一种超温超转保护器及其控制方法

摘要

本发明公开了一种超温超转保护器及其控制方法，所述保护器包括了对温度和转速进行信号采集和处理的信号采集电路板，以及执行保护动作的继电器系统；所述信号采集电路板上集成了电源处理单元、转速信号单元、温度信号单元以及处理器单元；保护器采用双通道冗余设计，两块信号采集处理电路板之间同时采集转速、温度信号，采集到信号后，处理器对信号作出逻辑判别，并且两通道间进行通讯，在满足设定条件时，相应的继电器动作，从而起到保护燃机轮机的作用。

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机控制领域，更具体地，涉及一种超温超转保护器及其控制方 法。

背景技术

燃气轮机组是国防军工设备重要的发电机组之一，它在起动或运行时会产生高温 以及高转速，一旦温度或者转速超过一定值时，就会导致燃气轮机的烧毁或损坏。对燃气轮 机超温超转的保护装置的可靠性、灵敏性直接影响到燃气轮机的安全和可靠性。

目前国内同类保护装置并无同时针对超温、超转进行保护的功能。已有的燃气轮 机的保护装置是温度限制器，具有以下缺点：

（1）只有简单的温度控制泄油功能，功能单一，不能同时实现燃气轮机的超温和超转保 护；

（2）采用的是模拟电子技术，没有智能化，不能实现自检和数据、事件记录和修改，仅适 用于平原地区，不能适应不同大气环境；

（3）另外抗电磁场、无线电干扰能力弱，稳定性不高；

（4）大多采用单通道温度限制器对燃气轮机进行保护，没有冗余措施，当限制器出现故 障时，将无法对燃气轮机进行可靠的保护。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种超温超转保护器，该超温超 转保护器采用冗余的设计方法，能同时进行温度、转速信号的采集，并且对采集到的信号进 行判断，当达到预先设定好的保护值时，发出保护信号。

一种超温超转保护器，包括了对温度和转速进行信号采集和处理的信号采集电路 板，以及执行保护动作的继电器系统；所述信号采集电路板上集成了电源处理单元、转速信 号单元、温度信号单元以及处理器单元；

所述电源处理单元，为各电路单元提供所需的工作电压；

所述温度信号单元，采集温度信号并进行信号处理，将处理后的温度信号传输到处理 器单元；

所述转速信号单元，采集转速信号并进行信号处理，将处理后的转速信号传输到处理 器单元；

所述处理器单元，负责整个保护器的协调运行，对采集到的信号做出判断，实现温度测 量、转速测量、信号发生、通讯、报警输出控制；

优选地，所述保护器采用冗余设计，所述信号采集电路板至少为两个，可提高保护器的 可靠性。

优选地，所述电源处理单元包括具有抗电磁干扰能力的电源以及抗EMC器件，可以 减小电源纹波及噪声干扰信号，实现较好抗电磁干扰能力，为后续电路芯片提供优质的电 源。

优选地，为了简化硬件单元，同时缩短响应时间，所述温度信号单元包括测温芯 片；所述测温芯片可以直接将外接温度信号由模拟量转换为数字量，并将所述数字量信号 输入处理器单元；

优选地，所述转速信号单元，接收来自外接转速的频率信号，先对输入信号进行整形， 将大幅值的正弦波信号限幅，经施密特触发器转化整形为适合微处理器IO端口电气性能的 方波信号；

优选地，所述处理器单元包括处理器；所述处理器为单片机，通过所述单片机对信号进 行处理并输出保护值信号；对历史泄油、停机数据进行保存，并读取，当出现过保护停机或 是泄油后，能够快速读取到停机或泄油时的数据，以便分析；可以通过上位机软件对所述保 护值进行设置修改，根据具体情况能够修改其设定的保护值，且修改方便快捷，满足各种环 境下的需求。

优选地，所述继电器系统包括泄油信号继电器单元和停机信号继电器单元；所述 泄油信号继电器单元接收处理器单元的泄油信号，执行泄油动作；所述停机信号继电器单 元接收处理器单元的停机信号，执行停机动作。

