專利名稱：水輪機調(diào)速器的微機控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種水力發(fā)電機組的配套設備，確切地說，涉及一種水電站的水輪機調(diào)速器的微機控制器，屬于非電變量的流量自動控制裝置技術領域。
水輪機、發(fā)電機、調(diào)速器是水力發(fā)電站的三大關鍵設備，其中調(diào)速器是用于控制水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速的自動控制設備，它由控制器和執(zhí)行機構(gòu)兩部分組成，用于確保水電站輸出電能負荷均衡和供電可靠。目前我國生產(chǎn)和正在使用的水輪機調(diào)速器，大部分為機械液壓調(diào)速器，小部分為電液調(diào)速器和由8位CPU構(gòu)成的單片微機或單板機控制的調(diào)速器。前者采用機械液壓方法實現(xiàn)調(diào)速自動控制，其中采樣、控制、決策等控制部件都由機械或液壓部件完成，控制精度低、穩(wěn)定性差、功能簡單、維修困難，甚至沒有備件可以更換。后者主要以運算放大器或八位CPU作基礎元件，同樣存在功能少、線路繁雜和可靠性低等缺陷。
本實用新型的目的是提供一種以準16位CPU為核心器件的水輪機調(diào)速器的微機控制器，用于替換上述機械液壓調(diào)速器、電液調(diào)速器或八位微機調(diào)速器的控制器部分，再與原調(diào)速器的執(zhí)行機構(gòu)組成準16位微機控制的調(diào)速器。
本實用新型是這樣實現(xiàn)的包括有液壓組件與準16位CPU為核心的控制電路，其特征在于其中液壓組件是由分別用作機電切換閥和手自動切換閥的兩個二位三通電磁閥以及用作電液轉(zhuǎn)換器的一個三位四通電磁閥所組成，該液壓組件應安裝在調(diào)速器的引導閥前端壓力油與控制油兩條液壓管路上；其中控制電路包括有8098準16位CPU芯片，以監(jiān)測水輪機轉(zhuǎn)速快慢的測速電路和分別監(jiān)測輔助接力器、主接力器和開限機構(gòu)位移的三個位移傳感器構(gòu)成的8098輸入電路，由通用邏輯陣列芯片和ROM、EEP-EOM、RAM芯片構(gòu)成的地址譯碼、鎖存及存儲電路，由數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成的8098輸出驅(qū)動電路和由可編程鍵盤/顯示接口芯片與兩個可編程外設接口芯片組成的開關量輸出/輸入接口構(gòu)成的外圍接口電路；其中8098輸出驅(qū)動電路的輸出端接至液壓組件中電液轉(zhuǎn)換器的電信號輸入端。
控制電路中設有MC3486、MC3487兩個RS422串行通信接口芯片作為其與上位機實現(xiàn)遠距離通信接口。
控制電路中選用DAC1230數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片作為其數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出接口。
控制電路中的數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出接口中設置有由多個TL082、OP07、555芯片、達林頓功放驅(qū)動電路及多個開關構(gòu)成的不同輸出通道。
上述液壓組件可以是只有一個用作電液轉(zhuǎn)換器的三位四通電磁閥。
上述液壓組件中的電液轉(zhuǎn)換器可以是比例閥，也可以是伺服閥，還可以是位移輸出的電液轉(zhuǎn)換器。
上述液壓組件的各個閥的入油口應與調(diào)速器引導閥前端的壓力油管路連通，而這些閥的回油口可以經(jīng)過引導閥構(gòu)成通路，也可以直接連接自行閉合而與引導閥脫離連接。
本實用新型的特點是選用8098準16位CPU作為控制電路的核心，再配以液壓組件和相關位移傳感器、測速電路和其他輸出/輸入控制電路，就可將原水輪機調(diào)速器改造成為功能齊全、通用性強、工作穩(wěn)定可靠的微機控制調(diào)速器。由于8098芯片本身帶有高速輸入口、高速輸出口、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和串行通信等接口，使得其外圍電路大為簡化，不僅可以拓寬豐富本實用新型的控制功能，滿足不同水電機組中不同型號調(diào)速器的多種需求，具有很強的通用性；又能克服原來的8位CPU芯片功能較少，必須在其外圍增設各種繁瑣控制接口電路而引起的電路復雜、穩(wěn)定性差的缺陷。本實用新型配設有兩塊完全相同的控制電路主機板，互為熱備用，以確保工作穩(wěn)定可靠。該裝置還設有串行通信接口，可以配置PC機作其上位機，為電站控制中心的PC機實現(xiàn)遠距離集中控制提供了硬件環(huán)境。