曾衛(wèi)東，胡 波，宋誠(chéng)驍，王 賓

（1.西安熱工研究院有限公司，西安 710054；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211002）

汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）主要由液壓伺服系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成，其中電液（E/H）轉(zhuǎn)換器是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分[1]。當(dāng)前，高壓抗燃油電調(diào)系統(tǒng)普遍采用噴嘴擋板式伺服閥作為電液（E/H）轉(zhuǎn)換器，低壓透平油系統(tǒng)則更多采用直接驅(qū)動(dòng)式伺服閥（DDV 閥）進(jìn)行電液（E/H）轉(zhuǎn)換[2]。DEH 系統(tǒng)為了能夠滿足閥門開(kāi)度的閉環(huán)控制，通常通過(guò)LVDT 傳感器進(jìn)行閥門位置采樣作為閥位反饋，參與伺服控制模塊內(nèi)的PID 運(yùn)算[3-6]。

在某電廠350 MW 機(jī)組進(jìn)行自主可控DCS 及DEH 一體化改造過(guò)程中，遇到了DEH 閥位控制模塊與機(jī)組原電液（E/H）轉(zhuǎn)換器及油系統(tǒng)的兼容性問(wèn)題。該機(jī)組為進(jìn)口三菱重工老式機(jī)組，采用的電液轉(zhuǎn)換器與常規(guī)的噴嘴擋板式伺服閥或DDV 閥有所區(qū)別。該系統(tǒng)直接輸出控制脈動(dòng)油壓反饋信號(hào)（4～20 mA）作為閥位PID 的實(shí)測(cè)值（PV），常規(guī)的伺服控制模塊采用LVDT 位移傳感器作為PV 值，不能直接將油壓信號(hào)作為PV 值；且該電液（E/H）轉(zhuǎn)換器接收驅(qū)動(dòng)電流范圍為0～250 mA，常規(guī)伺服控制模塊一般輸出電流范圍最大為-40～40 mA，無(wú)法滿足，因此需要進(jìn)行針對(duì)性的適配改造。

1 改造前系統(tǒng)概況

該機(jī)組使用的是三菱重工高砂制作所制造的型號(hào)為TC2F-40.5，系單軸、雙缸、雙排汽、單背壓純凝汽、反動(dòng)式汽輪機(jī)[7-8]，迄今已使用了三十余年。

本次控制系統(tǒng)自主可控改造涉及DCS 及DEH部分，DEH 系統(tǒng)中僅改造電控部分，油系統(tǒng)不做改造。該機(jī)組原有的閥位控制卡件型號(hào)為OMRON 的PAC-VC01，需通過(guò)硬接線4～20 mA 信號(hào)接收控制器閥位指令。若保留該卡件，直接利用改造后的控制器通過(guò)硬接線下發(fā)指令，由于模擬量輸出DAC 及輸入ADC 的處理時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，容易導(dǎo)致整個(gè)閥門控制系統(tǒng)慣性增大，影響控制品質(zhì)，因此該模塊也應(yīng)更換為DEH 控制器配套的自主可控伺服控制模塊。

但由于該三菱機(jī)組油系統(tǒng)伺服閥在接收指令、閥位反饋等方面異于現(xiàn)今常見(jiàn)的噴嘴擋板式伺服閥或DDV 閥，標(biāo)準(zhǔn)伺服控制模塊無(wú)法兼容于該機(jī)組，因此本次自主可控改造需對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行適配改造。

2 配套標(biāo)準(zhǔn)伺服控制模塊介紹

本次自主可控DCS 改造所使用的產(chǎn)品，配套的標(biāo)準(zhǔn)版伺服控制模塊的基本情況如下：2 路LVDT采樣通道（三線制或六線制），2 路-40～40 mA 伺服電流輸出，具備閥位優(yōu)選、斷線檢測(cè)、閉環(huán)控制、自動(dòng)標(biāo)定等功能。

伺服控制模塊基本原理如圖1所示。LVDT 副邊電壓差值作為L(zhǎng)VDT 采樣輸入，經(jīng)過(guò)零點(diǎn)和滿點(diǎn)標(biāo)定后，通過(guò)閥位計(jì)算公式（1）得到實(shí)際閥門開(kāi)度：

圖1 標(biāo)準(zhǔn)版伺服控制模塊基本原理Fig.1 Fundamental of the standard version of the servo control module

式中：VL為實(shí)際全關(guān)閥門時(shí)，測(cè)得的LVDT 上下副邊線圈的電壓有效值差值，即零點(diǎn)標(biāo)定值；VH為實(shí)際全開(kāi)閥門時(shí)，測(cè)得的上下副邊線圈的電壓有效值差值，即滿點(diǎn)標(biāo)定值；Vn為當(dāng)前閥位測(cè)得的電壓差值。

