1.前言汽輪機(jī)純液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的啟動(dòng)閥和同步器的實(shí)質(zhì)是電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，只不過(guò)它們是在特定的場(chǎng)合中所取的稱謂而矣。我們?cè)谑牵保梗梗纺暝谖鍖茫ㄉ蠈茫┳詣?dòng)化學(xué)術(shù)年會(huì)上發(fā)表過(guò)一篇文章［１］，其中只是論述采用矢量變換控制伺服馬達(dá)取代原來(lái)的交流馬達(dá)、直流馬達(dá)或交直流馬達(dá)。當(dāng)時(shí)確實(shí)收到了良好效果，也得到一定程度的推廣應(yīng)用。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)及實(shí)際應(yīng)用中要求控制指標(biāo)的日益提高，有必要使其智能數(shù)控化，更上一層樓，以適應(yīng)當(dāng)代科技發(fā)展的需求。
受全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器［２］誕生的啟迪，我們對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)控化改造進(jìn)行了探索與嘗試，專門研制了多功能智能信號(hào)轉(zhuǎn)接控制板（相當(dāng)于一臺(tái)工控單板機(jī)）與全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器配套。把上海汽輪機(jī)廠出品的早期125MW機(jī)組啟動(dòng)閥（老式的窗口控制型）和哈爾濱汽輪機(jī)組出品的100MW機(jī)組帶高速?gòu)椈烧{(diào)速器的同步器改造成為智能式全數(shù)字控制裝置，收到比預(yù)期更好的效果，到目前為止機(jī)組運(yùn)行正常。年內(nèi)還將投產(chǎn)發(fā)電的遼源電廠２×100MW雙抽汽輪發(fā)電機(jī)組（俄羅斯產(chǎn)品）以及山東沾化發(fā)電廠2×125MW汽輪發(fā)電機(jī)組將采用這種類型同步器和啟動(dòng)閥。
2．智能信號(hào)轉(zhuǎn)接控制板
2.1電路功能智能信號(hào)轉(zhuǎn)接控制板是一塊多功能的現(xiàn)場(chǎng)控制模塊，主要用于汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）和集散型控制系統(tǒng)（DCS）。電路設(shè)計(jì)中，采用了高可靠性的單片機(jī)作為控制核心，實(shí)時(shí)處理采樣濾波、PID運(yùn)算、PWM脈寬調(diào)制等控制算法，用A/D、D/A芯片達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與控制輸出，用RS232串行通信方式實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程上位機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。
2.2電路組成：智能信號(hào)轉(zhuǎn)接控制板的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。該板以8位CMOS單片機(jī)AT89C51，用XILINX復(fù)雜可編程器件（ＣＰＬＤ）XC95108作為主要的外圍譯碼電路；板上裝有12位的高速A/D轉(zhuǎn)換器和12位的D/A轉(zhuǎn)換器，與CPU的連接都經(jīng)1:1的隔離放大器相互電氣隔離；16路的開(kāi)關(guān)量輸入和3路脈沖量輸入全部采用光電隔離；4路開(kāi)關(guān)量輸出采用進(jìn)口繼電器方式；板上設(shè)有CPU監(jiān)視電路（WatchDog）用以防止單片機(jī)出現(xiàn)死機(jī)；設(shè)有非揮發(fā)性存貯器EEPROM，用以存貯配置信息和經(jīng)調(diào)整后的運(yùn)行參數(shù)；板上的串行接口RS232用于與遠(yuǎn)程上位機(jī)通信或與現(xiàn)場(chǎng)的智能控制設(shè)備相聯(lián)。整塊電路采用單24VDC供電，由板上DC/DC實(shí)現(xiàn)電壓變換及電氣隔離。
2.3 主要技術(shù)參數(shù)：
電壓/電流輸入：4-20mA或1-5V A/D分辨率12位，采樣精度1‰；