這樣，上位機就可以同屏多機組、同屏多參數(shù)、多窗口、多菜單及圖象方式實時反映調(diào)速器及發(fā)電機組的工況，為水電站實現(xiàn)計算機自動控制提供了重要裝備。本實用新型另一特點是通用性強，該裝置的設計充分考慮到我國中小型水力發(fā)電站的機組設置繁雜混亂現(xiàn)狀，不僅可以替換原調(diào)速器的控制部分，使調(diào)速器實現(xiàn)準16位微機控制；也可以將本實用新型與原來的機械液壓調(diào)速器或電液調(diào)速器并聯(lián)運行、互為備用，使電站可以用較低的投資費用、較少的技術改動而提高發(fā)電機組的技術性能和安全可靠性，獲取最大的效益。該裝置既可以用于改造T-100、ST-100、T-100A、ST-100A、CT-40、YT-3000、YT-1800等機械液壓調(diào)速器，也可以用于改造DT、YDT等系列的電氣液壓調(diào)速器，還可以與新近制造的水輪機調(diào)速器整機配套使用。該裝置體積小、重量輕，攜帶、安裝都很簡單、方便。
以下結(jié)合附圖，具體介紹本實用新型的結(jié)構(gòu)和工作原理。


圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)原理框圖。
圖2是本實用新型用于機械液壓調(diào)速器時的液壓系統(tǒng)原理圖。
圖3是本實用新型用于電氣液壓調(diào)速器時的液壓系統(tǒng)原理圖。
圖4是本實用新型的控制電路原理框圖。
圖5是本實用新型控制電路中CPU及其接口電原理圖。
圖6是本實用新型控制電路中D/A轉(zhuǎn)換輸出電原理圖。
參見圖1，本實用新型是水輪機調(diào)速器中的控制器部分，其結(jié)構(gòu)組成如圖中虛線框內(nèi)所示。其控制原理是微型計算機通過采集水輪發(fā)電機組的工作轉(zhuǎn)速F、主接力器的位移信號Y、輔助接力器的位移信號YF以及與事先給定的水輪發(fā)電機組工作轉(zhuǎn)速F0等數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行計算機處理，給出一個控制電液轉(zhuǎn)換器(比例閥或伺服閥)的電信號(例如電壓值)，由該電信號決定電液轉(zhuǎn)換器(圖2、3所示為比例閥)的開關動作及開啟量的大?。煌瑫r，該電液轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)換為液壓流量信號控制輔助接力器的運動方向，再由輔助接力器經(jīng)過主配壓閥進行液壓放大，控制主接力器移動而改變其開口大小，從而實現(xiàn)對水輪機轉(zhuǎn)速的控制。圖1中虛線框外部分為水輪機調(diào)速器的原執(zhí)行機構(gòu)，本實用新型主要是對調(diào)速器的控制器進行技術改造，包括有液壓組件(由比例閥或伺服閥或位移式輸出液壓閥構(gòu)成的電液轉(zhuǎn)換器)、微機控制電路和由若干位移傳感器與測速電路組成的反饋電路(也即計算機輸入電路)。對于調(diào)速器的原執(zhí)行機構(gòu)仍可繼續(xù)使用而發(fā)揮其功效。本實用新型是集計算機技術、微電子技術和液壓技術于一體的機電一體化設備，是運用現(xiàn)代信息技術和控制理論的高科技產(chǎn)品，也是運用先進電子技術改造傳統(tǒng)機電設備，少化錢、辦實事、挖潛增產(chǎn)的又一成果。
本實用新型主要由液壓部分(參見圖2、圖3)和控制電路(參見圖4、圖5、圖6)兩部分構(gòu)成，下面分別闡述其組成結(jié)構(gòu)及工作原理。
參見圖2所示的用于機械液壓調(diào)速器時的本實用新型中液壓組件結(jié)構(gòu)。該液壓組件主要由分別用作機電切換閥和手自動切換閥的兩個二位三通電磁閥V1、V2和一個用作電液轉(zhuǎn)換器—比例閥的三位四通電磁閥V3所構(gòu)成，并安裝在調(diào)速器引導閥V4前端的壓力油Ps與控制油T′兩條液壓管路上，各個電磁閥之間的液壓管路連接方式如圖所示。圖中V5為主配壓閥，G1為輔助接力器，G2為主接力器，M為水輪發(fā)電機，MC為微機控制電路，M1、M2分別為輔助接器G1和主接力器G2的位移傳感器，F(xiàn)為測速電路。該液壓組件有三種工作方式(1)原機械調(diào)速器的自動運行方式此時，手自動切換閥V2斷電，其閥芯處于b側(cè)自動狀態(tài)，即壓力油的P口與B口斷開；比例閥V3也斷電，其閥芯處于中間位置，P口與A口斷開。然后將機電切換閥V1切換到a側(cè)，即其P口與A口相連通，壓力油從A口經(jīng)A′口至引導閥V4，再經(jīng)B′到T′及輔助接力器G1。這樣就通過引導閥V4實現(xiàn)原機械調(diào)速器的自動運行。