优选地，所述信号采集电路板为两块，进行双通道控制。两个通道的功能相同，任 一通道都能够同时对转速和温度信号进行采集处理；当其中一通道损坏时，另一通道仍然 工作，保护器不会出现误动作，仍然起到保护作用，提高了保护器的可靠性。

所述保护器还包括安装支架及保护器壳体。

优选地，所述安装支架包括继电器安装支架和信号采集电路板安装支架；所述保 护器壳体进行了屏蔽；所述保护器壳体上信号传输端子；所述信号传输端子为航空插座和/ 或接线端子。

优选地，所述保护器还包括用于检验该保护器运行状态的自检单元；所述自检单 元通过位于所述保护器壳体上的航空插座与保护器其他各电路单元连接。通过启动自检单 元，可以对保护器的状态进行实时的监控，能够在自检或维护时对保护器进行自检，确保保 护器正常工作，有效预防了因保护器故障导致不能实现超温超转保护的现象，提高了保护 器的稳定性，同时也提高了保护器故障排除的效率。

所述信号传输端子传输信号包括转速信号、通讯信号、自检信号、电源信号、继电 器信号；所述输传输温度信号的传输端子采用与外接热电偶配套的热电偶补偿材料。

优选地，所述保护器壳体上安装有使保护器失效的强制离线开关；在特殊情况能 够使保护器失效，即不起保护作用。

同时，本发明的另一目的在于提供一种该超温超转保护器的控制方法。本发明的 目的通过以下技术方案予以实现：

一种应用了上述超温超转保护器的控制方法，其步骤包括,:

S1、通过转速测量值判断燃气轮机是否超转，所处状态为启动状态还是运行状态，根据 结果判断是否需发出停机保护信号；

S2、根据燃气轮机所处状态，对其温度测量值进行判断是否超温；是否超出所设的保护 值，根据判断结果发出泄油或是停机保护信号。

超转超温的判断，是将测量值与预先通过上位机软件设定的保护值进行比较。

软件设计进行了软件冗余、容错设计。

优选地，所述转速测量值采用测量单脉冲频率，当记录的脉冲频率连续超过限制 值时才做出超转判断，以此提高测量精度和消除干扰噪声；使用单片机内部专用定时器、计 数器，记录定时时间内转速脉冲的数量来实现转速的测量。

优选地，所述温度测量值为对转换的A/D值进行多次去最小最大值后求出的平均 值；对温度测量值判断时，同时对温度的上升速率进行计算判定，可以实现温度的准确有效 测量，减小误判的可能性。

优选地，所述S2中，当燃气轮机处于起动状态时，只要任一通道超温或超转都进行 保护动作，这样即便保护器中有一条通道损坏，也不会影响其保护功能；当燃气轮机处于运 行状态时，需所有通道同时超温或超转才进行保护动作，这样可以根据实际情况最大程度 地保护燃气轮机。

所述保护值可通过软件进行修改设置。

所述软件在KEILMDKforARM环境下编写。优选地，软件功能按模块化编制，方便 后续的维护及修改升级。

为了确保软件程序运行的可靠性，优选地，开启独立看门狗。

本发明的有益效果：

本发明不仅科学设计并优化了各硬件单元及各硬件单元的结构关系，而且巧妙地设计 了软件控制流程，集可靠的起动泄油控制及起动和运行状态的超温超转保护功能于一体， 具有抗电磁、无线电干扰能力强，高精度的转速和温度测量功能，高灵敏性，以及适合各种 不同环境的特点。

具体来说，在软件上增加了符合实际情况的逻辑判断，根据具体情况能够修改其 设定的保护值，硬件上设计了温度信号单元和转速信号单元，克服了不能同时实现超温超 转保护的缺陷；使用软件功能强的处理器，当出现过保护停机或是泄油后，能够快速读取到 停机或泄油时的数据，以便分析，且修改方便快捷，满足各种环境下的需求，克服了现有技 术仅能适应单一的大气环境的缺陷；同时，针对抗电磁干扰进行了特别设计，电源部分进行 了隔离、滤波处理，并且增加了抗EMC器件，信号部分也进行了隔离滤波处理，并且在壳体上 进行了屏蔽，克服了现有技术抗干扰能力弱的缺陷；其软件上的冗余设计，容错设计，及自 检单元的设计，克服了现有技术可靠性低的缺陷；针对热电偶信号进行了专门的补偿处理， 包括热电偶的输入端子材料的定制，以及带冷端补偿功能的测温芯片的选择，大大提高了 温度测量的精度。并且，信号处理上进行了优化，使得其响应时间大大缩短，增强了其灵敏 性。