2 路LVDT 所計(jì)算的閥位需經(jīng)閥位優(yōu)選功能，獲取選擇后的閥門開(kāi)度。閥位優(yōu)選邏輯如圖2所示，在2 路LVDT 采樣品質(zhì)均正常時(shí)按參數(shù)配置中的高選/低選/平均進(jìn)行處理，若1 路LVDT 采樣斷線，另1 路正常，則取該正常值，若2 路均斷線，則進(jìn)入故障安全邏輯[9-11]。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)版伺服控制模塊閥位優(yōu)選邏輯Fig.2 Logic of valve position optimization of the standard version of the servo control module

實(shí)際閥門開(kāi)度與DPU 下發(fā)的閥位指令取偏差后進(jìn)入PI 運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果即伺服輸出值，通過(guò)2 個(gè)D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為-40～40 mA 的伺服電流輸出，用于控制伺服閥電液（E/H）轉(zhuǎn)換器，直至實(shí)際閥門開(kāi)度與閥位指令偏差小于控制死區(qū)。

3 伺服控制模塊改造方案

自主可控DCS 產(chǎn)品配套的標(biāo)準(zhǔn)版伺服控制模塊不具備直接控制該三菱機(jī)組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器的條件，主要原因有：

（1）閥位輸入只支持雙路LVDT 采樣，不支持4～20 mA 直流量，無(wú)法獲取PI 回路的實(shí)測(cè)值（PV），無(wú)法進(jìn)行閥位閉環(huán)控制。

（2）伺服控制輸出范圍不匹配，默認(rèn)輸出范圍最大為-40～40 mA，該三菱機(jī)組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電流為0～250 mA。

（3）電流變化方向與閥門開(kāi)閉方向不匹配，伺服控制模塊默認(rèn)正電流增大方向?qū)?yīng)閥門關(guān)閉，負(fù)電流增大方向?qū)?yīng)閥門打開(kāi)（與常規(guī)噴嘴擋板式伺服閥或DDV 閥匹配），該三菱機(jī)組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器則為正電流增大方向?qū)?yīng)閥門打開(kāi)。

（4）自動(dòng)標(biāo)定步驟中，伺服輸出值在正反向切換時(shí)，閥門存在驟開(kāi)或驟關(guān)情況，該三菱機(jī)組屬于已運(yùn)行三十多年的老機(jī)組，應(yīng)盡量減少這種操作，延長(zhǎng)閥門壽命。

針對(duì)上述情況，需要對(duì)伺服控制模塊進(jìn)行針對(duì)性改造。硬件方面，不改動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)伺服控制模塊的硬件，通過(guò)增加伺服控制從模塊和電流放大模塊，達(dá)到功能擴(kuò)充的目的；軟件方面調(diào)整閥位計(jì)算及伺服輸出邏輯，從而達(dá)到適配該三菱機(jī)組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器的效果。

3.1 閥位輸入調(diào)整

該三菱機(jī)組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器提供的閥位信號(hào)實(shí)際是油壓信號(hào)（4～20 mA），且目前每個(gè)電液（E/H）轉(zhuǎn)換器僅提供1 路?？紤]到未來(lái)可能增加1 路油壓信號(hào)，因此伺服控制模塊應(yīng)至少具備2 路毫安（mA）量AI 接口。由于標(biāo)準(zhǔn)伺服控制模塊PCB 電路設(shè)計(jì)上已經(jīng)沒(méi)有空間擴(kuò)充2 路毫安（mA）量的AI 接口，因此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了專用的伺服控制從模塊，作為主模塊的擴(kuò)展模塊使用。從模塊通過(guò)控制器下發(fā)的使能參數(shù)投退，除擴(kuò)充AI 接口外，還提供了AO、DI、DO等接口，方便后續(xù)功能擴(kuò)展。主從模塊之間通過(guò)I/O底座之間的背板總線進(jìn)行通訊，從模塊將采集到的電流信號(hào)送給主模塊?？刂破餍略觥伴y位通道類型”參數(shù)下發(fā)，選擇“LVDT”類型時(shí)采用原邏輯進(jìn)行閥位計(jì)算，選擇“AI”類型時(shí)采用從模塊采集的直流量信號(hào)進(jìn)行閥位計(jì)算。直流量信號(hào)通過(guò)公式（2）計(jì)算實(shí)際閥位，零點(diǎn)和滿點(diǎn)直接采用4 mA 和20 mA 即可：

對(duì)于該三菱機(jī)組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器而言，閉環(huán)控制的實(shí)測(cè)值（PV）和設(shè)定值（SP）都是油壓百分比信號(hào)，并非實(shí)際的閥門開(kāi)度，因此對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的顯示描述要進(jìn)行修改，防止誤導(dǎo)運(yùn)行人員。