(2)利用本實用新型的微機控制調(diào)速運行方式此時，用戶應交將手自動切換閥V2切換到自動一側(cè)(即b側(cè))，將機電切換閥V1切換到電動一側(cè)(b側(cè))，這樣，機電切換閥V1的壓力油P口與A口斷開，手自動切換閥V2的P口與B口斷開，壓力油只有通過比例閥V3方可進入輔助接力器G1，這時，就可以通過本實用新型的微機控制電路對比例閥V3的閥芯位置和位移量進行調(diào)節(jié)控制，從而實現(xiàn)對調(diào)速器的自動控制了。(3)手動控制方式此時，只需將手自動切換閥V2通電，使其閥芯處于a側(cè)手動狀態(tài)，則壓力油P口與B口接通，壓力油可以直接經(jīng)過手自動切換閥V2進入輔助接力器，實現(xiàn)對調(diào)速器的手動控制。從上面闡述也可知悉，所以要設置機電切換閥V1和手自動切換閥V2是為了適應機械液壓調(diào)速器的不同工況需求既可將其液壓組件自行閉合構(gòu)成回路，直接利用本實用新型的微機控制器調(diào)速；也可將液壓組件與引導閥連通，利用與本實用新型并聯(lián)相接的原機械調(diào)速器控制部分進行調(diào)速，本實用新型則處于備用狀態(tài)；還可利用手動直接調(diào)速；為用戶提供了盡可能多的工作方式選擇。對于電液調(diào)速器的控制器液壓組件(參見圖3)，本實用新型只配置了一個三位四通電磁閥V6作為電液轉(zhuǎn)換器比例閥，由本實用新型的微機控制電路對該比例閥V6的閥芯位置及位移量進行調(diào)節(jié)控制，以實現(xiàn)調(diào)速器的自動控制。
參見圖4，本實用新型的控制電路包括有8098準16位CPU芯片，以監(jiān)測水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速的測速電路和分別監(jiān)測輔助接力器，主接力器和開限機構(gòu)位移的三個位移傳感器構(gòu)成的8098輸入電路，由通用邏輯陣列芯片GAL20V8、地址鎖存器芯片373和ROM27512、EEPROM2864、RAM6264等芯片構(gòu)成的地址譯碼、鎖存及存儲電路，由數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC1230等構(gòu)成的8098輸出驅(qū)動電路，由可編程鍵盤/顯示接口芯片8279與兩個可編程外設接口芯片8255組成的電站機組其他裝置開關量輸入/輸出接口構(gòu)成的外圍接口電路，以及由兩個串行通信接口芯片MC3486、MC3487構(gòu)成的與上位機實現(xiàn)遠距離通信的RS422串行通信接口。
圖5、圖6具體描述了本實用新型控制電路的實施例的電原理圖。其工作原理簡述如下水輪發(fā)電機的工作轉(zhuǎn)速經(jīng)測速電路監(jiān)測整形轉(zhuǎn)化為矩形波，經(jīng)8098高速輸入口(HSI)送入8098芯片，同時三個位移傳感器也將輔助接力器、主接力器和開限機構(gòu)的位移量轉(zhuǎn)化為電壓信號送至8098的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入口(ACH)，8098芯片會自動將其電壓值轉(zhuǎn)換成相應數(shù)碼值，并存入其內(nèi)部存儲器，并用讀取指令直接讀取。此時，CPU便可根據(jù)人們事先編制的控制律程序，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、運算，得出比例閥是否需要位移、位移方向及位移大小的控制信息，這個控制信息是數(shù)字量，CPU將該數(shù)字量控制信號直接輸出至數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片DAC1230構(gòu)成的輸出驅(qū)動電路，由D/A轉(zhuǎn)換芯片將其轉(zhuǎn)換成相應的電壓信號，并用該電壓直接驅(qū)動電液轉(zhuǎn)換器—比例閥V3或V6。而比例閥V3、V6(或伺服閥)則是一個電液轉(zhuǎn)換裝置，它會根據(jù)輸入的電壓信號通過位移轉(zhuǎn)化為流量信號來控制輔助接力器，進而調(diào)整水輪機轉(zhuǎn)速及發(fā)電機組的輸出電力頻率。
如同本實用新型中的液壓組件能夠適應多種工況，其控制電路的硬件設計也具有很強的兼容特性，可針對不同用戶、不同機型而選用不同通道完成各種不同類型調(diào)速器的控制。其中尤以D/A轉(zhuǎn)換輸出電路最為突出。