本发明不仅可以运用到燃气轮机领域，对于需要进行超温超转保护的其他领域也 同样适用。因此，具有重要的实际应用推广价值。

附图说明

图1为实施例1的外观示意图；

图2为实施例1的组成结构示意图；

图3为实施例1的工作原理示意图；

图4为实施例1的软件流程示意图；

图5为实施例1的自检单元结构示意图；

图6为实施例1的自检单元面板示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明， 表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实 施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员 来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图3所示，为实施例1的工作原理示意图。

所述超温超转保护器包括了电源处理单元、温度信号单元、转速信号单元、处理器 单元，以及继电器系统，所示继电器系统包括泄油信号继电器单元，停机信号继电器单元。

所述电源处理单元包括具有抗电磁干扰能力的电源以及抗EMC器件，为各单元提 供优质电源；

所述温度信号单元包括测温芯片；所述测温芯片直接将外接温度信号由模拟量转换为 数字量，并将所述数字量信号输入处理器单元；

所述转速信号单元，接收来自外接转速的频率信号，先对输入信号进行整形，将大幅值 的正弦波信号限幅，经施密特触发器转化整形为适合处理器单元的IO端口电气性能的方波 信号；

所述处理器单元为单片机，片内含ADC、DAC、高级定时器、计数器、外部中断、UART。通过 所述单片机对信号进行处理并输出保护值信号；对历史泄油、停机数据进行保存，并读取； 通过上位机软件对所述保护值进行设置修改；

所述泄油信号继电器单元收处理器单元的泄油信号，执行泄油动作；所述停机信号继 电器单元接收处理器单元的停机信号，执行停机动作。

上述电源处理单元、温度信号单元、转速信号单元、处理器单元集成于一块信号采 集电路板上，一块信号采集电路板可同时采集温度和转速信号并进行处理。

如图1~2所示，所述保护器采用冗余设计，包括了两块上述信号采集电路板，分别 为信号采集电路板A2和信号采集电路板B4，进行双通道控制。两块信号采集处理电路板之 间同时采集转速、温度信号；该转速信号为频率信号；温度信号为标准K型热电偶毫伏电压 信号。采集到信号后，处理器对信号作出逻辑判别，并且两通道间进行通讯，在满足设定条 件时，相应的继电器动作，从而起到保护燃机轮机的作用。

继电器系统安装在继电器安装支架上（图中未标出）。信号采集电路板A2和信号采 集电路板B4通过支撑柱3和安装螺钉12固定安装。所述继电器系统和两块信号采集电路板 组合成一套整体安装在铸铝保护器壳体6内。

保护器壳体6上设有盖板1，航空插座8和航空插座11，热电偶信号输入端子10，热 电偶输入端子的保护罩9，强制离线开关7。所述两个航空插座用于与外部的连接，其中航空 插座8传输转速信号、485通讯信号、自检信号，航空插座11传输电源信号、继电器信号。所述 热电偶信号输入端子10采用专门用于K型热电偶补偿导线的镍铬镍硅材质进行定制，确保 了热电偶信号的有效传输。强制离线开关7可以在特殊情况下的取消保护器的保护停车功 能。

所述保护器还包括自检单元。所述自检单元用于检验该保护器自身的运行状态； 所述自检单元通过位于所述保护器壳体上的航空插座8与保护器其他各电路单元连接。

在燃气轮机启动前，使用所述自检单元对保护器进行自检和维护。

如图5~6所示，自检单元上包含了两个按钮开关以及四个LED灯。两个按钮开关为 超温自检开关K1和超转自检开关K2，用于在设备启动前对超温超转保护器的自检功能，四 个LED灯分别代表超温LED1、超转LED2、泄油LED3、停车LED4。当发生了其中任意一种情况 时，对应情况的LED灯便点亮。可通过LED灯的亮与否，来判断所述保护器相应功能的好坏， 以此实现对所述保护器的超转功能进行自检。