改造后的伺服控制模塊基本原理及閥位優(yōu)選邏輯分別如圖3和圖4所示。

圖3 改造后的伺服控制模塊基本原理Fig.3 Fundamental of the modified servo control module

圖4 改造后的伺服控制模塊閥位優(yōu)選邏輯Fig.4 Logic of valve position optimization of the modified servo control module

3.2 PI 算法調(diào)整

由于該機(jī)組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器接收的伺服電流直接作用于E/H 油壓，油壓越高則閥門開(kāi)度越大，且由于伺服電流均為正電流，因此可以認(rèn)為伺服正電流增大方向?qū)?yīng)閥門打開(kāi)，正電流減小方向?qū)?yīng)閥門關(guān)閉。而伺服控制模塊默認(rèn)適配的電液（E/H）轉(zhuǎn)換器為常規(guī)噴嘴擋板式伺服閥或DDV 閥形式，伺服電流輸出存在正電流和負(fù)電流，在不考慮零位偏置的前提下，正電流增大方向?qū)?yīng)閥門關(guān)閉，負(fù)電流增大方向?qū)?yīng)閥門打開(kāi)，與該三菱機(jī)組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器的情況相反。

為了適配該三菱機(jī)組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器，同時(shí)不能影響伺服控制模塊原有的功能，適配過(guò)程中新增了一個(gè)參數(shù)“電流上限方向是否對(duì)應(yīng)開(kāi)閥”，用于切換兩種使用場(chǎng)景。通過(guò)控制器下發(fā)該參數(shù)，當(dāng)選擇“否”時(shí)，閥位閉環(huán)控制PI 算法中的偏差E=PV-SP，即采用實(shí)測(cè)值減去設(shè)定值的偏差，PI 運(yùn)算后輸出伺服電流滿足常規(guī)噴嘴擋板式伺服閥或DDV 閥的使用場(chǎng)景，即正電流增大方向?qū)?yīng)閥門關(guān)閉，負(fù)電流增大方向?qū)?yīng)閥門打開(kāi)；當(dāng)選擇“是”時(shí)，閥位閉環(huán)控制PI 算法中的偏差E=SP-PV，即采用設(shè)定值減去實(shí)測(cè)值的偏差，PI 運(yùn)算后輸出伺服電流滿足該三菱機(jī)組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器的使用場(chǎng)景，即正電流增大方向?qū)?yīng)閥門打開(kāi)，正電流減小方向?qū)?yīng)閥門關(guān)閉。

3.3 自動(dòng)標(biāo)定算法調(diào)整

該自主可控DCS 配套伺服控制模塊具備自動(dòng)標(biāo)定閥位的功能。該功能啟用時(shí)，伺服控制模塊會(huì)按照“預(yù)關(guān)閥”、“開(kāi)閥”、“關(guān)閥”的順序，依次輸出40 mA，-40 mA，40 mA 的伺服電流，每一步序執(zhí)行一段時(shí)間后判斷閥門是否穩(wěn)定，穩(wěn)定則記錄當(dāng)前LVDT副邊電壓有效值差值作為零位或滿位值，進(jìn)行閥位標(biāo)定[12-15]。

對(duì)于該三菱機(jī)組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器的特殊情況，應(yīng)該對(duì)自動(dòng)標(biāo)定算法進(jìn)行適配修改。2.2 節(jié)已經(jīng)對(duì)電流變化方向?qū)τ陂_(kāi)閥關(guān)閥的影響進(jìn)行了說(shuō)明，該問(wèn)題在自動(dòng)標(biāo)定時(shí)也存在。因此，對(duì)于該三菱機(jī)組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器，啟用自動(dòng)標(biāo)定時(shí)，伺服控制模塊輸出的電流值應(yīng)該依次為0 mA，250 mA，0 mA。同時(shí)，由于這種情況下每一步之間電流變化幅度較大，對(duì)于卡件硬件、電液（E/H）轉(zhuǎn)換器及閥門本體的壽命可能有影響，為此，額外增加了自動(dòng)標(biāo)定過(guò)程中的電流變化率限制，使自動(dòng)標(biāo)定時(shí)伺服電流輸出更加平滑，保護(hù)設(shè)備，延長(zhǎng)使用壽命。

