马伟东，吴胜华，吴 科

（1.国电南京自动化股份有限公司，南京 210032；2.南京国电南自维美德自动化有限公司，南京 210032）

0 引言

汽轮机是一组大型高速运转的原动机，是火力发电厂机组的主要设备之一，用汽轮机来拖动发电机从而可使机械能转化为电能，最终完成发电供电网使用。

现代发电厂机组中汽轮机均采用数字电液控制系统（DEH 系统）进行控制，无论是启动过程中的转速控制，还是正常运行中的负荷调节以及主汽压力控制，最终都是通过对汽轮机的高中压调节阀门和高压主汽门的阀位控制来实现的，因此阀门及转速控制是DEH 的必备功能。

阀门的开度管理及转速的超速保护相关功能是DEH 系统的重要功能，汽轮机从开始的启动冲转到同期再到并网带负荷，都是通过控制汽轮机的阀门开度及转速控制来实现的，汽轮机数字电液调节系统中的阀门管理及转速控制是一个非常重要的环节，它直接关系到机组运行的稳定及效率[1,4]。

1 阀控卡转速卡设计方案现状

阀门的开度管理及转速的超速保护相关功能在DEH 系统内大多由专用功能板卡直接完成，相比于由上位处理单元协同下位多种输入输出板卡配合来完成相同功能，具有更快速的响应速度，因此被广泛应用。

图1 现有技术中的两种设计方案示意图Fig.1 Schematic diagram of two design schemes in the prior art

阀控卡的主要工作原理是通过采集汽轮机阀门的当前开度与控制系统发出的给定开度构成比较环节，然后通过比例积分运算，最终输出调节电流控制调节阀门的运动，使阀门的开度到达给定期望到达的位置。

转速卡接收汽轮机当前转速信号，同时可接收油开关跳闸和紧急停车干触点等信号以及上位机指令，诸如汽轮机转速超限时可发出快速可靠的汽轮机超速报警或动作信号。通过继电器输出驱动超速保护电磁阀和危急遮断电磁阀，实现汽轮机超速限制、保护功能[5,6]。

除主要工作内容外，阀控卡与转速卡在上层控制单元的配合下同样需要完成诸如过程滤波、异常处理、线性修正、过程判断等内容[3]。

阀控卡与转速卡是否具有快速的输入信号采集、内部逻辑处理判断、输出信号建立速度直接影响到汽轮机阀门开度控制、超速保护的响应快慢，从而直接影响到整个机组的安全性、经济性。

如图1 所示，目前，各汽轮机制造厂商多配备有其专用的阀控卡与转速卡，同时，诸多数字电液调节DEH 控制系统厂家也设计有专用阀控卡与转速卡。但其控制板卡内部大多执行固定的基础控制逻辑，部分厂家的阀控卡与转速卡还可执行必要的附加复杂逻辑，但上述基础控制逻辑及附加复杂逻辑在板卡出厂后即已固定，电厂操作人员无法根据复杂的现场需求灵活调整基础控制逻辑及附加逻辑，这些附加复杂逻辑往往不得不在上位控制单元侧加以实现，控制单元与阀控卡间的数据通讯交互对整体控制逻辑的响应速度带来了一定的延迟，如必须在控制板卡侧完成逻辑调整，则板卡需要返厂进行升级来实现[2]，往往可操作性非常差，从另一个方面无法完成快速响应。

同时，基于所采用内部设计回路的不同，各厂家的阀控卡与转速卡目前控制周期均停留在十几毫秒至几十毫秒。

2 响应更快速的阀控卡与转速卡设计

不同于现有技术中的阀控卡与转速卡设计，本方案设计的阀控卡与转速卡具有两处增益：

1） 设计有响应更快速的整体控制逻辑执行软硬件。

2） 实现板卡侧控制逻辑的直接重新配置，无需上位控制单元参与逻辑运算，减少因上下位通讯所产生的控制延迟。

图2 响应更快速的阀控卡转速卡设计方案示意图Fig.2 Schematic diagram of design scheme of speed card of valve control card with faster response

如图2 所示设计示意图为例，展示本设计的具体方案。控制板卡使用现场可编程门阵列FPGA 作为内部处理器，设计中可采用50MHz 时钟频率进行驱动，FPGA 内部集成自身嵌入式软核，用于完成控制逻辑固件的接收处理、控制逻辑的译码执行、输入通道的采集、输出通道的控制等功能。FPGA 使用纳秒级的速度通过自身IO 管脚来时时更新开关量输入状态及驱动开关量输出。模拟量输入信号采用当前业界内高速模数转换器进行采集，其转换频率高于250K，转换时间小于5μs，其采集数据通过高速SPI 专用总线发送至FPGA 内部软核进行逻辑运算。模拟量输出信号采用当前业界高速数模转换器完成，其输出信号建立时间用时约20μs。高速处理器及输入输出硬件通道保证了从输入信号采集、经过内部逻辑运算、最终完成输出信号驱动，根据内部逻辑的复杂程度，整体时间只需2ms ～5ms。可保证本方案内阀控卡与转速卡对更快速逻辑响应的需求。如选用性能更高的内部器件，理论上该控制速度仍可进一步提高。

同时，阀控卡与转速卡板卡本身对外设计有内部控制逻辑更新接口，在板卡无需掉电、不影响板卡当前工作状况的情况下，可响应于外部输入的重编译的控制逻辑数据。板卡对新获取到的控制逻辑数据进行译码，得到相应的可执行控制逻辑数据；根据外部指令设定选择运行更新后的控制逻辑数据，将其更新为当前控制逻辑；该控制逻辑更新工作不需要占用上位单元与板卡间的内部通讯通道，由板卡自身所属的专有接口完成。这里，需要诸如外部编译机等设备可编写新的控制逻辑代码，并编译成板卡可识别的基于统一编码译码规则而生成的执行文件，该执行文件将通过板卡设计的专用接口完成在线更新，具体编码译码规则可采用现有技术、可自定义编码规则。

3 结论

与目前各厂家所设计的阀控卡与转速卡不同，基于本方案设计的专用阀控卡及转速卡可在2ms ～5ms 内完成内部控制逻辑的执行，具有更快速的响应速度。同时，板卡侧直接可在线更新的内部控制逻辑屏蔽了上位控制单元对控制逻辑的参与，减少上下位间内部通讯产生的控制周期延迟。使用该方案设计的阀控卡与转速卡对机组运行的稳定及效率有有效增益，设计的阀控卡与转速卡板卡已进行工程实践应用，具有较高的实用性和市场价值。