例如(參見圖6)，對于流量輸出的電液轉(zhuǎn)換器，應將開關K1合上，K2、K6斷開。這時從D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出的幅度為0～5V之間電壓信號經(jīng)0P07芯片反向變成0～-5V電壓，該信號與其8腳輸出的參考電壓+5V疊加及TL082反向后成為-5V～+5V電壓。這時該信號驅(qū)動的如是伺服閥，因其驅(qū)動功率大，應將開關K4的1～2、K5接通，使該電壓信號又經(jīng)TL082及T1、T2構(gòu)成的達林頓功放管送給電液伺服閥。由于伺服閥精度高，易卡死，本控制電路又利用555構(gòu)成振蕩電路，合上開關K3，將該振蕩信號送給伺服閥，使之可以隨時動作。如果驅(qū)動的是比例閥，因其驅(qū)動功率小，只需將開關K4的2～3接通，不必經(jīng)功放電路而直接將輸出電壓送給比例閥；又因比例閥的閥心工作要求精度不高，不需振蕩信號，故可將開關K3斷開。而對于以前裝設的使用位移式輸出的電液轉(zhuǎn)換器，應將開關K1、K3、K5斷開、將開關K2、K4的2～3與K6接通，此時，D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出0～5V電壓信號，并直接送至電液轉(zhuǎn)換器，使其主接力器的位移行程與輸出電壓的數(shù)值相對應。
權利要求1.一種水輪機調(diào)速器的微機控制器，包括有液壓組件與準16位CPU為核心的控制電路，其特征在于其中液壓組件是由分別用作機電切換閥和手自動切換閥的兩個二位三通電磁閥以及用作電液轉(zhuǎn)換器的一個三位四通電磁閥所組成，該液壓組件應安裝在調(diào)速器的引導閥前端壓力油與控制油兩條液壓管路上；其中控制電路包括有8098準16位CPU芯片，以監(jiān)測水輪機轉(zhuǎn)速快慢的測速電路和分別監(jiān)測輔助接力器、主接力器和開限機構(gòu)位移的三個位移傳感器構(gòu)成的8098輸入電路，由通用邏輯陣列芯片和ROM、EEPEOM、RAM芯片構(gòu)成的地址譯碼、鎖存及存儲電路，由數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成的8098輸出驅(qū)動電路和由可編程鍵盤/顯示接口芯片與兩個可編程外設接口芯片組成的開關量輸出/輸入接口構(gòu)成的外圍接口電路；其中8098輸出驅(qū)動電路的輸出端接至液壓組件中電液轉(zhuǎn)換器的電信號輸入端。
2.如權利要求1所述的水輪機調(diào)速器的微機控制器，其特征在于控制電路中設有MC3486、MC3487兩個RS422串行通信接口芯片作為其與上位機實現(xiàn)遠距離通信接口。
3.如權利要求1所述的水輪機調(diào)速器的微機控制器，其特征在于控制電路中選用DAC1230數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片作為其數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出接口。
4.如權利要求1或3所述的水輪機調(diào)速器的微機控制器，其特征在于控制電路中的數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出接口中設置有由多個TL082、OP07、555芯片、達林頓功放驅(qū)動電路及多個開關構(gòu)成的不同輸出通道。
5.如權利要求1所述的水輪機調(diào)速器的微機控制器，其特征在于上述液壓組件可以是只有一個用作電液轉(zhuǎn)換器的三位四通電磁閥。
6.如權利要求1所述的水輪機調(diào)速器的微機控制器，其特征在于上述液壓組件中的電液轉(zhuǎn)換器可以是比例閥，也可以是伺服閥，還可以是位移輸出的電液轉(zhuǎn)換器。
7.如權利要求1所述的水輪機調(diào)速器的微機控制器，其特征在于上述液壓組件的各個閥的入油口應與調(diào)速器引導閥前端的壓力油管路連通，而這些閥的回油口可以經(jīng)過引導閥構(gòu)成通路，也可以直接連接自行閉合而與引導閥脫離連接。
專利摘要一種水輪機調(diào)速器的微機控制器，由液壓組件與8098準16位CPU為核心的控制電路所組成，液壓組件包括有兩個二位三通電磁閥和一個用作電液轉(zhuǎn)換器的三位四通電磁閥，并安裝在引導閥前端的壓力油與控制油兩條液壓管路上；控制電路還包括有測速電路和位移傳感器構(gòu)成的輸入電路、由D/A轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成的輸出驅(qū)動電路和外圍接口、串行通信接口。該裝置功能齊全、通用性強、結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠，為我國中小水電站進行調(diào)速器技術改造的優(yōu)選設備。
文檔編號G06F19/00GK2258635SQ9620948
公開日1997年7月30日 申請日期1996年5月17日 優(yōu)先權日1996年5月17日
發(fā)明者謝森生, 王珩, 王素華 申請人:王素華