3.4 伺服輸出范圍調(diào)整

自主可控DCS 配套伺服控制模塊的伺服電流輸出范圍最大為-40～40 mA，而該三菱機(jī)組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器接收伺服電流范圍為0～250 mA，存在不匹配的問(wèn)題。由于硬件能力限制，僅靠伺服控制模塊本身無(wú)法繼續(xù)提高電流輸出。因此，開(kāi)發(fā)了專用的電流放大擴(kuò)展模塊，電流轉(zhuǎn)換比例為固定的6.25 倍。實(shí)際使用時(shí)，將伺服控制模塊的伺服輸出端子接線至電流放大擴(kuò)展模塊的輸入端，電流放大擴(kuò)展模塊的輸出端接線至電液（E/H）轉(zhuǎn)換器即可。同時(shí)在伺服控制模塊程序中，將伺服電流下限從-40 mA 修改為0 mA，上限保持40 mA 不變，此時(shí)，伺服電流輸出范圍就等比例擴(kuò)大到了0～250 mA，滿足該三菱機(jī)組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器使用需求。為了提高可靠性，電流放大擴(kuò)展模塊還提供一副繼電器觸點(diǎn)，接入擴(kuò)展從模塊的DI 通道，用于表征電流放大擴(kuò)展模塊的電流輸出是否斷線，用于監(jiān)視和報(bào)警。

4 應(yīng)用情況

自主可控DCS 配套伺服控制模塊對(duì)于該三菱機(jī)組電液（E/H）轉(zhuǎn)換器的適配改造工作，主要通過(guò)修改內(nèi)置應(yīng)用程序、增加擴(kuò)展從模塊和電流放大擴(kuò)展模塊的方式進(jìn)行，最終形成了3 塊模塊共同組成1 套伺服控制系統(tǒng)的組合，具體形式如圖5所示。伺服控制模塊用于接收上位機(jī)閥位（油壓）指令，接收從模塊通訊過(guò)來(lái)的油壓信號(hào)反饋，并進(jìn)行PI 運(yùn)算，輸出0～40 mA 的伺服電流至電流放大模塊，電流放大模塊將其轉(zhuǎn)化為0～250 mA 的實(shí)際控制電流輸出至電液（E/H）轉(zhuǎn)換器，同時(shí)電流放大模塊的輸出斷線報(bào)警接入擴(kuò)展從模塊，并通過(guò)背板通訊方式送至主模塊，由主模塊上送給DPU。

圖5 改造后的伺服控制系統(tǒng)示意圖Fig.5 System diagram of the modified servo control module

利用適配改造完成后的伺服控制系統(tǒng)，在該機(jī)組進(jìn)行了閥門階躍響應(yīng)測(cè)試，如圖6所示。從測(cè)試曲線看出，閥門控制響應(yīng)動(dòng)態(tài)特性良好，控制品質(zhì)相較改造前有較大提升。

圖6 改造后的閥門階躍響應(yīng)測(cè)試曲線Fig.6 Step response test curve of the modified servo control module

該套系統(tǒng)已于2020年11月在該電廠得到應(yīng)用，適配情況良好，穩(wěn)定運(yùn)行中。

5 結(jié)語(yǔ)

該三菱350 MW 機(jī)組年代較為久遠(yuǎn)，使用的電液（E/H）轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)今常見(jiàn)的噴嘴擋板式伺服閥或DDV 閥都有所區(qū)別，進(jìn)行DEH 系統(tǒng)改造時(shí)，配套標(biāo)準(zhǔn)伺服控制模塊無(wú)法直接使用，故從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了適配改造：

（1）閥位輸入調(diào)整。開(kāi)發(fā)擴(kuò)展從模塊接入直流量信號(hào)作為閥位輸入，調(diào)整閥位優(yōu)選邏輯。

（2）PI 算法調(diào)整。修改PI 算法中偏差的計(jì)算方式，適配電流變化與閥門開(kāi)閉之間的關(guān)系。

（3）自動(dòng)標(biāo)定算法調(diào)整。修改自動(dòng)標(biāo)定邏輯，增加電流變化速率限制，延長(zhǎng)閥門壽命。

（4）伺服輸出范圍調(diào)整。開(kāi)發(fā)電流放大模塊，對(duì)伺服電流進(jìn)行等比例放大，適配電液（E/H）轉(zhuǎn)換器的輸入特性。

最終，在原自主可控DCS 產(chǎn)品的配套標(biāo)準(zhǔn)版伺服控制模塊基礎(chǔ)上，通過(guò)修改應(yīng)用程序以及開(kāi)發(fā)擴(kuò)展從模塊和電流放大模塊的方式，形成了3 塊模塊共同組成1 套伺服控制系統(tǒng)的組合，用于1 套電液（E/H）轉(zhuǎn)換器的油壓閉環(huán)控制。這種組合形式的改造方案，無(wú)需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)版伺服控制模塊硬件進(jìn)行改動(dòng)，僅需根據(jù)伺服閥特性，選擇選配擴(kuò)展模塊或電流放大模塊，輔以軟件層面的升級(jí)，具備較高的靈活性和工程應(yīng)用價(jià)值。適配改造完成后，機(jī)組運(yùn)行情況良好。本次適配改造的成功實(shí)施，為國(guó)內(nèi)其他類似機(jī)組的改造提供了借鑒意義。