM可用来完成数字信号至模拟信号的转换。我们将PWM用于产生键相输入比较电路的界限电压。同时 8098 单片机的HSO也可以软件编程构成脉冲调宽输出，我们利用HSO.0、HSO.1 构成两路脉冲调宽输出,用于通频振幅及 1 信频振幅模拟量输出.脉冲调宽输出信号TTL电平的调制脉冲,经CD4053 缓冲电平变换.使信号振幅变为 0－5V，再经过RC滤波，得到直流电压信号，再经过一级同相跟随，实现阻抗变换，得到要求的 0－2.5V或 1－5V的直流电压信号输出，其输出阻抗R0=0.电压信号经V/I转换，便可得到 0－10mA或 4－20mA电流输出。

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　　显示接口：
　　显示接口采用 8279 芯片，可直接与 8098 单片机相连，其工作方式可通过编程设定。接口电路采用了通用的可编程键盘，显示器接口器件 8279，它是键盘显示控件的专用器件，与单片机接口简单方便，其工作方式可通过编程设置。8279 的监测输入线 RL0－RL7 工作再选通输入方式，可输入 8 个拨动开关信号，以选择该系统的工作方式。
　　
　　I/O 通道扩展：
　　8098 单片机本身只有 32 根I/O线，其中 16 根作为系统地址、数据总线，8 根HIS/HSO线，4根模拟量输入线，还有 4 根多功能线，可用作TXD、RXD以及外中断输入、脉宽调制输出，这些I/O口各有用途，监视组件为了进行参数设定及响应系统监视组件信号，必须进行I/O功能扩展。当单片机提供的I/O接口不够用时，需要扩展I/O接口以实现TSI功能。8098 有四个端口即p0、p2、p3、p4，共 32 根I/O线，监视保护系统设计时，p0 一部分作为模拟量输入线；p2 一部分作为串行口，另有一部分作为脉冲宽度调制输出；p3作为数据总线和地址总线低八位复用；p4的一部分提供地址总线的高八位。I/O通道扩展电路：一种以 8155 作为外围接口，另一种以 8255 作为外围接口。外围接口主要有 8155，8255，8279，EPROM选用的是 2764，掉电保护用的是EPROM2864。8155 和 8255 是作为普通的输入和输出口使用的，它们主要用于设定开关状态的输入及报警状态的输出。8279 是显示接口，用来控制显示器的显示，监控保护系统显示部分采用的是由 128 根发光二极管组成的两根光柱，每根光柱对应一根通道。8279 的回扫线RL0－RL7 用作选通输入方式。
　　
　　4 汽轮机监测保护系统的软件设计
　　
　　主要是应用软件的设计。根据系统功能要求设计。在设计应用软件时，必须考虑到单片机的指令系统和软件功能，并与硬件统筹考虑。单片机的系统开发，其软件设计不可能相对于硬件而独立，其软件总要与硬件结合在一起，实现要求的功能。当应用系统总体方案一经审定，硬件系统设定基本定型，大量的工作将是软件系统的程序设计与调试。振动监视组件软件的设计采用模块编程法，模块法的优点是把一个较为复杂的程序化为编制和装配几个比较简单的程序，使程序设计容易实现。由于块与块之间具有一定的独立性，如果其程序模块需要修改或变动时，将只影响模块内部程序，而对其它程序模块的影响很小，或基本没影响就很方便，它主要由下面几个部分组成：标准的自检程序模块；采样以及通道计算程序模块；设定值调整程序模块，报警程序模块。
　　自检程序模块：该模块检查系统的电源电压是否正常，系统将以故障码的形式提示用户：系统电源出现故障，并指出哪一路电源处于故障状态。系统得自检功能由上电自检，循环自检和用户请求自检三部分组成。在自检过程中，系统解除所有形式的保护。如果自检过程中发现故障，那么监视保护系统一直处于自检状态，直至用户排除了故障为止。
　　采样及通道值计算程序模块：本程序模块首先对监视保护系统处于的状态进行判断，这些状态是指监视保护系统是否处于通道旁路和危险旁路，如果监视保护系统某一通道处于旁路状态，那么解除继电器报警，系统正常灯熄，旁路灯亮，同时通道指示值为 0。如果监视保护系统某一通道没有被旁路，则启动该通道的 A/D 转换，随后将采集的数字信号进行滤波，计算得到通道值。模拟量输出通道输出代表该通道值的标准电流值 0－10mA.DC 或 4－20mA.DC。
　　设定值调整程序模块：设定值包括警告设定值和危险设定值两个，它存放在EPROM2864中，即使断电，存放在其中的值也不会丢失，显示面板上的“警告”或“危险”键按下，棒状光柱上将显示警告或危险设定值，如果要对设定值进行调整，还需要按下主线路板上的设定开关，再按下面板上的“警告”或“危险”键，最好按下系统监视面板上的“?”或“?”，即可对设定值调整。在软件中，当设置点调整后，AF 标志置零，程序根据 AF 标志判断是否需要将条调整值重新写入 2864。
　　报警程序模块：如果两通道的测量值之差即差值超过警告或危险设定值，那么监视保护系统将处于警告或危险状态，这时显示面板上的警告或危险报警灯亮，同时将驱动警告或危险继电器，如果处于危险旁路状态，那么仅仅是两个通道的危险灯亮而危险继电器则不动作。如果监视组件处于通电抑制状态，那么将解除所有形式的报警。
　　显示程序模块：显示程序模块执行显示双通道的测量值、报警值以及四种故障代码。在 8098内部 RAM 中，开设一个具有 16 个寄存器单元缓冲区，如 80H-8FH。将缓冲区对半分成两部分，每一部分的寄存单元寄存一个通道的显示代码。将显示代码送到 8279 的显示缓冲区，8279 可以自动扫描显示。
　　中断程序模块：T1 的溢出周期作为输出脉冲信号的宽度，改变 HSO 高低电平的触发时间就可以改变方波的占空比，从而改变输出电流大小。
　　“大型汽轮发电机组性能监测分析与故障诊断软件系统”在仿真机上运行，能对仿真机运行工况进行监视，也能通过实时数据库与实际机组的计算机联网，对实际运行机组工作状况进行监测和分析等。
　　
　　参考文献
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　　［3］? 陆颂元，张跃进，童小忠.机组群振动状态实时监测故障诊断网络和远程传输系统技术研究［J］.中国电力，2005，（3）.
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　　［5］?李录平，邹新元.小波变化在振动故障奇异信号检测中的应用［J］.汽轮机技术，2005，（2）.