当对所述超温超转保护器的超温功能进行自检时，按下超温自检开关K1，此时开 始自检，若对保护器输入了超温信号，那么超温的LED灯将会亮，泄油或停车的灯也会亮，否 则，所述保护器超温保护功能发生故障。按下超转自检开关K2，同理，对所述保护器的超转 保护功能进行自检。

如图4所示，为实施例1的软件流程示意图，软件设计进行了软件冗余、容错设计。 其控制流程如下，

S1、通过转速测量值判断燃气轮机是否超转，所处状态为启动状态还是运行状态，根据 结果判断是否需发出停机保护信号。

（1）程序开始时，先进行复位，对各模块单元及IO口进行初始化；

（2）为了确保软件程序运行的可靠性，开启独立看门狗，判断看门狗是否溢出；若看门 狗溢出，则重新进行复位，否则清零看门狗；

（3）进行转速测量，判断是否超速；若超速，则断电停机；断电停机后，延迟2S，恢复供 电；返回到查看看门狗是否溢出，如此循环；

否则，判断是否处于启动状态；所述燃气轮机的状态根据转速来判断，当转速小于特定 值时，保护器认为燃气轮机处于启动状态；当转速达到特定值时，保护器认为燃气轮机处于 运行状态。

S2、根据燃气轮机所处状态，对其温度测量值进行判断是否超温；是否超出所设的 保护值，根据判断结果发出泄油或是停机保护信号。

（1）若处于启动状态，则进行温度测量；判断温度是否高于保护值一A1；

若温度高于保护值一A1，则断电停机；断电停机后，延迟2S，恢复供电；返回到查看看门 狗是否溢出，如此循环。

若没有高于保护值一A1，则判断是否高于保护值二A2；

若高于设保护值二A2，则开启泄油，开启泄油后，判断温度是否低于保护值三A3；若没 有高于保护值二A2，则直接判断温度是否低于保护值三A3；

若温度低于保护值三A3，则关闭泄油，再返回到查看看门狗是否溢出，如此循环。若没 有低于保护值三A3，则直接返回到查看看门狗是否溢出，如此循环。

（2）若没有处于启动状态，则进行温度测量；判断温度是否高于保护值四；

若温度高于保护值四A4，则断电停机；断电停机后，延迟2S后，恢复供电；返回到查看看 门狗是否溢出，如此循环。

若温度不高于保护值四A4，判断是否低于保护值五A5；

若低于保护值五A5，则关闭泄油后，再判断是否按下了自检按键；若不低于保护值五 A5，则直接判断是否按下了自检按键；

若按下了自检按键，则启动自检后，再判断是否接收到通讯信息；若没有按下自检按 键，则直接判断是否接收到通讯信息；

若接收到通讯信息，则进行通讯处理后，再返回到查看看门狗是否溢出，如此循环。若 没有接收到通讯信息，则直接返回到查看看门狗是否溢出，如此循环。

该超温超转保护器的两个通道间进行实时的数据通讯。在燃气轮机启动状态时， 只要有一个通道达到了保护值，便进行保护停机。当燃气轮机运行状态时需要两个通道同 时达到保护值，才进行保护停机。

所述保护值可通过软件进行修改设置。

软件编写采用KEILMDKforARM集成开发环境完成软件编写、编译、调试。软件功 能按模块化设计思想编制，有利于后续的维护及修改升级。转速测量采用测量单脉冲频率， 使用处理器内部专用定时计数捕获中断功能的硬件模块实现脉宽的测量，进行软件滤波后 输出，当测量的频率连续超限时才做出超转判断，提高了测量精度和消除干扰噪声。温度测 量采用对转换的AD值进行多次去最小最大值求平均值实现温度的准确有效测量，对温度的 上升速率进行一定的计算判定，减小误判断的可能性。

本发明已通过实验室测试，模拟应用，并实际应用于某地面燃气轮机，应用效果良 好，完全满足了燃气轮机对启动控制、超温超转保护的应用需求。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是 对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还 可以做出其它不同形式的变化或变动。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。