電壓/電流輸出：4-20mA或1-5V D/A分辨率12位，輸出精度1‰；
開(kāi)關(guān)量輸入：16路，查詢電壓24VDC，；
旋轉(zhuǎn)編碼器接口：型 12位格雷碼輸入； 增量型 雙脈沖輸入或三脈沖輸入，相位超前滯后；
開(kāi)關(guān)量輸出：4路繼電器輸出，常開(kāi)/常閉觸點(diǎn)； 觸點(diǎn)容量：220VAC/1A 30VDC(1A)；
脈沖量輸出：2路，+5VDC電平或O.C.輸出；
通訊接口：RS232 波特率9600，數(shù)據(jù)8位，停止1位，無(wú)校驗(yàn)；
隔離電壓：ＡＩ/ＡＯ/ＤＩ／ＤＯ四端隔離，互相間隔離電壓>1500V；
電源供電：24VDC(0.3A)；
外型：220mm x 125mm x 20mm；
2.4零位、滿度調(diào)整方法：先將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋調(diào)到實(shí)際零位，此時(shí)的測(cè)量值Vl與4mA（零位電流）對(duì)應(yīng)，再將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋調(diào)到實(shí)際滿度位置，此時(shí)為測(cè)量值Vh與20mA（滿度電流）對(duì)應(yīng)，如圖2所示。調(diào)整完畢后，每一位置的反饋值都由以下公式計(jì)算：
2.5 軟件處理 板上單片機(jī)運(yùn)行的軟件程序全部采用ASM-51匯編語(yǔ)言書寫，程序流程如圖3所示。
圖3、軟件程序流程圖
(A) 初始化程序 (B) 主程序循環(huán)
2.6 應(yīng)用舉例 智能信號(hào)轉(zhuǎn)接控制板是通用的多功能接口板，圖4列出了常用的幾種應(yīng)用方式。
圖4、典型應(yīng)用示意圖在圖4中，A為執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用4-20mA的控制和反饋信號(hào)，而DCS控制采用輸出增減脈沖控制方式；B為執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用常用的正反轉(zhuǎn)交流伺服電機(jī)，反饋用4-20mA電流信號(hào)，而DCS控制采用4-20mA電流控制方式；C為執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用脈沖控制的正反轉(zhuǎn)交流伺服電機(jī)，反饋用型旋轉(zhuǎn)編碼器GRAY碼信號(hào)，而DCS控制采用4-20mA電流控制方式；D為執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令與反饋全部采用RS232通信方式交流伺服電機(jī)，而DCS控制采用4-20mA電流控制方式或增減式脈沖控制方式；E為執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用4-20mA的控制和反饋信號(hào)，而DCS控制采用RS232/RS422遠(yuǎn)程通信方式；F為執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用脈沖控制的正反轉(zhuǎn)交流伺服電機(jī)，反饋用4-20mA電流或型旋轉(zhuǎn)編碼器GRAY碼信號(hào)，而DCS控制采用RS232/RS422遠(yuǎn)程通信方式。
３．哈爾濱汽輪機(jī)廠出品的100MW凝汽式汽輪機(jī)同步器改造實(shí)施方案
3.1原設(shè)備概況原同步器是啟動(dòng)閥與同步器合為一體的機(jī)構(gòu)，只用一只直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿減速再通過(guò)超越離合器（按：摩擦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）與手輪相連。調(diào)速器是采用高速?gòu)椈呻S動(dòng)滑閥等機(jī)構(gòu)。同步器全程32mm，行程變化３.１mm就對(duì)應(yīng)油動(dòng)機(jī)全行程（0~240mm）。在額定參數(shù)下，同步器行程變化量只有2.1mm，就對(duì)應(yīng)空載至額定負(fù)載（0~100MW）。
3.2改造后的概況取消原有的直流馬達(dá)與其蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，原有的超越離合器一并取消。改造成純齒輪傳動(dòng)。加裝一只矢量變換控制馬達(dá)［１］、一只值型編碼器、一只電動(dòng)／手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)以及一塊智能信號(hào)轉(zhuǎn)接控制板。原同步器包括手輪和機(jī)械式行程指示器在內(nèi)的其它機(jī)械部份全部保留。同步器行程和原有的靜態(tài)特性以及就地操作方式不變。從上述同步器固有靜態(tài)特性可推知，對(duì)同步器位移控制精度的要求非常高。在額定工況下，△2.1mm對(duì)應(yīng)△100MW，位移變化0.021mm就引起負(fù)荷變化1MW。以全程32mm來(lái)計(jì)算，位移變化0.07%，負(fù)荷就變化1%(1MW)。因此如果采用一般的模擬電路控制定位精度達(dá)不到要求，很難實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的穩(wěn)定控制。我們將其改造成為智能式全數(shù)字控制裝置后，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。甚至比預(yù)期結(jié)果還好。圖5為改造后的控制框圖。
3.3 改造后達(dá)到的功能
＊自動(dòng)掛閘、自動(dòng)暖閥和自動(dòng)開(kāi)主汽門。
＊自動(dòng)沖轉(zhuǎn)和升速，自動(dòng)沖擊臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域直至全速。
＊接收電氣來(lái)的信號(hào)，自動(dòng)控制同期轉(zhuǎn)速，由電氣進(jìn)行同期并網(wǎng)。
＊實(shí)現(xiàn)負(fù)荷自動(dòng)控制（含操作員自動(dòng)，電氣控制和ＣＣＳ控制）
＊甩負(fù)荷后，將同步器自動(dòng)回到3000r/min的位置。
＊汽機(jī)跳閘，將同步器自動(dòng)回到０位置。
3.4啟動(dòng)調(diào)試結(jié)果上述3.3的功能全部能實(shí)現(xiàn)。值得指出的是，機(jī)組在沖過(guò)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域過(guò)程中，機(jī)組的振動(dòng)非常平穩(wěn)，比原來(lái)手動(dòng)沖轉(zhuǎn)有較大的改觀，博得廠方的好評(píng)。啟動(dòng)升速轉(zhuǎn)速控制誤差±3r/min，全速時(shí)，如果鍋爐汽壓穩(wěn)定液壓調(diào)速系統(tǒng)沒(méi)有幌動(dòng)可在±2r/min以內(nèi)。改后的同步器，目前在山東省聊城發(fā)電廠３＃機(jī)組投運(yùn)，情況良好。
４．上海汽輪機(jī)廠早期125MW機(jī)組啟動(dòng)閥（窗口控制型）改造該啟動(dòng)閥全程控29mm，在轉(zhuǎn)速控制時(shí)變化5mm就會(huì)使轉(zhuǎn)速?gòu)?→3000r/min。我們按照上述３的同樣的方法對(duì)125MW機(jī)組啟動(dòng)閥進(jìn)行改造，也達(dá)到了預(yù)期效果。該啟動(dòng)閥已于是1999年12月在山東省黃島電廠１＃機(jī)組投運(yùn)，屹今為止，運(yùn)行情況良好。
5．其它改造應(yīng)用上述３和４都是老機(jī)組改造，而吉林省遼源熱電廠俄羅斯100MW雙抽機(jī)組是新安裝的機(jī)組，將于年內(nèi)１０月投運(yùn)，同樣也采用智能式全數(shù)字控制裝置，況且在硬件配置上作了進(jìn)一步的改進(jìn)，控制框圖如圖6所示。在這樣的工作方式下次，調(diào)節(jié)精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性將得到進(jìn)一步提高，況且不需另外再配值型編碼器。
６．結(jié)束語(yǔ)為在電站中實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)總線控制，一次儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能數(shù)控化仍是基礎(chǔ)，有待眾多的學(xué)者與專家作大量工作。我們僅在這方面做了一小部分這方面的前期工作。本文旨在拋磚引玉，限于我們水平，謬誤之處在所難免，希望給予批評(píng)指正和賜教。
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